Неліктен кометалар құйрық қалдырады?

Ғарыштық саяхатшылар ғасырлар бойы түнгі аспанда керемет пайда болуларымен адамзаттың назарын аударып келді. Ештеңеден пайда болғандай көрінетін бұл аспан денелері артында миллиондаған километрге созылған жарқын жарқырайтын шлейфтерімен ата-бабаларымыздың қиялын таңдандырды. Ежелгі өркениеттер құбылыстың шынайы табиғатын түсінбей, оларды ұлы оқиғалардың белгілері деп санады. Қазіргі ғылым зат пен күн сәулеленуінің өзара әрекеттесуімен байланысты осы керемет ғарыштық түзілімдердің қалыптасу механизмдерін ашты. Комета құйрықтарын зерттеу тарихы Күн жүйесінің тереңдігінде жүретін таңғажайып физикалық үдерістерді алдымызға ашады.

Кометаның құрылысы және оның ядросы

Комета қатып қалған газдардан, мұздан, шаңнан және тас бөлшектерден тұратын ғарыштық денені білдіреді. Орталығында жұлдызбен жақындасу кезінде барлық кейінгі құбылыстарды анықтайтын қатты бөлігі — ядро орналасады.

Комета ядросының негізгі компоненттері келесі заттарды қамтиды:

• массасының 80% дейін құрайтын су мұзы;
• қатып қалған көмірқышқыл газы және көміртегі тотығы;
• метан, аммиак және басқа ұшқыш қосылыстар;
• силикат шаңы және органикалық молекулалар;
• әртүрлі өлшемдегі тас фрагменттері.

Типтік кометаның ядросы дұрыс емес пішінге және бірнеше жүз метрден ондаған километрге дейінгі диаметрге ие. Атақты Галлей кометасы жержаңғаққа пішіні жағынан ұқсайтын шамамен 15-ке 8 километрлік ядроға ие. Бет құсырдан қараңғырақ түсетін құлап түскен жарықтың тек 4% шағылыстыратын органикалық қосылыстардан тұратын қара қыртыспен жабылған. Бұл қабықтың астында Күн жүйесі қалыптасқан сәттен бастап сақталған 4,6 миллиард жыл бұрынғы бастапқы заттар жасырынған.

Команың түзілу механизмі

Комета Күнге жақындағанда сублимация үдерісі басталады — заттың сұйық фазаны айналып өтіп, қатты күйден тікелей газ тәрізді күйге көшуі. Ядроны күн сәулеленуімен қыздыру аспан саяхатшысының драмалық трансформациясын іске қосады.

Команың қалыптасуы кезеңдер бойынша келесідей жүреді:

1. Жұлдыздан шамамен 3-5 астрономиялық бірлік қашықтықта ядро бетінің температурасы қатып қалған газдар белсенді түрде булануды бастайтын нүктеге дейін жоғарылайды. Сәулелену қыртыстың кеуекті құрылымы арқылы өтіп, мұздың бетасты қабаттарын қыздырады және ұшқыш компоненттерді босатады. Жинақталып жатқан газдардың қысымы қыртыста жарықтар туғызады, олар арқылы бу ағындары шаң бөлшектерімен бірге атылады. Бұл үдеріс қоршаған кеңістікке материалды секундына километрге дейінгі жылдамдықпен шығаратын гейзердің атқылауына ұқсайды.
2. Атқылаған газдар мен шаң ядроның айналасында кома немесе комета атмосферасы деп аталатын кең қабықты құрайды. Бұл газды-шаңды бұлттың диаметрі жүздеген мың километрге жетіп, біздің жүйеміздегі алып планеталардың өлшемдерінен асады. Кома негізінен сиректенген күйдегі су молекулаларынан, көмірқышқыл газынан, цианнан және басқа қосылыстардан тұрады. Заттың тығыздығы соншалықты аз, кома арқылы жұлдыздарды олардың жарқырауының айтарлықтай әлсіреуінсіз бақылауға болады.
3. Булану қарқындылығы Күнге дейінгі қашықтыққа және нақты аспан денесінің құрамына байланысты. Кейбір кометалар біздің жұлдызымызбен максималды жақындасу кезінде секундына тоннаға дейін затты жоғалтады. Белсенділік бет бойынша біркелкі бөлінбейді — ядро құрамының біртектілігімен шартталған шығарындылардың жергілікті көздері бақыланады. Кометаның өз осі айналасында айналуы ағып жатқан газ ағындарында сипаттамалық спиральдық құрылымдар туғызады.

Кома шаң бөлшектеріндегі күн сәулесінің шашырауы және қозған газ молекулаларының жарқырауына арқасында Жерден көрінеді. Ішкі аймақтардың көгілдір реңі ультракүлгін сәулеленудің әсерінен циан молекулаларының және екі атомды көміртегінің флуоресценциясына байланысты.

Шаң құйрығының қалыптасуы

Газдармен бірге ядродан шығарылған шаң бөлшектері жарық қысымының — фотондардың бөлшектер бетінен шағылысу кезінде пайда болатын физикалық күштің — әсеріне ұшырайды. Теориялық түрде болжанған және бақылаулармен расталған бұл эффект көрінетін шлейфті жасауда негізгі рөл атқарады.

Шаң құйрығының ерекшеліктері келесі сипаттамаларда көрінеді:

• бағыт кометаның орбиталық қозғалысына байланысты радиалдық бағыттан ауытқыған;
• түс күн сәулесінің шағылысуына арқасында сарғыш немесе ақ;
• пішін ораққа немесе желпуішке ұқсас иілген;
• ұзындық 10 миллион километрден асуы мүмкін;
• жарқырау шаң бөлшектерінің санына және өлшеміне байланысты.

Жарық қысымы микрометрлерден миллиметрге дейінгі өлшемдегі ұсақ бөлшектерге тиімдірек әсер етеді. Ірі фрагменттер аз тебу күшін сезінеді және ядро траекториясына жақын қалады, құйрықтың неғұрлым күңгірт компоненттерін туғызады. Бөлшектердің өлшемдер бойынша бөлінуі көрінетін құрылымды анықтайды — кейде шаңның әртүрлі фракцияларына сәйкес келетін бірнеше параллель жолақтар бақыланады. Атақты Хейла-Боппа кометасы 1997 жылы жарықтанумен қалалардан да жалаң көзбен көрінетін өте жарқын шаң құйрығын көрсетті.

Иондық құйрықтың түзілуі

Шаң құйрығымен параллель екінші түрдегі құйрық, иондалған газ молекулаларынан тұратын, қалыптасады. Күн желі — жұлдыздан үздіксіз ағып жататын зарядталған бөлшектер ағыны — кометаның газды қабығымен өзара әрекеттесіп, плазмалық шлейф жасайды.

Иондық құйрық пайда болу үдерісі мынадай сценарий бойынша дамиды:

1. Күннің ультракүлгін сәулеленуі командағы бейтарап молекулаларды иондайды, электрондарды ұрып шығарып, оң зарядталған иондар туғызады. Көміртегі тотығының молекулалары ең қарқынды иондалып, CO+ ионын құрайды, сонымен қатар су H₂O+ айналады. Иондар концентрациясы кометаның жарықтандырылған жағында күрт өседі, зарядталған бөлшектердің асимметриялық таралуын қалыптастырады. Иондау үдерісі комета сәулелену көзіне жеткілікті жақын тұрғанша үздіксіз жалғасады.
2. Күн желі өзімен бірге қату магнит өрісін алып жүреді, ол иондалған молекулаларды ұстап, оларды Күннен алыс секундына жүздеген километрлік жылдамдықпен сүйрейді. Магниттік күш сызықтары кома түріндегі кедергіні айналып өтіп, аспан денесінің айналасында өрістің сипаттамалық конфигурациясын құрайды. Осы құрылымға түскен иондар күш сызықтары бойымен жүріп, тар түзусызықты құйрық қалыптастырады. Иондардың қозғалыс жылдамдығы жарық қысымының әсерінен шаң бөлшектерінің дрейфі жылдамдығынан ондаған есе асады.
3. Күн желінің комета ионосферасымен өзара әрекеттесуі құйрықтың үзілуін және оның қайта қалыптасуын қоса, күрделі динамикалық құбылыстар туғызады. Комета әртүрлі полярлықтағы планетааралық магнит өрісінің секторларының шекараларын қиып өткенде, бар плазмалық құйрықты толық үзе алатын магниттік қайта қосылу жүреді. Бірнеше сағаттан кейін жаңа шлейф түзіледі, және үдеріс көп рет қайталануы мүмкін. Мұндай оқиғалар 2007 жылы Энке кометасында STEREO ғарыштық аппаратымен тіркелді.

Иондық құйрық кометаның орбита бойынша қозғалыс бағытына тәуелсіз Күннен қатаң бағытталады. Көгілдір жарқырау ультракүлгін күн сәулесімен қозғанда спектрдің көк-күлгін бөлігінде сәуле шығаратын көміртегі тотығы иондарының флуоресценциясымен шартталған.

Құйрық түрлері арасындағы айырмашылықтар

Жарқын кометалардың көпшілігі бір мезгілде түсі, пішіні және бағыты жағынан ерекшеленетін құйрықтардың екі түрін де көрсетеді. Бұл айырмашылықтар шығарылған заттың әртүрлі компоненттеріне әсер ететін іргелі физикалық үдерістерді көрсетеді.

Комета құйрықтарының салыстырмалы сипаттамалары ерекшеліктер кестесінде келтірілген:

1. Шаң құйрығы сарғыш-ақ реңге ие, себебі шаң түйіршіктері оның спектрлік құрамын өзгертпей күн сәулесін қарапайым шағылыстырады. Иілген пішін бөлшектер жарық қысымының әсерінен баяу алыстай отырып, бір мезгілде ядро траекториясына жақын орбита бойынша қозғалуын жалғастыруынан пайда болады. Мұндай шлейфтің ені аспан сферасында бірнеше градусқа жетуі мүмкін. Ең әсерлі шаң құйрықтары 1976 жылғы Веста кометасында және 2007 жылғы Макнот кометасында бақыланды, онда олардың иілген құрылымдары көрінетін аспанның жартысы арқылы созылды.
2. Иондық құйрық қозған газ иондарының меншікті сәулеленуіне арқасында көк түспен жарқырайды. Түзу тар пішін зарядталған бөлшектердің магниттік күш сызықтары бойынша кометаның орбиталық жылдамдығынан көп есе асатын жылдамдықпен қозғалуымен анықталады. Плазмалық құйрықтың ені әдетте градустың үлестерін құрайды, фотосуреттерде жіңішке сәуле әсерін туғызады. Кейде иондық құйрықта күн желіндегі тұрақсыздықтарға және магниттік дауылдарға байланысты түйіндер мен үзілістер пайда болады.
3. Құйрықтардың бағыттары Жерден бақылау кезінде айтарлықтай ажырауы мүмкін. Иондық әрқашан Күннен дәл көрсетеді, радиалдық бағытты ұстанады. Шаңды орбиталық қозғалыс бағытына қатысты артқа қарай ауытқып, бөлшектердің өлшеміне және комета жылдамдығына байланысты бұрыш түзеді. Жылдам қозғалатын кометаларда бұл бұрыш неғұрлым айқын, сипаттамалық желпуіш тәрізді құрылым жасайды. Шаң шлейфінің геометриясын талдау астрономдарға үлгілерді тікелей іріктеусіз бөлшектердің өлшемдер бойынша таралуын анықтауға мүмкіндік береді.

Сирек жағдайларда үшінші, антикұйрық — бақылаудың арнайы геометриясы кезінде пайда болатын оптикалық иллюзия — бақыланады. Жер кометаның орбита жазықтығын қиып өткенде, ядроның артында ерте қалдырылған шаң бөлшектері аспан сферасына оның алдына проекцияланып, Күнге қарай бағытталған құйрықтың жалған әсерін туғызады.

Орбита бойынша қозғалыс кезінде құйрықтың эволюциясы

Комета перигелийге — орбитаның Күнге ең жақын нүктесіне жақындаған сайын булану белсенділігі артып, жұлдызға жақын маңда максимумға жетеді. Осы нүктеден өткеннен кейін үдерістер аспан саяхатшысы жүйенің суық сыртқы аймақтарына алыстаған кезде біртіндеп басылады.

Траекторияның әртүрлі учаскелеріндегі құйрық сипаттамаларының өзгерістері:

• 5 астрономиялық бірліктен асатын қашықтықтарда белсенділік минималды, құйрықтар іс жүзінде жоқ;
• 3 астрономиялық бірлікке дейін жақындағанда команың және қысқа құйрықтардың айқын түзілуі басталады;
• перигелийде құйрықтардың жарқырауы мен ұзындығы максималды, кейде Жер орбитасынан асады;
• перигелийден өткеннен кейін белсенділік жақындау кезінде өскенге қарағанда баяу төмендейді;
• Юпитер орбитасының артында кометалардың көпшілігі келесі сапарға дейін белсенді емес күйге қайтады.

Күнді айналып өткен сайын ядродағы ұшқыш заттардың қоры таусылады. Бірнеше жыл немесе ондаған жыл сайын қайтып оралатын қысқа кезеңді кометалар біртіндеп жарқын құйрықтар қалыптастыру қабілетін жоғалтады. Тек 3,3 жыл кезеңімен айналатын Энке кометасы екі ғасыр бақылаулар бойына айтарлықтай күңгіртерді. Миллиондаған жылдар терең суықта болғаннан кейін Оорт бұлтынан ұшып келетін ұзақ кезеңді кометалар ішкі аймақтарға алғаш баруда ерекше белсенділік көрсетеді.

Комета құйрықтарын зерттеу Күн жүйесінің осы ежелгі нысандарының құрамы мен эволюциясының құпияларын ашуды жалғастыруда. Розетта сияқты кометаларға ғарыштық миссиялар алғаш рет жақын қашықтықтан құйрықтар қалыптасу үдерістерін бақылауға және шығарындылардың толық құрылысын зерттеуге мүмкіндік берді. Комета затының күн сәулеленуімен және желімен өзара әрекеттесу механизмдерін түсіну тек планетология үшін ғана емес, сонымен қатар астробиология үшін де маңызды, себебі кометалар жас Жерге тіршіліктің пайда болуына қажетті су мен органикалық қосылыстарды жеткізуі мүмкін. Осы ғарыштық саяхатшыларды одан әрі зерттеу біздің планеталық жүйеміздің шығу тегі мен ерте тарихы туралы жаңа ашылымдарға уәде етеді.