Математика космоса. Как современная наука расшифровывает Вселенную - Йен Стюарт

В этой области было обнаружено множество отдельных тел, мы уже встречались с ними и называли занептунными объектами. Фактором, окончательно решившим вопрос о существовании пояса Койпера, стали опять же кометы. В 1980 году Хулио Фернандес провел статистическое исследование короткопериодических комет. Их слишком много, чтобы все они могли приходить из облака Оорта. Из каждых 600 комет, вылетающих из облака Оорта, 599 остались бы долгопериодическими кометами, и только одна, захваченная какой-нибудь планетой-гигантом, перешла бы на короткопериодическую орбиту. Возможно, предположил Фернандес, где-то между 35 и 50 а.е. от Солнца существует иной резервуар ледяных тел. Серия моделей, реализованная Мартином Дунканом, Томом Куинном и Скоттом Тремейном в 1988 году, решительно подтвердила его идеи; эти ученые также отметили, что короткопериодические кометы держатся возле эклиптики, в то время как долгопериодические приходят практически с любого направления. В общем, это предположение было принято вместе с именем «пояс Койпера». Некоторые астрономы предпочитают называть его «пояс Эджуорта — Койпера», а некоторые не считают возможным приписать честь открытия ни одному ни другому.

Происхождение пояса Койпера не слишком понятно. Моделирование раннего периода существования Солнечной системы указывает на уже упоминавшийся сценарий, по которому четыре планеты-гиганта первоначально сформировались в другом порядке (считая от Солнца) и не там, где они находятся в настоящее время, а затем мигрировали, раскидывая планетезимали на все четыре стороны. Большую часть первичного пояса Койпера унесло прочь, но примерно одно тело из сотни осталось на месте. Подобно внутренней области облака Оорта, пояс Койпера представляет собой размытый тор.

Вещество распределено в поясе Койпера неравномерно; как и в поясе астероидов, на его распределение серьезно влияют резонансы, на этот раз с Нептуном. Где-то около 50 а.е. проходит так называемый барьер Койпера, где число тел внезапно и резко падает. Это явление пока не получило объяснения, хотя Патрик Лякава предполагает, что оно может быть результатом действия не обнаруженного пока крупного тела — настоящей планеты X.

Рассеянный диск — еще более загадочный и плохо изученный объект. Он слегка заходит в область пояса Койпера, но простирается дальше, примерно до 100 а.е., и сильно наклонен по отношению к эклиптике. Тела рассеянного диска имеют сильно вытянутые орбиты и часто отклоняются во внутреннюю часть Солнечной системы. Там они обитают какое-то время в роли кентавров, пока их орбита вновь не переменится и они не превратятся в короткопериодические кометы. Кентавры — это тела, орбиты которых пересекают эклиптику в промежутке между орбитами Юпитера и Нептуна; они остаются на таких орбитах всего по несколько миллионов лет. Всего существует, вероятно, около 45 000 таких тел больше километра в поперечнике. Большинство короткопериодических комет, вероятно, происходит из рассеянного диска, а не из пояса Койпера.

* * *

В 1993 году Кэролин и Юджин Шумейкер и Дэвид Леви открыли новую комету, которая получила название кометы Шумейкеров — Леви 9. Эта необычная комета была к тому времени захвачена Юпитером и находилась на орбите вокруг этой гигантской планеты. Комета Шумейкеров — Леви 9 была необычна в двух отношениях. Во-первых, это была единственная известная нам комета, обращавшаяся вокруг планеты, а во-вторых, она, как выяснилось, уже распалась на части.

Причина этого выявилась при моделировании орбиты объекта назад во времени. Расчет показал, что в 1992 году комета должна была на какое-то время зайти внутрь юпитерианского предела Роша. Именно тогда приливные гравитационные силы разломали ядро кометы, породив цепочку из примерно 20 фрагментов. Комета была захвачена Юпитером примерно в 1960–1970 годах, и это тесное сближение с планетой сделало ее орбиту вытянутой и узкой.

Моделирование орбиты вперед по времени позволило предсказать, что при следующем прохождении перицентра, в июле 1994 года, она столкнется с Юпитером. Никогда прежде астрономам не удавалось впрямую наблюдать небесное столкновение, поэтому известие об этом вызвало нешуточный ажиотаж. Столкновение должно было взбаламутить атмосферу Юпитера и дать ученым возможность побольше узнать о более глубоких ее слоях, обычно скрытых облачным покровом. Столкновение, случившееся в назначенный срок, оказалось даже более драматичным, чем ожидали ученые, и оставило на лице планеты цепочку гигантских шрамов, которые, медленно заплывая, оставались видны на протяжении нескольких месяцев. Всего был зарегистрирован двадцать один удар; при самом мощном из них выделилось в 600 раз больше энергии, чем выделилось бы при одновременном взрыве всех ядерных вооружений на Земле.

Падение кометы рассказало ученым о Юпитере много нового. Одно из открытий состояло в том, что Юпитер играет в Солнечной системе роль небесного пылесоса. Возможно, комета Шумейкеров — Леви 9 — единственная комета, которую земные астрономы наблюдали на орбите вокруг Юпитера, но, судя по нынешним орбитам комет, по крайней мере пять из них в прошлом тоже должны были на нее попасть. Все подобные захваты носят временный характер: либо такую комету вновь перехватывает Солнце, либо она рано или поздно с чем-то сталкивается. Тринадцать цепочек кратеров на Каллисто и три на Ганимеде свидетельствуют, что захваченная Юпитером комета не всегда сталкивается с ним самим. Все вместе указывает на то, что Юпитер выметает из Солнечной системы кометы и другой космический мусор, захватывая блуждающие тела, а затем и сталкиваясь с ними. По нашим меркам, такие события редки, но в космическом масштабе они происходят часто: комета 1‒2 километров в поперечнике падает на Юпитер примерно раз в 6000 лет, а более мелкие кометы — еще чаще.

Данное свойство Юпитера помогает защитить внутренние планеты от кометной и астероидной опасности. Это заставило Питера Уорда и Дональда Браунли предположить в книге «Уникальная Земля», что наличие крупной планеты, такой как Юпитер, делает внутренние миры системы более пригодными для жизни. К несчастью для этой соблазнительной гипотезы, Юпитер также сбивает с пути истинного астероиды главного пояса, после чего они могут столкнуться с какой-то из внутренних планет. Если бы Юпитер был чуть меньше, его присутствие оказалось бы вредоносным для жизни на Земле. Тот Юпитер, который существует в действительности, судя по всему, не обеспечивает для земной жизни никаких особых преимуществ. Впрочем, «Уникальная Земля» противоречива в своей оценке столкновений: Юпитер превозносится в книге как наш спаситель от комет и в то же время положительно оценивается его способность срывать с орбит астероиды как способ лишний раз перетряхнуть экосистемы и тем самым подстегнуть эволюцию.

Комета Шумейкеров — Леви 9 сумела донести до многих американских конгрессменов чудовищную разрушительную силу кометного удара. Самый большой след этого столкновения на Юпитере по размеру сравним с Землей. Мы никак не смогли бы защитить себя от столкновения такого масштаба при помощи нынешних технологий или всего того, что у нас может появиться в обозримом будущем, но эта история обратила взгляды политиков на возможность менее масштабных столкновений, будь то с кометой или с астероидом, где нам, возможно, удалось бы предотвратить катастрофу, если бы мы позаботились о том, чтобы вовремя заметить опасность и принять меры. Конгресс тут же поручил NASA каталогизировать все сближающиеся с Землей астероиды более километра в поперечнике. На данный момент их обнаружено 872 штуки, из которых 153 потенциально могут представлять для нас опасность. Согласно текущим оценкам, существует, но пока не обнаружено еще штук 70 подобных объектов.