В марте 1986 года в далеком районе космоса сразу четыре автоматические межпланетные станций повстречаются с кометой Галлея. Две из этих станций — советские, одна — западноевропейская, четвертая — японская. Советские аппараты уже начали свою космическую одиссею, стартовав с космодрома Байконур 15 и 21 декабря прошлого года. В начале этого года для наблюдения за кометой Галлея запущена японская станция «Сакигакэ» («Пионер»).
В марте 1986 года в далеком районе космоса сразу четыре автоматические межпланетные станций повстречаются с кометой Галлея. Две из этих станций — советские, одна — западноевропейская, четвертая — японская. Советские аппараты уже начали свою космическую одиссею, стартовав с космодрома Байконур 15 и 21 декабря прошлого года. В начале этого года для наблюдения за кометой Галлея запущена японская станция «Сакигакэ» («Пионер»). Запуск произведен в рамках международной программы, в которой принимают участие СССР, США и некоторые западноевропейские страны. Таким образом, впервые в истории человечества предпринимается попытка прямого контакта с самым, пожалуй, загадочным и изменчивым объектом звездного неба — кометой. И выбрана для этой цели знаменитейшая из небесных странниц — комета Галлея.
Предначертано появиться
Уже в течение тысячелетий она будоражит воображение землян, регулярно появляясь на небе примерно каждые семьдесят шесть лет. В хрониках зарегистрировано 29 таких визитов, начиная от 240 года до нашей эры. Явление это считалось предвестником крупных событий, дурных или хороших. И если уж комета попадала в летописи, то все авторы без исключения связывали ее появление с самыми важными событиями своей эпохи.
В 66 году саблезубый хвост кометы озарил мрачным светом небо Иерусалима. Иосиф Флавий посчитал это знаком, предвещавшим гибель города и храма. И она произошла в 70 году.
Комета Галлея 912 года «предрекла» смерть вещего Олега. Затем она «возвестила миру» о крещении Руси, ею был якобы решен исход битвы при Гастингсе, открывшей путь нормандскому завоеванию Англии.
Флорентийский художник Джотто ди Бондоне, увидев эту комету в 1301 году, запечатлел ее как звезду Вифлеема на своей знаменитой фреске «Поклонение волхвов» в капелле дель Арена в Падуе.
При появлении в 1454 году комета необыкновенно светилась. Огненный хвост ее бушующим пламенем охватил треть небосклона. Папа Каликст III объявил, что форма кометы напоминает турецкий ятаган, и призвал готовиться к войне с турками. А чтобы отвести страшную опасность, повелел ежедневно в полдень во всех костелах звонить в колокола.
Турки, в свою очередь, заявили, что комета напоминает христианский крест, а значит, следует ожидать нападения гяуров.
Весь мир в напряжении ожидал неизбежного, казалось бы, начала кровопролитной войны. Однако вскоре комета исчезла и воцарилось спокойствие.
Сточки зрения науки вплотную проблемой комет заинтересовались только в XVII веке. И Ньютон доказал, что эти небесные тела двигались почти по параболическим орбитам. Английский математик и астроном Э. Галлей собрал обширный материал по ранее наблюдавшимся кометам и, последовательно применив законы Ньютона, сумел вычислить орбиты многих из них. Так был составлен первый каталог элементов орбит 24 комет. Причем ученый обратил внимание на удивительную закономерность: три кометы, наблюдавшиеся с разницей примерно в 76 лет (1531, 1607 и 1682 годы), двигались по очень схожим орбитам. Его осенила догадка, что это могло быть одно и то же небесное тело, и он рискнул предсказать ее появление в 1758 году.
Однако в расчетное время кометы на небосклоне не оказалось. Французский математик А. Клеро предположил, что прибыть комете «по расписанию» могли помешать возмущения ее орбиты большими планетами. Вместе с астрономом Ж. Лаландом и математиком Н. Лепот он провел расчеты, указав точный срок появления кометы — март 1759 года. Прогноз полностью подтвердился. Это был настоящий триумф закона всемирного тяготения, открытого И. Ньютоном, а за кометой после этого прочно закрепилось название кометы Галлея.
Научный портрет кометы
В первом приближении комету можно разделить на голову и хвост. В голове, в свою очередь, различают ядро — центральное усиление яркости, и окружающую его кому — светящийся материал, который непрерывно истекает из ядра.
В настоящее время наиболее распространено мнение, что ядро кометы представляет собой замороженный конгломерат газов сложного химического состава, водяного льда, тугоплавкого вещества в виде пыли и более крупных частиц. Причем слой из замороженных газов чередуется с пылевыми. По мере прогревания солнечным теплом кометные газы прорываются наружу, увлекая за собой твердые частицы. Именно существование частиц газа, образующих кому, является решающим признаком при отнесении небесного тела к кометам.
Диаметр комы в среднем равен примерно ста тысячам километров, но нередко достигает и значительно больших величин. (Напомним, что диаметр Земли составляет менее 13 тысяч километров.) Правда, разряженность комы поразительна: свет от самых слабых звезд, проходящий через атмосферу кометы, почти совершенно не теряет своей интенсивности.
Но наиболее грандиозным образованием кометы является, конечно же, ее хвост. Причем еще в древние времена было замечено, что он всегда направлен в противоположную от Солнца сторону. Отсюда некоторые ученые делали вывод, что вещество хвоста «отталкивается» от Солнца под влиянием какой-то силы, противоположной силе тяготения. Эту силу стали называть «отталкивательной», но природа ее оставалась для ученых загадочной до тех пор, пока выдающийся русский астроном Федор Александрович Бредихин не разработал теорию, доказывающую, что хвост кометы образуется при ее приближении к Солнцу. Под воздействием солнечных лучей нагревается ядро кометы. Выброшенные же из ядра частицы материи подвергаются действию отталкивающей силы. Если солнечное тяготение притягивает частицу вещества к Солнцу, то давление падающих на эту частицу солнечных лучей отталкивает ее от Солнца. При этом для очень малых частиц сила светового давления превышает силу солнечного тяготения. Таким образом выброшенные частицы «отгоняются» в сторону от Солнца, образуя хвост кометы, вытягивающийся нередко на миллионы, а иногда на десятки и сотни миллионов километров.
Впрочем, наблюдались кометы с несколькими хвостами, как, например, двухвостые кометы 1807 и 1861 годов. Замечательнейшая из многохвостовых — комета 1744 года, которая в ночь с 7 на 8 марта предстала с шестью веерообразно расположенными хвостами. Как уже говорилось, в ядрах комет присутствуют два типа вещества — замерзшие газы и пыль. Вырываясь наружу, газ образует прямолинейный голубой хвост, а пылевые частицы, сортируясь по размерам, создают изогнутый хвост. Могут наблюдаться одновременно и оба типа хвостов.
Максимальный диаметр комы, который наблюдался у кометы Галлея в 1910 году, был близок к 400 тысячам километров. Хвост начинался у горизонта на западе и простирался через зенит вплоть до восточной стороны неба. Его фактическая длина составляла 140 миллионов километров. Причем он был двойной — пылевой и плазменный.
Земля прошла сквозь хвост на расстоянии всего лишь 22,5 миллиона километров от ядра. Если бы в то время существовали ракеты, достаточно было бы подняться на высоту лишь нескольких десятков километров, чтобы оказаться непосредственно в хвосте и провести прямые измерения его состава. И вот предоставляется новая возможность непосредственно исследовать комету.
От Венеры к комете Галлея
Директор Института космических исследований АН СССР академик Р. 3. Сагдеев предложил использовать для наблюдений кометы Галлея межпланетные автоматические станции экспедиции к Венере. Разумеется, после того как они закончат решение своих задач у этой планеты. Оказалось, что с помощью небольшого гравитационного маневра вблизи Венеры станции можно вывести на траекторию полета к комете Галлея. При этом они пролетят в непосредственной близости от ядра кометы на расстоянии в несколько тысяч километров, что позволит не только сфотографировать его, но и выполнить исследования многих характеристик кометы, знание которых необходимо для понимания ее природы.
И, что немаловажно, такой зонд и стоит гораздо дешевле, поскольку проект совмещает в себе две экспедиции. Отсюда и само название проекта — «Вега», которое является сокращением двух пунктов назначения космического аппарата — Венеры и кометы Галлея.
В июне 1985 года станции пролетят мимо Венеры, и от них отделятся спускаемые аппараты, которые войдут в атмосферу планеты. На заданной высоте они, в свою очередь, разделятся на посадочный аппарат и аэростатный зонд. Первый мягко опустится на поверхность Венеры, а аэростат будет дрейфовать в ее атмосфере с целью проведения метеорологических исследований.
Встреча полетных аппаратов с кометой Галлея произойдет спустя девять месяцев примерно на расстоянии 130 миллионов километров от Солнца. В это время комета будет двигаться со скоростью 40 километров в секунду в направлении отдаленных областей Солнечной системы, а космические аппараты — со скоростью 34 километра в секунду навстречу комете ( В отличие от большинства комет комета Галлея имеет так называемое ретроградное движение, то есть она летит по своей орбите в сторону, противоположную вращению Земли и других планет вокруг Солнца.) . Космические аппараты окажутся в десяти тысячах километров от ядра кометы, и оптические оси приборов будут направлены на освещенную Солнцем сторону кометы. Постоянное наведение приборов будет обеспечиваться автоматической стабилизированной поворотной платформой, на которой установлена научная аппаратура.
Почему для встречи выбрано именно такое расстояние? Дело в том, что при скорости сближения почти 80 километров в секунду пылевая среда комы представляет собой серьезную опасность для космического аппарата. При встрече с более близкого расстояния надо увеличивать массу защитного экрана, то есть уменьшить вес научной аппаратуры. Кроме того, при очень близком пролете к ядру кометы станция может промахнуться и пролететь около ядра с теневой, не освещенной Солнцем стороны.
Но для чего же понадобился этот эксперимент?
Колыбель небесных тел
Хотя кометы изучаются не одно столетие, многое в их природе так и осталось для нас глубокой тайной.
Аристотель считал эти небесные тела случайными земными испарениями, поднимающимися в «зону огня» и там вспыхивающими гигантскими «огненными факелами». Но и в те далекие времена ряд ученых, как, например, римский философ Сенека, полагали, что комета имеет «собственное место» среди небесных тел, представляя собой одно из «вечных творений природы».
Если же говорить о научно обоснованных гипотезах, то начать следовало бы с 1796 года, когда Лаплас в приложении к книге «Изложение системы мира» предложил теорию межзвездного происхождения комет, которые захватываются планетами-гигантами. И сегодня такое предположение не лишено оснований, поскольку за время своего существования Солнце могло неоднократно пройти через гигантские облака молекулярного водорода, в которых могли быть и пыль, и готовые кометные ядра. Таких облаков довольно много в Галактике.
Диаметрально противоположная гипотеза была предложена в 1812 году Лагранжем, считавшим, что кометы выбрасываются из недр планет-гигантов и их спутников во время вулканических извержений. Когда американские «Вояджеры» обнаружили вулканическую деятельность на Ио, одном из главных спутников Юпитера, это предположение обрело как бы второе дыхание. Тем не менее большинство специалистов весьма скептически относятся к этой гипотезе — слишком много «но».
Например, скорость отрыва кометного ядра от Юпитера, учитывая его гигантскую массу, должна быть порядка 60 километров в секунду. Масса ядра кометы с диаметром 1—2 километра составляет 2—4 миллиарда тонн. Насколько же мощным должно быть вулканическое извержение, чтобы оторвать его от Юпитера или даже от Ио! Кроме того, общая масса комет составляет, по-видимому, не меньше половины массы всех спутников планет.
Общепринятой в настоящее время является гипотеза о происхождении планет из первичного газопылевого облака, имевшего такой же химический состав, что и Солнце. Считается, что Юпитер, Сатурн, Уран и Нептун сконденсировались в холодной части протопланетного облака. В этой же холодной зоне образовались ядра комет, которые частично пошли на формирование планет-гигантов, а частично были выброшены за пределы планетной области.
Кометные ядра могли сформироваться в протопланетной туманности и прямо там, где они сейчас находятся, то есть в области, занятой облаком Оорта. Вращение планет вокруг Солнца свидетельствует, что изначальное облако, из которого они сформировались, также имело вращение. Образование Солнечной системы происходило вследствие сжатия под действием собственной гравитации протосолнечной туманности. Сжатие в плоскости, перпендикулярной оси вращения, было затруднено из-за центробежных сил.
Вдоль оси вращения оно происходило свободно. В результате первоначальная туманность стала уплотняться и постепенно приобретать форму диска. В центре его сформировалось протосолнце, а далее на разных расстояниях — планеты, еще дальше — кометные ядра.
Если принять полную массу всех тел Солнечной системы за 100 процентов, то на долю Солнца приходится 99,866 процента от этого общего количества, на долю девяти планет — еще около 0,134 процента, остальные же, то есть десятитысячные доли процента,— малые тела Солнечной системы: астероиды и кометы. Число их, однако, чрезвычайно велико. Поэтому малые тела никак нельзя исключать при рассмотрении вопроса о строении и истории развития Солнечной системы.
Эволюция коснулась только Солнца и планет. Малые же тела почти не изменились за время своего существования. Другими словами, их физический и химический состав остался таким же (или почти таким же), как состав первичной газопылевой туманности. Следовательно, в кометах, как предполагается, должна храниться уникальная информация о процессах, протекавших в момент зарождения Солнечной системы.
Более того, ряд ученых связывают с кометами и происхождение... жизни на Земле. Химический состав комет, определенный путем спектрального анализа, показывает, что в них есть органические молекулы, которые при определенных условиях способны к самоорганизации.
Например, в метеоритах, упавших на Землю, были обнаружены радиоактивные изотопы, период полураспада которых показывает, что они оказались в допланетном облаке задолго до того, как началась его конденсация. Их присутствие, возможно, связано со взрывом сверхновой звезды. Но это означает, что эти изотопы имелись и в том материале, из которого возникли кометы. Следовательно, простейшие органические молекулы, входящие в состав кометных ядер, находились под облучением распадающихся из-за своей естественной радиоактивности изотопов. Лабораторные эксперименты показали, что при облучении такие молекулы способны к самоорганизации и образованию аминокислот и оснований нуклеиновых кислот — кирпичиков живой материи, которые могут послужить основой для возникновения простейших микроорганизмов.
Поскольку столкновения комет с нашей планетой не исключительное явление и на ранних стадиях развития планетной системы такое происходило довольно часто, Земля вполне могла «заразиться» от них органической материей.
Проблема здесь, однако, в том, что перепады температур в кометах, поскольку они движутся вокруг Солнца по очень сильно вытянутым орбитам, огромны. К тому же колоссальная энергия, которая выделяется и при столкновении кометы с препятствием, в данном случае с Землей, скорее всего уничтожила бы всю органику.
Наблюдения комет крайне важны и для диагностики физических условий в межпланетном пространстве. Использование их в качестве естественных зондов в настоящее время — единственная возможность исследовать те участки космического пространства, которые пока труднодоступны для межпланетных станций.
Комета на телеэкране
Установить, откуда кометные ядра приходят во внутренние области Солнечной системы, а заодно решить проблему происхождения короткопериодических комет, вероятно, удалось нидерландскому ученому Я. Оорту. Анализируя распределение девятнадцати известных к 1950 году долгопериодических комет, он обратил внимание, что все они группируются к области, отстоящей от Солнца на расстоянии порядка 50—100 тысяч астрономических единиц (то есть расстояний от Земли до Солнца). Ученый предположил, что Солнечная система окружена гигантским облаком комет. По некоторым расчетам, в этом облаке Оорта находится более 100 миллиардов комет. Под влиянием гравитационных полей близко проходящих звезд некоторые из них покидают это облако и направляются «в экспедицию» во внутренние зоны Солнечной системы. Они-то и регистрируются как новые кометы. Часть из этих комет переходит на так называемую «переходную орбиту», перигелий которой находится далеко за пределами орбит планет-гигантов Юпитера и Сатурна. Затем они постепенно перемещаются на конечные орбиты, проходящие неподалеку от Солнца.
К настоящему времени известно уже около 100 первичных кометных орбит. И все они свидетельствуют в пользу гипотезы Оорта.
До сих пор неясен физический механизм взаимодействия вещества комет с солнечной радиацией, природа резкого изменения свечения и многое другое. Что касается, например, вспышек яркости, то одно время они объяснялись как следствие столкновений ядра с другими небесными телами, например мелкими астероидами. Однако в ряде случаев частота вспышек столь высока, что гипотеза столкновений выглядит маловероятной.
Наземными спектроскопическими исследованиями легко определяются молекулы «дочерние», то есть вторичные. Дело в том, что при переходе кометного льда из твердого фазового состояния непосредственно в газообразное газ вылетает с поверхности кометы почти со скоростью звука и распространяется в межпланетном пространстве в виде кометного ветра. В районе ядра кометы плотность газа очень велика. Поэтому вследствие столкновений молекул друг с другом в них происходят существенные химические изменения. В ходе этих процессов и образуются вторичные, «дочерние» молекулы. Поэтому поиск «родительских» молекул, то есть определение состава газа в околоядерной области, является одной из важнейших задач космического эксперимента.
Задачи космических исследований комет обусловливают вполне определенный состав аппаратуры экспедиций. Он, естественно, должен включать в себя телевизионную камеру, кроме того, на борту необходимо иметь масс-спектрометры различных типов для определения видов нейтральных и ионизированных молекул и пылинок кометных атмосфер, магнитометры, электронные анализаторы, радиокомплекс, позволяющий производить радиопросвечивание кометной плазмы, радиолокацию ядра, головы и хвоста кометы, принимать ее собственное радиоизлучение.
Масса научной аппаратуры, которую можно разместить на космических аппаратах, естественно, весьма ограниченна. Поэтому, несмотря на единые в принципе научные цели, преследуемые во всех проектах, состав приборов, размещаемый на каждом из космических аппаратов, различен. Так, например, масса полезной нагрузки советского космического аппарата «Вега» — 130 килограммов, что почти в три раза больше, а скорость передачи научной информации на Землю на 50 процентов выше, чем у аппарата Европейского космического агентства «Джотто».
Пожалуй, самой уникальной в составе научного комплекса «Беги» является телевизионная система. Она состоит из двух камер с соответственно различными фокусными расстояниями. Одна камера — узкоугольная высокого разрешения, другая — широкоугольная — будет служить датчиком наведения.
Телевизионная система должна обнаружить комету и ее ядро, обеспечить автоматическое слежение за ним и передачу его изображений с максимальной детальностью на наземные приемные пункты. В состав системы входят бортовая ЭВМ для предварительной обработки изображений и вычисления координат ядра кометы. Поскольку съемка будет выполняться в нескольких спектральных зонах, это даст возможность синтезировать на Земле цветные изображения кометы. Использование при создании телевизионного комплекса «Веги» новейших материалов, технологий и достижений в области микроэлектроники позволило достичь рекордно низкой, всего 31,5 килограмма, массы для столь сложной и обладающей мощной оптикой системы.
Существенной особенностью советских автоматических межпланетных станций проекта «Вега» является и трехосная ориентация космического аппарата, благодаря которой можно обеспечить наведение оптических приборов на околоядерную часть кометы. Основной поток информации будет передаваться на Землю в режиме непосредственной передачи.
Научные исследования кометы начнутся поэтапно. Первый этап — сеанс включения научной аппаратуры — произойдет за двое суток до сближения с кометой, когда аппарат будет находиться от нее на расстоянии 14 миллионов километров, второй сеанс будет произведен при расстоянии до ядра около 7 миллионов километров. В момент встречи начнется третий сеанс.
Для будущих поколений
Когда после появления кометы Галлея в 1759 году стало ясно, что это действительно регулярная комета с периодом около 76 лет, возникла идея международного сотрудничества астрономов разных стран с целью ее изучения. Первая международная программа наблюдений кометы Галлея к ее появлению в 1835 году была предложена великим русским астрономом Василием Яковлевичем Струве, сформировавшим основные научные задачи ее исследований.
Еще более значительные усилия были предприняты перед появлениё'м этой кометы в 1910 году. Астрономы многих стран мира попытались объединиться и создать международную службу кометы Галлея. Это принесло ощутимые результаты. Был получен богатейший материал, который позволил разработать инженерную модель кометы. Эта модель с успехом использовалась при проектировании нынешних космических аппаратов.
Подготовка к исследованиям кометы Галлея средствами ракетно-космической техники началась давно. Обсуждалось несколько вариантов полетов. Европейское космическое агентство, объединяющее ряд западноевропейских стран, с 1980 года приступило к подготовке проекта «Джотто», названного так в честь итальянского художника, давшего миру первый документальный «портрет» кометы Галлея.
Надо сказать, что первоначально в разработке проекта участвовало и Национальное управление по аэронавтике и исследованию космического пространства (НАСА). Но для Соединенных Штатов более важными оказались военные программы в космосе, и проект стал чисто западноевропейским. Запуск космического аппарата планируется осуществить при помощи ракеты «Ариан». Сначала автомат будет выведен на промежуточную орбиту, с которой затем отправится к комете. В пути он будет находиться 247 суток.
По японскому проекту «Планета А» планируется последовательный запуск двух аппаратов. Но только один из них должен встретиться с ядром кометы. По планам, он подлетит к комете не ближе чем на 100 тысяч километров, поэтому скорее всего аппарат сможет наблюдать лишь кому. Второй будет в это время проводить исследования плазмы солнечного ветра вдали от кометы.
Пожалуй, никогда ранее в истории астрономии не планировалось столь широкое международное сотрудничество, как сейчас, в ожидании нынешнего прихода кометы. Решением 18-й Генеральной ассамблеи Международного астрономического союза принята международная программа ее исследований. В рамках этой программы создано два координационных центра: один в Пасадене (США) — для централизации и координации наземных наблюдений всеми возможными способами в западном полушарии Земли, включая Японию, Филиппины, Индонезию, Австралию и Новую Зеландию; второй — в Бамберге (ФРГ) для восточного полушария.
В СССР также создана программа наземных наблюдений кометы Галлея, которая является составной частью международной программы. Трудно переоценить значение одновременных наблюдений кометы Галлея обсерваториями всего земного шара, тем более по единым программам. Но главная цель, конечно,— получить, так сказать, «всеобъемный портрет» кометы, комбинируя данные наземных наблюдений с одновременными пробами, «взятыми изнутри», то есть прямыми методами, экспедиционными кораблями.
Следующее возвращение небесной странницы должно состояться в третьем тысячелетии. Поэтому вся информация, полученная как из наблюдений с поверхности Земли, так и космическими аппаратами, независимо от того, под какими флагами они стартовали, будет собрана в Мировом центре данных. Наши потомки смогут ею воспользоваться при подготовке будущих полетов человека к комете Галлея. И это не фантазия.
Тамара Бреус, кандидат физико-математических наук
