Приливные разрушения небесных тел
Как происходит разрушение небесных тел при приливном воздействии
со стороны массивных небесных объектов, таких, как например,
планеты?
Современная теория дает следующее выражение для силы давления
внутри однородного макроскопического тела в результате приливного
взаимодействия со стороны массивной планеты:
F(t) = |
(1) |
MпкrкRGгравитационная постоянная
Такая зависимость от размера подвергающегося разрушению тела в
случае его движения по замкнутой орбите не может вызвать
гравитационный развал на значительное количество осколков.
Действительно, если комета распалась на два примерно равных
осколка, давление за счет гравитационного воздействия уменьшится в
четыре раза и дальнейшего распада ядра кометы не произойдет.
Рис. 4. Зависимость масс |
Сценарий разрушения зависит от соотношения между скоростями
механического Fм и приливного
Ft разрушений. Если скорость
механического разрушения Fм
значительно больше, чем приливного Ft
, то комета будет разрушаться непрерывно на большое количество мелких
частиц. Именно такой случай легко реализуется для ядра кометы с
однородным химическим составом.
Шведский ученый В. Вейбулл в 1939 году развил теорию разрушения
неоднородного тела, содержащего некоторое количество активных ядер,
подвергающихся наиболее быстрому разрушению. Если n
– концентрация таких ядер, то число возникающих в
результате разрушения фрагментов N
N=nrк3 . | (2) |
rкR
N ~ rк2m+3R —3m , | (3) |
mmmmrкR
Рис. 5. Размеры |
Все эти соображения привели ученых к выводу, что, скорее всего,
комета Шумейкеров-Леви 9 состояла из 21 гравитационно связанных
малых объектов, называемых кометозималями, и ее
распад произошел в результате приливного воздействия Юпитера, когда
комета находилась в периастре. Это расстояние, которое иногда
называют радиусом Роша RR
, оказывается различным для комет с разной
плотностью:
RR = 1,51(Mп/ |
(4) |
пRп
комета, вращающаяся вокруг Юпитера
Орбитальные исследования новой кометы вскоре показали что она вращалась вокруг Юпитера, а не Солнца, в отличие от всех других комет, известных в то время. Его орбита вокруг Юпитера была очень слабо связана с периодом около 2 лет и апоапсисом (точкой на орбите, наиболее удаленной от планеты) 0,33 астрономических единиц (49 миллионов километров. ; 31 миллион миль). Ее орбита вокруг планеты была эксцентричной (e = 0,9986).
Отслеживание орбитального движения кометы показало, что она некоторое время вращалась вокруг Юпитера. Вполне вероятно, что он был захвачен с солнечной орбиты в начале 1970-х годов, хотя захват мог произойти уже в середине 1960-х годов. Несколько других наблюдателей обнаружили изображения кометы на изображениях precovery, полученных до 24 марта, в том числе Kin Endate с фотографии, сделанной 15 марта, S. Отомо 17 марта и группа под руководством Элеонора Хелин по изображениям 19 марта. Изображение кометы на фотопластинке Шмидта, сделанное 19 марта, было идентифицировано 21 марта М. Линдгреном., в проекте по поиску комет около Юпитера. Однако, поскольку его команда ожидала, что кометы будут неактивными или в лучшем случае будут демонстрировать слабую пылевую кому, а SL9 имел своеобразную морфологию, его истинная природа не была признана до официального объявления 5 дней спустя. Не найдено никаких изображений, сделанных ранее, чем в марте 1993 года. До того как комета была захвачена Юпитером, она, вероятно, была короткопериодической кометой с афелием непосредственно внутри орбиты Юпитера и перигелием внутри пояса астероидов.
Объем пространства, в котором объект может вращаться вокруг Юпитера, определяется сферой Хилла Юпитера (также называемой сферой Роша). Когда комета проходила мимо Юпитера в конце 1960-х или начале 1970-х годов, она оказалась около своего афелия и оказалась немного внутри сферы Юпитерского холма. Гравитация Юпитера подтолкнула комету к нему. Поскольку движение кометы относительно Юпитера было очень небольшим, она упала почти прямо к Юпитеру, поэтому оказалась на орбите Юпитера с очень высоким эксцентриситетом, то есть эллипс был почти сплющен.
Комета, по-видимому, прошла очень близко к Юпитеру 7 июля 1992 года, чуть более чем на 40 000 км (25 000 миль) над вершинами облаков — меньшее расстояние, чем радиус Юпитера, равный 70 000 км (43 000 миль), и находится в пределах орбита внутренней луны Юпитера Метида и предел Роша планеты, внутри которого приливные силы достаточно сильны, чтобы разрушить тело, удерживаемое только силой тяжести. Хотя комета и раньше приближалась к Юпитеру близко, встреча 7 июля казалась намного более близкой, и предполагается, что в это время произошла фрагментация кометы. Каждый фрагмент кометы был обозначен буквой алфавита, от «фрагмента А» до «фрагмента W», практика, уже установленная на ранее наблюдавшихся разбитых кометах.
Более захватывающим для планетных астрономов было что лучшие орбитальные расчеты предполагали, что комета пройдет в пределах 45000 км (28000 миль) от центра Юпитера, что на расстоянии меньше радиуса планеты, а это означает, что существует чрезвычайно высокая вероятность столкновения SL9 с Юпитером в июле 1994 года. Исследования показали, что цепочка ядер проникнет в атмосферу Юпитера в течение примерно пяти дней.
Параметры перед столкновением
В начале 1994 года комета имела следующие параметры орбиты: перигелий 5,381 а. е.; эксцентриситет 0,216; наклонение орбиты к эклиптике 6° 00′; аргумент перицентра 354° 53′; долгота восходящего узла 220° 32′; средняя аномалия 242,7°; сидерический период 18,0 лет. Абсолютная звёздная величина кометы 6m[источник не указан 3068 дней].
До столкновения комета вращалась вокруг Юпитера (в отличие от большинства комет, вращающихся вокруг Солнца) по орбите с крайне высоким эксцентриситетом (0,998 на 1993 год), с апоцентром около 0,33 а.е. (50 млн км). Компьютерное моделирование показало, что комета, возможно, находилась на орбите Юпитера около 20 лет, однако достоверность этого вывода находится под вопросом.
Столкновение с Юпитером
Южное полушарие Юпитера со множественными пятнами — следами столкновений
Поверхность Юпитера после столкновения
Цепь кратеров Энки на поверхности Ганимеда (на снимке) служит свидетельством того, что в большинстве случаев непосредственно перед столкновением с планетой или её спутником комета разрывается силой притяжения этой планеты на части
При очередном сближении с планетой в июле 1994 года все 22 фрагмента кометы врезались в атмосферу Юпитера со скоростью 64 км/с, вызвав мощные возмущения облачного покрова (наблюдалось 21 столкновение, так как некоторые фрагменты до падения распались). Падение фрагментов проходило в течение 7 дней — с 16 по 22 июля. Падение кометы было предсказано и наблюдалось как с Земли, так и из космоса. Точки падения фрагментов находились в южном полушарии Юпитера, на противоположном по отношению к Земле полушарии, поэтому сами моменты падения визуально наблюдались только аппаратом «Галилео», находившимся на расстоянии 1,6 а. е. от Юпитера. Однако возмущения в атмосфере Юпитера, возникшие после падения, наблюдались с Земли после поворота Юпитера вокруг своей оси.
Энергия взрыва — около 2 миллионов мегатонн.
Первый фрагмент A вошёл в атмосферу Юпитера в 20:16 16 июля. При этом возникла вспышка с температурой 24 000 К, облако газов поднялось на высоту до 3000 км, в результате оно стало наблюдаемым с Земли.
Наиболее крупный фрагмент G столкнулся с атмосферой 18 июля в 7:34. В результате через несколько часов в атмосфере возникло тёмное пятно диаметром 12 000 км (близко к диаметру Земли), оценённое энерговыделение составляло 6 млн мегатонн в тротиловом эквиваленте (в 750 раз больше всего ядерного потенциала, накопленного на Земле).
Орбитальные характеристики комет — объяснение для детей
Классификация основывается на продолжительности орбитального маршрута. У короткопериодных уходит 200 лет и меньше, а у длиннопериодических – больше 200 лет. Есть также одиночки – не привязаны к орбите вокруг Солнца и приходят случайно. Недавно исследователи также заметили кометы в основном поясе астероидов – они могут быть главным водными донором для планет земной группы.
Пример орбиты кометы Хартли 2
Периодичные кометы (короткопериодные) прибывают из пояса Койпера за Нептуном. Гравитация внешних планет вырывает их из привычной зоны, и они начинают путь к внутренней системе. А вот второй вид – из Облака Оорта. Их задевает гравитация проходящих звезд.
Некоторые кометы называют солнечными гейзерами, потому что они направляются к Солнцу и разбиваются или испаряются по пути.
Воздействия
Юпитер сфотографирован в ультрафиолете примерно через 2,5 часа после последнего удара, видимого на этом изображении, с фрагмента Shoemaker-Levy 9 по имени Робин . Черная точка в верхней части — это луна, которая проходит перед планетой.
Нетерпение растет по мере приближения ожидаемой даты столкновений, и астрономы подготовили свои земные телескопы для наблюдений за Юпитером. Несколько космических обсерваторий делают то же самое, в том числе космический телескоп Хаббл, немецкий спутник Росат для наблюдений в рентгеновских лучах и, особенно, космический зонд Галилео, на пути к месту встречи с Юпитером, запланированной на 1995 год., лицо, которое не видно с Земли, но которое может видеть зонд Galileo, расположенный на расстоянии 1,6 а.е. от планеты. Кроме того, быстрое вращение Юпитера (немногим менее 10 часов) позволяет наземным наблюдателям показать места падения уже через несколько минут после столкновения.
Два других спутника также проводят наблюдения во время столкновения: космический зонд Ulysses, первоначально разработанный для наблюдений за Солнцем, ориентирован на Юпитер из своего удаленного местоположения в 2,6 а.е., а далекий зонд Voyager 2, расположенный в 44 а.е. от Юпитера, собирается покинуть его. Солнечная система после встречи с Нептуном в 1989 г. планирует записывать радиопередачи в диапазоне от 1 до 390 кГц .
На изображениях, сделанных Хабблом после первого удара, струя вещества поднимается за пределы диска Юпитера.
Первый удар происходит на 16 июля 1994 г.в 20 часов 13 минут по всемирному координированному времени, когда осколок ударяется о южное полушарие Юпитера со скоростью около 60 км / с . Затем инструменты на борту зонда Galileo обнаруживают огненный шар, который достигает пика температуры около 24000 К (в то время как средняя температура в верхней части облаков Юпитера близка к 130 К ), затем расширяется, и через 40 с температура быстро падает примерно до 1500 K . Струя огненного шара быстро достигла высоты более 3000 км . Через несколько минут после обнаружения огненного шара Галилей снова обнаруживает увеличение тепла, вероятно, связанное с выбросом материала после выпадения осадков на планету. Земные наблюдатели могут обнаружить огненный шар, который поднимается над диском планеты вскоре после первого удара.
Астрономы ожидали увидеть огненные шары от столкновений, но не были уверены, будут ли атмосферные эффекты столкновений видны с Земли. Затем наблюдатели видят, как после первого удара появляется огромное черное пятно. Темная метка видна даже в небольшой телескоп, и она простирается почти на 6000 км (примерно в радиусе Земли ). Это пятно и следующие за ним темные пятна интерпретируются как эффект от удара осколками и заметно асимметричны, образуя полумесяцы в направлении удара.
В течение следующих шести дней было зарегистрировано 21 явное столкновение, наиболее значительное из которых произошло на 18 июляк 7 ч 33 г. UTC, когда осколок G ударил Юпитер. Это столкновение создает гигантское темное пятно шириной более 12000 км, а выделенная эквивалентная энергия оценивается в шесть в тротиловом эквиваленте (в 600 раз больше ядерного арсенала мира). Два воздействия19 июля, С интервалом 12 часов между следами ударов, аналогичными по размеру тем, которые были нанесены «фрагментом G», и удары продолжаются до 22 июлякогда осколок W попадает в планету.
Отличие от других тел
От астероидов их отличают и состав, и размеры.Астероиды состоят из твердых веществ – металлов, силикатов, а кометы в основном из газов и небольшого количества пыли. Размеры астероидов могут иметь значения в сотни километров, а у комет этот параметр не превышает нескольких десятков, также у астероидов не бывает хвостов.
От метеоритов кометы отличаются тем, что первые – это тела, уже упавшие на землю. Они могут иметь состав металлический или каменный, а размеры – от килограммов до десятков тонн. По сути, метеориты – обломки космических тел, например, астероидов. Метеориты тоже видимы, но только потому, что сгорают в плотных слоях земной атмосферы.
Юпитер – защитник Земли и человечества
Подставив себя под кометный удар, Юпитер, спас Землю от возможной катастрофы. Незваная космическая гостья вполне могла не просто усложнить нашу жизнь, но и вообще её прекратить. Планетный гигант – как и Сатурн – имея огромное гравитационное поле, способен изменять орбиты комет и астероидов, отклоняя их от возможного сближения с Землёй и другими планетами земной группы. Наверное, это случалось не один раз за многомиллиардную историю планетной системы. Гигантская планета берёт в плен мелкие объекты и втягивает их в себя. И комета Шумейкера-Леви – очередная жертва Юпитера, но самая очаровательная из наблюдаемых.
Солнце тоже притягивает к себе опасные для планет объекты. Последнее такое столкновение случилось 11 мая 2011 года. На огромной скорости комета столкнулась со звездой, вызвав взрыв и выброс солнечного ветра в космическое пространство.
Но существует и отличная точка зрения, представляющая Юпитер в ином цвете. Некоторые объекты – гуляющие астероиды и короткопериодические кометы – газовый гигант выталкивает из зоны гравитации и направляет в сторону Земли. Такую теорию разработали английские и американские учёные, применив новейшее компьютерное моделирование. Теперь не совсем понятно, защищает нас Юпитер или подставляет под удар.
Юпитер как «космический пылесос»
Влияние SL9 подчеркнуло роль Юпитера как «космического пылесоса» для внутренней части Солнечной системы (барьер Юпитера ). Сильное гравитационное влияние планеты приводит к тому, что множество маленьких комет и астероидов сталкиваются с планетой, а скорость столкновения комет с Юпитером, как считается, в 2000-8000 раз выше, чем на Земле.
Обычно считается, что вымирание динозавров в конце мелового периода было вызвано ударным событием меловой и палеогеновый, в результате которого образовался кратер Чиксулуб., демонстрируя, что столкновения представляют собой серьезную угрозу жизни на Земле. Астрономы предположили, что без Юпитера, который мог бы уничтожить потенциальные столкновения, на Земле могли бы происходить более частые вымирания, а сложная жизнь могла бы не развиться. Это часть аргумента, используемого в гипотезе редкой Земли.
В 2009 году было показано, что присутствие меньшей планеты в месте расположения Юпитера в Солнечной системе могло бы значительно увеличить скорость столкновения комет с Землей. Планета с массой Юпитера, кажется, по-прежнему обеспечивает повышенную защиту от астероидов, но общее влияние на все орбитальные тела в Солнечной системе неясно. Эта и другие недавние модели ставят под сомнение природу влияния Юпитера на столкновения с Землей.
Что такое кометы?
Кометы это большие космические объекты состоящие из замороженных газов, камней и пыли, которые вместе с остальными небесными телами Солнечной системы вращаются вокруг звезды. Они образовались после сложных процессов, во время которых зарождались планеты и Солнце. В своем изначальном состоянии кометы довольно крупны и могут быть размером с целые города. Но в процессе их жизненного цикла, когда они находятся на орбите Солнца, кометы постепенно нагреваются по мере приближения к источнику тепла, теряя тем самым свою массу.
Солнце мало того, что нагревает их, оно еще и притягивает частицы, из-за чего и появляются огромные хвосты, простирающиеся на многие миллионы километров, озаряя темноту космоса. То, что удерживает комету в движении и направляет ее путь, это гравитация со всех планет и звезд, вблизи которых она проходит. Когда комета приближается к Солнцу, она движется все быстрее и быстрее, потому что чем ближе объект к источнику гравитации, тем сильнее она на него действует. Хвост кометы не только будет быстрее двигаться, но еще становиться длиннее, так как большее количество веществ будет испаряться.
Состав и строение поверхности
Юпитер состоит главным образом из газообразного и жидкого вещества. Строение Юпитера типично для газовых гигантов.
Внешний слой – это атмосфера. Внутренняя часть состоит из водорода, ядра и других химических веществ. Ядро, по-видимому, это смесь из твердого металлического водорода с гелием. О наличии этой части планеты стало известно только в конце 1990-х годов. До этого астрономы иначе представляли себе внутреннее строение планеты: они допускали, что в недрах происходят процессы радиоактивного распада. Предполагается, что ядро может быть тяжелее Земли в 12 – 45 раз и составлять от 4 до 14% всей планетарной массы.
Строение Юпитера
Ближе к ядру возрастает давление и температура. В самом ядре она может достигать 35700 °С. Давление в самом центре планеты достигает невероятных 4500 ГПа.
Исследования Юпитера
Благодаря отличной видимости люди знали о существовании Юпитера с давних времен. Первые упоминания о планете датируются 7 – 8 в. до н. э. в Древнем Вавилоне. В 1610 г. Галилео Галилею с помощью телескопа удалось рассмотреть поверхность Юпитера и открыть 4 спутника, вращающихся вокруг планеты. Это дало возможность окончательно опровергнуть геоцентрическую модель.
Астроному Кассини в 1660-х гг. удалось установить, что Юпитер является приплюснутым сфероидом, а также изучить вращение воздушной оболочки. В 1831 г. астроном Г. Швабе подробно рассмотрел детали Большого красного пятна.
В середине ХХ века астрономы начали исследовать крупнейший газовый гигант с помощью радиотелескопов. Они позволили вычислить скорость вращения планеты. Всего планетную систему посещали 9 космических аппаратов.
Оптимальный период для исследования планеты Юпитер астрономами-любителями наступает ежегодно в момент противостояний. Лучшие условия для наблюдений – зимой.
Потерянные кометы
Следующие кометы, помеченные буквой D перед их именем, впоследствии были потеряны после своего открытия и часто остаются утерянными по сей день:
Обозначение кометы | имя | Эксцентриситет | Большая полуось (AU ) | Наклон (°) | Расстояние перигелия (AU) | Дата перигелия | Последнее наблюдение |
---|---|---|---|---|---|---|---|
D / 1766 G1 | Helfenzrieder | 0.848 | 2.665 | 7.865 | 0.406 | 1766/04/27 | 1766/05/03 |
D / 1770 L1 | Комета Лекселла | 0.786 | 3.153 | 1.552 | 0.674 | 1770/08/14 | 1770/10/03 |
D / 1884 O1 | Барнард | 0.583 | 3.07 | 5.47 | 1.279 | 1884/08/16 | 1884/11/08 |
D / 1886 K1 | Brooks | 0.571 | 3.092 | 12.671 | 1.325 | 1886/06/07 | 1886/07/03 |
D / 1894 F1 | Деннинг | 0.698 | 3.797 | 5.527 | 1.147 | 1894/02/09 | 1894/06/05 |
D / 1895 Q1 | Swift | 0.652 | 3.729 | 2.992 | 1.298 | 1895/08/21 | 1896/02/06 |
D / 1918 W1 | Шорр | 0.469 | 3.545 | 5.575 | 1.884 | 1918/09/30 | 1918/12/31 |
D / 1952 B1 | Харрингтон –Уилсон | 0.514 | 3.428 | 16.35 | 1.6649 | 1951/10/30 | 1952/02/25 |
D / 1977 C1 | Skiff –Kosai | 0.259 | 3.847 | 3.201 | 2.85 | 1976/08/03 | 1977/03/12 |
D / 1978 R1 | Ханеда-Кампос | 0.6652 | 3.2898 | 5.9472 | 1.101414 | 1978/10/09 | 1978/11/29 |
Кометы – ключ к решению проблемы солнечных нейтрино
Одна из загадок современной астрономии связана с проблемой
потока нейтрино от Солнца. Значения потоков
солнечных нейтрино, зарегистрированных в различных экспериментах,
оказываются в 2-4 раза ниже того значения, которое вычисляется в
рамках стандартной модели Солнца. Хорошо
известно, что нейтрино образуются в результате протекания
термоядерных реакций в центре СолнцеСолнца, где газ высокой плотности
находится при высокой температуре. Но откуда ученые знают
физические свойства и химический состав солнечных недр? Стандартная
модель Солнца предполагает, что химический состав солнечных недр
такой же, как и состав солнечных поверхностных слоев. А последние
хорошо изучены астрономами в результате наблюдений солнечного
излучения и особенно его спектра.
Недавно английский астроном М
Бейли (Обсерватория Арма,
Северная Ирландия) обратил внимание на то, что поверхность Солнца
могла подвергаться усиленной бомбардировке астероидами и кометами,
особенно на раннем этапе эволюции Солнца. Это, в свою очередь,
могло привести к обогащению поверхностных слоев Солнца тяжелыми
элементами по сравнению с его недрами
Известно, что даже малые
примеси тяжелых элементов существенно влияют на протекание
термоядерных реакций и на темп эволюционного развития Солнца. Если
бы оказалось, что в центре Солнца тяжелых элементов значительно
меньше, чем на его поверхности, то это сильно повлияло бы на темп
протекания ядерных реакций, замедлив их, и количество генерируемых
нейтрино действительно оказалось бы меньше, чем это требуется в
соответствии со стандартной моделью Солнца. Таким образом, факт
падения комет и астероидов на поверхность Солнца, подобно падению
кометы Шумейкеров-Леви 9 на Юпитер, дает возможное решение проблемы
солнечных нейтрино.
Рис. 6. Распределение в |
Движение комет по орбите
К. движутся по орбитам с большим эксцентриситетом и наклонением к плоскости эклиптики. Движение происходит и в прямом (как у планет), и в обратном направлении. К. испытывают сильные приливные возмущения при прохождении вблизи планет, что приводит к существенному изменению их орбит (и, соответственно, сложностям прогноза движений К. и точного определения эфемерид). Вследствие этих изменений орбит многие К. выпадают на Солнце.
Результаты вычислений элементов орбит К. публикуются в спец. каталогах; напр., каталог, составленный в 1997, содержит орбиты 936 К., св. 80% которых наблюдалось только один раз. В зависимости от положения на орбите блеск К. изменяется на неск. порядков, достигая максимума вскоре после прохождения перигелия и минимума в афелии. Абсолютная звёздная величина К. в первом приближении обратно пропорциональна R4, где R – расстояние от Солнца. Как правило, короткопериодич. К. обращаются вокруг Солнца не более нескольких сотен раз. Поэтому время их жизни ограничено и обычно не превышает 100 тыс. лет.
Активная фаза существования К. заканчивается, когда исчерпывается запас летучих веществ в ядре или поверхность ядра К. покрывается оплавленной пылеледяной коркой, возникающей вследствие многократных сближений К. с Солнцем. После окончания активной фазы ядро К. по своим физич. свойствам становится подобным астероиду, поэтому резкой границы между астероидами и К. нет. Более того, возможен и обратный эффект: астероид может начать проявлять признаки кометной активности при растрескивании его поверхностной корки по тем или иным причинам.
Рис. 2. Выпадение на Юпитер фрагментов кометы Шумейкеров – Леви 9 (1994).
Нерегулярность орбит К. приводит к плохо прогнозируемой вероятности их столкновений с планетами, что дополнительно усложняет проблему астероидно-кометной опасности. Столкновением Земли с осколком ядра К., возможно, было вызвано тунгусское событие 1908 (см. Тунгусский метеорит). В 1994 наблюдалось выпадение на Юпитер (рис. 2) более 20 фрагментов К. Шумейкеров – Леви 9 (разорванной в ближайшей окрестности планеты приливными силами), что привело к катастрофич. явлениям в атмосфере Юпитера.