«Наука и жизнь» 1986, №7, стр. 10-12.


сканировал Игорь Степикин

КОМЕТА РЯДОМ

ВСТРЕЧА КОСМИЧЕСКИХ АППАРАТОВ "ВЕГА-1" И "ВЕГА-2" С КОМЕТОЙ ГАЛЛЕЯ
Академик Р. САГДЕЕВ, профессор Ж. БЛАМОН (Франция), доктор физико-математических наук А. ГАЛЕЕВ, доктор физико-математических наук В. МОРОЗ, профессор К. СЕГЕ (ВНР), доктор физико-математических наук В. ШАПИРО, доктор физико-математических наук В. ШЕВЧЕНКО.





Один из снимков (после компьютерной обработки) ядра кометы Галлея, переданных со станции "Вега-2". Участки разной яркости отображают различные отражательные свойства поверхности или (и) неровности рельефа, в частности кратероподобные образования. Расстояние до ядра примерно 8100 километров, разрешение около 120 метров. Снимок предоставлен Институтом космических исследований АН СССР.
  • Представляем реферат статьи, публикуемой в августовском номере журнала "Письма в астрономический журнал" и одновременно в научном журнале "Nature" ("Природа"), издающемся в Великобритании. Это одна из пятнадцати статей, направленных в названные журналы разными группами ученых, участвовавших в исследовании кометы Галлея в рамках международного проекта "Вега" ("Наука и жизнь" № 4, 1985 г., № 6, 1986 г.). Статьи рассказывают о предварительных результатах исследований кометы, их широкий тематический диапазон виден даже по самим названиям статей (приводятся с сокращениями): "Изучение пыли в комете Галлея со станций "Вега", "Пылевая кома кометы Галлея", "Первые прямые измерения плазмы и нейтрального газа у кометы Галлея", "Наблюдения магнитного поля в коме", "Наблюдения волн и плазмы вблизи кометы", "Крайне низкочастотные (КНЧ) плазменные волны в окрестностях кометы Галлея", "Модель газовой комы", "Первые результаты измерения элементного состава пылевых частиц", "Некоторые результаты спектроскопии кометы Галлея", "Инфракрасное зондирование кометы", "Предварительные результаты, полученные при помощи измерителя нейтрального газа", "Структура пылевой оболочки кометы", "Первые прямые измерения энергичных частиц вблизи кометы Галлея", "Телевизионный эксперимент по наблюдению кометы Галлея с аппаратов "Вега".
  • Статья, реферат которой публикуется ниже, рассказывает о некоторых наиболее интересных результатах исследования кометы и о некоторых важных выводах, сделанных с учетом этих результатов.
  • Каждый из двух аппаратов "Вега", стартовавших с небольшим перерывом (6 дней) с космодрома Байконур в декабре 1984 года, состоял из двух основных частей — венерианского модуля массой 2 т и пролетного аппарата массой 2,5 т, который, выполнив свою часть программы в исследованиях Венеры, был направлен на траекторию встречи с кометой Галлея. Это, собственно говоря, и была межпланетная станция "Вега", предназначенная для исследования кометы с помощью 14 основных научных приборов (на каждой станции). В их числе телевизионные камеры, спектрометры инфракрасного излучения, позволяющие оценивать температуру наблюдаемого объекта, детекторы пылевых частиц, приборы для определения их массы и химического состава, измерители параметров магнитного поля, приборы для регистрации низкочастотных и высокочастотных электромагнитных волн, возникающих в плазме, и другие. Оборудование станции, естественно, включало ряд совершенных систем, обеспечивающих работу всей этой сложной многопрофильной научной лаборатории, в том числе системы энергоснабжения, терморегулирования, астроориентации, двигательную установку для коррекции траектории, пылевую защиту, поворотную платформу для точного наведения ряда приборов на комету, многоуровневые бортовые компьютерные системы управления, в том числе управления научной программой, системы связи с Землей с пропускной способностью 65536 бит/с (таким количеством бит можно записать семь страниц машинописного текста), обеспечивающие передачу больших потоков научной информации в режиме реального времени, то есть сразу же в процессе ее получения. Прием этой информации осуществлялся с помощью больших наземных антенн в Евпатории (диаметр антенны — 70 м, см. "Наука и жизнь" № 3, 1982 г.) и в Медвежьих Озерах (64 м). Центр управления полетом и связи со станциями "Вега" располагался в Евпатории, а большинство экспериментаторов находилось в Москве, в Институте космических исследований АН СССР, куда по каналам прямой связи сразу же поступала вся научная информация, принятая с борта станций.
  • С учетом возможностей точного предсказания кометной орбиты, и особенно с учетом пылевой опасности, было запланировано провести станции "Вега" на расстоянии 10 тыс. км от ядра кометы. В действительности станция "Вега-1" прошла на расстоянии 8890 км от ядра и станция "Вега-2" на расстоянии 8030 км. Этого было достаточно, чтобы получить четкое изображение самого ядра кометы и ответить на ряд вопросов касательно его структуры. Всего с космических аппаратов "Вега" было передано примерно 1500 изображений кометы, в том числе 70 с расстояния от 8 до 50 тыс. км.
  • Среди вопросов, на которые удалось наконец найти непротиворечивый ответ,— состав и структура самого ядра. В числе ряда характеристик таких объектов, как астероиды или кометы, для астрономов весьма важно их альбедо (от латинского "albedo"— "белизна") — коэффициент, указывающий, насколько хорошо тот или иной объект отражает падающий на него поток частиц и излучений, в частности свет. Ранее, измеряя на больших расстояниях интенсивность света, отражаемого "голым" ядром кометы Галлея и полагая его альбедо достаточно большим, астрономы подсчитывали, какой должен быть размер самой отражающей поверхности. При этом они получали довольно малые размеры ядра — порядка 3-5 километров. Измерения, проведенные с аппаратов "Вега", показали, что альбедо ядра весьма мало, оно составляет примерно 4 процента, и вследствие этого размеры ядра должны быть больше, чем предполагалось,— только сравнительно большое ядро, плохо отражая солнечный свет, может обеспечить ту яркость, которая наблюдается.
  • Сейчас мы знаем, что ядро кометы Галлея представляет собой вытянутое тело неправильной формы с размерами примерно 14X7,5X7,5 км. Ядро вращается, совершая один оборот примерно за двое земных суток, точнее, за 53±2 часа. Не подтвердились гипотезы, предполагавшие, что ядро состоит из двух больших частей или даже из большого числа кусков твердых тел, связанных гравитационным притяжением.
  • Другая важная оптическая характеристика — фазовая кривая. Она, в частности, говорит о том, как меняются отражательные свойства тела при разных углах падения света, и в итоге дает представление о свойствах поверхности, ее, так сказать, шероховатости, волнистости. Измерения, проведенные с аппаратов "Вега", позволяют считать, что по этим характеристикам поверхность кометного ядра весьма близка к лунной.
  • Немало противоречий до непосредственных контактов с кометой было в оценке температуры ядра, его состава и структуры. Как и всякое нагретое тело, оно испускает инфракрасные лучи, и, анализируя их спектр, можно судить о температуре: чем выше температура поверхности ядра, тем дальше максимум инфракрасного излучения сдвинут по частоте в сторону видимого света. Измерения, проведенные бортовыми спектрометрами инфракрасного излучения, показали, что температура поверхности ядра составляет 300-400 К, то есть примерно плюс 30-130 градусов Цельсия. В то же время модели, полагавшие, что ядро кометы — это в основном льдина с твердыми вкраплениями, предсказывали температуру поверхности 180-190 К, то есть минус 80-90 градусов Цельсия. Причем отказаться от "ледяной модели" невозможно, так как твердо установлено, что в результате нагрева солнечными лучами из кометы испаряется вода.
  • Противоречия исчезают, если предположить, что комета — это действительно льдина, но покрытая тонким слоем тугоплавкого вещества, имеющего пористую структуру. Толщина пористого слоя примерно 1 см, внутри него кометный лед при достаточно низкой температуре, а снаружи именно та плюсовая температура (по шкале Цельсия), которую и измерили инфракрасные спектрометры. Все это напоминает почерневший, покрытый грязной коркой мартовский сугроб, который может довольно долго держаться под солнечными лучами, так как корка защищает от нагрева его холодную снежную сердцевину. Получая все же через корку какую-то порцию солнечного тепла, ледяное ядро кометы понемногу испаряется, и пар сквозь поры внешней оболочки выходит наружу. Когда же в каком-то месте происходит закупорка пор, то пары после некоторой задержки разрушают участок корки и вырываются наружу в виде реактивной струи, так называемого джета.
  • Прямыми измерениями удалось установить, что каждую секунду с поверхности кометы испаряется около 1,3·1030 молекул водяного пара, по массе примерно 40 т. Спектрометры обнаружили во внутренней части комы (500 км от ядра) также заметную концентрацию паров двуокиси углерода СО2. Видимо, и она, и вода являются основными компонентами первичного вещества кометы ("родительские молекулы"). Но этих двух составляющих явно мало, чтобы объяснить зарегистрированный спектрометрами довольно широкий ассортимент так называемых вторичных молекул, то есть тех, которые рождаются в результате химических превращений в самой коме. Проводится тщательный анализ спектров, полученных с обоих космических аппаратов, и это позволит представить себе химические процессы не только во внешних областях комы, как при наземных наблюдениях, а в наиболее активных участках "химического реактора", в ближайших окрестностях ядра.
  • Много интересных результатов дали исследования пыли на разных расстояниях от ядра. Регистрируя пылинки с массой от 10-16 г до 10-6 г, аппаратура станции "Вега-1" позволила установить суммарный пылевой поток из ядра — каждую секунду из него выбрасывается 5-10 т пыли. Первые пылевые частицы были обнаружены еще на расстоянии 320 тыс. км от ядра, резкое увеличение концентрации сравнительно легких частиц с массой 10-16-10-15 г, отмечено на расстоянии 150 тыс. км. Для более крупной пыли граница пылевой комы расположена еще ближе к ядру. Соотношение частиц с разной массой, выявленное приборами станций "Вега", потребовало изменить некоторые представления о пылевой коме, сложившиеся в результате наблюдений кометы Галлея с Земли.
  • Пылевые счетчики показали, что распределение концентрации пылинок внутри комы имеет сложную структуру, прежде всего за счет сильных выбросов из ядра, узких пылевых джетов, которые могут вытягиваться на десятки тысяч километров. Ряд последовательно полученных телевизионных изображений позволил найти всю трассу одного из джетов и таким образом определить направление и скорость вращения ядра. Непосредственно исследуя химический состав пылинок, "пойманных" одним из бортовых приборов (в этом приборе пылинки с большой скорости налетают на мишень, испаряются, и спектр паров регистрируется спектрометром; на обоих станциях было получено свыше 1000 таких спектров), удалось выявить три группы пылинок с различным элементным составом. Это пылинки, по составу напоминающие одну из разновидностей метеоритов (углистые хондриты), они в основном содержат элементы С, О, Na, Mg, Са, Fe. Во вторую группу входят пылинки, которые содержат еще и изотопы углерода 12С и 13С и, наконец, третья группа — это микроскопические льдинки с различным соотношением воды и двуокиси углерода.
  • Большая группа бортовых приборов должна была выявить и исследовать процессы в плазме, окружающей комету, и ее взаимодействие с солнечным ветром — потоками частиц, идущих от Солнца. Движение любых заряженных частиц, электронов или ионов, сопровождается рождением электромагнитных волн. Исследуя это излучение в околокометной плазме (плазменные волны), в частности его частоту (длину волны) и интенсивность, можно получить важные сведения о самих движущихся частицах, а значит, и о тех физических процессах, в которых они участвуют. При подлете станции "Вега" к комете Галлея была, в частности, исследована сложная динамическая картина взаимодействия быстролетящей кометы с налетающим на нее солнечным ветром, в результате чего рождается ударная волна — подобие ударной волны, идущей впереди сверхзвукового самолета или ракеты. Фронт ударной волны был обнаружен на расстоянии 1 млн. км от ядра, и это хорошо согласуется с теоретическими оценками.
  • Удалось получить ряд важных экспериментальных данных о сложных процессах в кометной ударной волне, что имеет большое значение для физики бесстолкновительных ударных волн в плазме, первая теория которых была создана одним из авторов статьи (Р. Сагдеев) почти 30 лет назад. В целом же исследование, или, образно говоря, непосредственное прощупывание околокометной плазмы может внести заметный вклад в решение ряда фундаментальных научных проблем. В их числе проблемы астрофизики, изучающей, в частности, поведение плазмы в околозвездном пространстве. В их числе и проблемы, имеющие явное практическое значение, прежде всего поведение плазмы в термоядерных реакторах.
  • Пролет космических аппаратов "Вега" в районе кометного ядра, сквозь области с повышенной пылевой опасностью, как это и ожидалось, привел к некоторым повреждениям — повреждены 5 датчиков бортовых научных приборов, вышло из строя примерно 50 процентов рабочей поверхности солнечных батарей. Однако созданные с большим запасом прочности, космические аппараты "Вега" в целом работоспособны, надежно работают системы связи с ними, телеметрия и телеуправление, на борту каждой станции осталось топливо для двигателя, корректирующего орбиту. С учетом всего этого сейчас ведется поиск астрономических объектов, куда можно будет попытаться направить станции для выполнения "сверхплановой" исследовательской работы.