Místo toho, aby byly téměř kruhové, jako planety, jsou dráhy komet extrémně protáhlé. proč tomu tak je?
Vyšlo v
4 min čtení
22. prosince 2017
Když se podíváte na pohyb planet v naší sluneční soustavě, uvidíte téměř kruhové dráhy, nebo spíše eliptické s velmi malou excentricitou. To bylo objeveno před 400 lety Johannes Kepler, který na základě rozboru astronomických pozorování Tycha Brahe odvodil své tři empirické zákony popisující pohyb planet kolem Slunce. Později Isaac Newton, pomocí jím objeveného zákona univerzální gravitace zdůvodnil, proč mají oběžné dráhy planet takový tvar.
Ale komety navštěvující sluneční soustavu se pohybují po velmi protáhlých drahách, podobně jako parabola. proč tomu tak je? Zkusme na to přijít.
Nejprve se ale podíváme na strukturu sluneční soustavy a odpovíme si na otázku: proč se všechny objekty v ní pohybují právě tímto způsobem – obíhají kolem Slunce po téměř kruhových drahách?
V naší sluneční soustavě jsou čtyři vnitřní, kamenné planety – Rtuť, Venuše, Země и Mars, za kterým je pás asteroidů, pak jsou plynné planety – Jupiter, Saturn, Uran и Neptun s mnoha svými satelity a prstenci, pak přichází Kuiperův pás. Po Kuiperově pásu následuje velký rozptýlený disk, který se stává sférickým Oortův oblak, rozprostírající se na obrovskou vzdálenost: možná jeden nebo dva světelné roky, téměř v polovině cesty k další hvězdě.
Aby byl každý objekt na stabilní dráze v určité vzdálenosti od Slunce, musí se podle zákonů gravitace pohybovat určitou rychlostí. Z fyzikálního hlediska to znamená, že musí existovat rovnováha mezi potenciální energií systému (ve formě gravitační potenciální energie) a energií pohybu tělesa (kinetická energie). Čím blíže je planeta ke Slunci, tím větší je gravitační síla, a proto je nutné se pohybovat rychleji, aby měla stabilní dráhu.
Proto, když se podíváte na průměrné rychlosti planet na jejich oběžné dráze, vypadají takto:
Vzhledem k velké hmotnosti Slunce ve srovnání s hmotnostmi planet, které kolem něj obíhají, jsou jejich dráhy blízké kruhovým, protože samotné planety jsou od sebe relativně daleko a mají mezi sebou malou gravitační interakci.
Ve sluneční soustavě se ale vyskytují i další gravitační interakce. Pokud asteroid nebo objekt Kuiperova pásu prochází blízko velké hmoty, jako je Jupiter nebo Neptun, gravitační interakce s ním uděluje hybnost. Mohou změnit svou rychlost o značné množství, až několik kilometrů za sekundu, téměř v jakémkoli směru. Přečtěte si o tom více v článku „Jak Voyageři opustili sluneční soustavu pomocí gravitace“.
U asteroidu nebo komety to může způsobit, že se jeho dráha změní ze zhruba kruhové na protáhlou eliptickou. Dobrým příkladem toho je orbita kometa Encke, který může mít svůj původ v pásu asteroidů.
Na druhou stranu, pokud je objekt (asteroid nebo kometa) velmi daleko od Slunce, například v Kuiperově pásu nebo Oortově oblaku, může se pohybovat rychlostí od 4 km/s (pro vnitřní Kuiperův pás) až po několik set metrů za sekundu (pro Oortovy mraky). Gravitační interakce s velkou planetou, jako je Neptun, může změnit její dráhu jedním ze dvou směrů. Pokud Neptun vezme kinetickou energii, nasměruje tělo do vnitřní sluneční soustavy a vytvoří dlouhoperiodickou elipsu podobnou oběžné dráze komety. Swift-Tuttlekterý způsobí meteorický roj Perseidy. Bude to elipsa, která je sotva gravitačně vázána na Slunce, ale přesto je to elipsa.
Ale pokud Neptun nebo jakékoli jiné masivní nebeské těleso (stále nevíme, co je tam venku ve vnější sluneční soustavě) poskytuje dodatečnou kinetickou energii, pak by mohlo změnit dráhu komety z vázané eliptické na volnou hyperbolickou (parabolickou). cesta, je volná orbita, která je mezi eliptickou a hyperbolickou). Například kometa ISON, který se rozpadl v roce 2013, když se přiblížil ke Slunci, byl na hyperbolické oběžné dráze.
Typicky mají všechny komety pocházející z vnější sluneční soustavy rychlosti, které se mezi vázanými a nevázanými drahami liší až o několik km/s.
Ke vstupu do vnitřní sluneční soustavy proto nepotřebují mnoho energie. Při velmi nízkých rychlostech by jednoduše dopadly do Slunce pod vlivem jeho gravitace. V zásadě to dříve nebo později udělají všichni, jako kometa ISON.
U velmi vzdálených hmot v naší sluneční soustavě může i sebemenší změna jejich rychlosti způsobit změnu dráhy z téměř kruhové na parabolickou protáhlou směrem ke Slunci. Přestože k těmto gravitačním postrčením od blízkých objektů dochází ve víceméně náhodných směrech, vidíme pouze komety, které se přibližují ke Slunci, vysílají ohony a stávají se dostatečně jasnými, aby je bylo možné vidět. Odtud pocházejí komety.
Vzhled nebeského tělesa s jasně zářící hlavou a dlouhým ocasem na obloze je úžasný a nezapomenutelný pohled. Ale pokud moderní člověk ví, že tento objekt je jedním z nebeských těles zvaných kometa, a když ho vidí, zažívá pouze pocit slasti, pak pocity starověkého člověka, když viděl objekty s ocasem, byly úplně jiné.
Vzhledem k tomu, že komety byly považovány za předzvěsti různých druhů neštěstí a neštěstí, lidé, když je viděli, zažívali přírodní hrůzu.
Kromě toho, že jsou komety obdařeny jedinečnou krásou, jsou také nejrozsáhlejšími tělesy sluneční soustavy. Například kometa, která se objevila na obloze v roce 1811, má pouze hlavu šestkrát až osmkrát větší objem než Slunce. A kometa z roku 1882 měla ohon, který dosáhl Jupiteru.
Kometa se obvykle skládá ze tří částí: jádra, ve kterém je soustředěna většina hmoty komety, hlavy neboli „kómatu“ a ocasu. Ocas, sestávající z plazmy, plynu a kouře, je tak řídký, že za pozemských podmínek je takové médium považováno za vakuum. A ohon, stejně jako hlava komety, je vidět, jen když se přiblíží ke Slunci.
Kometa je tedy v určitém přiblížení prakticky prázdný prostor nebo viditelná nicota. Ale v srdci tohoto „shluku vakua“ je malé, obvykle několik kilometrů v průměru, pevné jádro sestávající ze směsi různých ledů, z nichž více než 80 % tvoří voda. Zbytek jádra je reprezentován pevným oxidem uhličitým neboli „suchým ledem“, stejně jako metanem a čpavkovým ledem a dalšími zmrzlými plyny.
Vědci, zejména astrobiologové, se domnívají, že podstata jádra vyžaduje podrobnou studii, protože tato obří „chladnička“ může uchovávat staré organické sloučeniny, tedy ty, z nichž vznikl život na Zemi.
Kometní led také obsahuje prach a drobné kamenité látky. A když se kometa přiblíží přibližně na 4,5 AU. To znamená, že směrem ke Slunci teplota jeho vnější vrstvy stoupá na -140 °C. To způsobí, že se led začne odpařovat a na povrchu jádra zůstane krusta mikroskopických prachových částic. Navíc jsou tak malé, že jsou špatně vidět i s lupou. Pravda, existují i větší částice: například zrnka písku a oblázky.
Během procesu vypařování látky opouštějí kometu v určité sekvenci. Nejprve se odpaří metan, čpavek, vodík a kyanogen, ze kterých se vytvoří průhledná atmosféra komety – její hlava. Poté oxid uhličitý sublimuje. A tento proces završuje voda, která ke svému odpařování vyžaduje vyšší teploty.
Dále jsou odpařené plyny podrobeny novým „testům“. Nyní na ně působí kvanta slunečního světla: sráží se s molekulami, vyrážejí elektrony z atomů a ionizují je.
Ze Slunce se ale neřítí jen proudy fotonů, ale také sluneční vítr, což je proud nabitých částic, které s sebou nesou úlomky slunečního magnetického pole.
Tento vítr, který se srazí s hlavou komety, pomocí magnetických polí, jako jsou sítě, zachytí ionty kometárního plynu a odnese je od Slunce rychlostí 500-1000 kilometrů za sekundu. Výsledkem je, že plazmový ocas vypadá dlouhý a rovný, jako paprsek světlometu.
A protože sluneční vítr nepůsobí na částice neutrálního plynu, zůstávají v jádře a vyplňují hlavu komety, která se stává větší a větší.
Uplyne ještě nějaký čas a kometa začíná předvádět skutečnou extravaganci: zpod její hnědé kůry vytrysknou plynové gejzíry a z její hlavy se valí studená světélkující záře. V tomto případě kometární plyn září úplně stejným způsobem jako zředěný plyn ve zářivkách.
Během plynových erupcí stoupají obrovské oblaky drobných prachových částic. Na tyto mikročástice dopadá kvanta slunečního světla a odnášejí je pryč od Slunce. V důsledku toho se objeví jiný ocas – ne rovný, ale zakřivený, který se jako nevěstin vlak táhne za ní a klene se podél oběžné dráhy.
Díky ohonu mohou mít komety různé podoby: některé mají ohon z iontů, jiné mají ohon z prachu; někteří mají dokonce dva ocasy a téměř skutečné „vousy“.
Když kometa vletí na oběžnou dráhu Země, dostane se do oblasti s relativně vysokými teplotami a začne se silně zahřívat. Z tohoto důvodu nyní gejzíry plynu a prachu proudí v nepřetržitých proudech. Během této doby ztrácí jádro každou sekundu 30-40 tun páry. Zároveň dochází i k subkortikálním emisím, které připomínají výbuchy hlubinných pum.
Čím blíže je kometa Slunci, tím intenzivněji se z ní led vypařuje. A unikající plyn vytvoří kolem jádra svítící kouli neboli komu, jejíž průměr může dosahovat až milionu kilometrů.
Všechny tyto procesy vyvolaly u astronomů mnoho otázek, které stále zůstávají nezodpovězeny: například, proč se objem ledu o výšce 8-10patrové budovy náhle vypaří z hlubin komety nebo jaké síly vyvrhnou obrovské množství plynu nad 20-30 tisíc kilometrů?
Astronomové nepochybují o tom, že komety přilétají do sluneční soustavy odněkud z daleka. Nedokážou ale přesně říct, kde přesně, ačkoli odpověď na tuto otázku hledali dlouho.
K dnešnímu dni bylo navrženo několik hypotéz o původu komet. A všechny mají své pro a proti.
Nejstarší z hypotéz byla předložena ve středověku. Poté astronomové předpokládali, že se komety objevují během sopečných erupcí na Jupiteru a Saturnu. Mimochodem, představa středověkých vědců o vulkanické povaze komet, i když v mírně pozměněné podobě, přežila dodnes. Navíc mnoho moderních astronomů věří, že jádra komet jsou vyvržena nejen samotnými obřími planetami, ale také jejich satelity. A důkazem tohoto úhlu pohledu může být fakt objevu sopečné činnosti na satelitu Io, nejblíže Jupiteru.
Zastánci další hypotézy se drží názoru, že komety létají do Sluneční soustavy z její periferie, kde ve vzdálenosti 50-150 tisíc AU. To znamená, že existuje obrovská akumulace těchto „ocasatých“ objektů.
Po holandském astronomovi J. Oortovi byla tato oblast nazývána Oortovým oblakem. Předpokládá se, že z této oblasti se vlivem gravitace hvězd nacházejících se v blízkosti Sluneční soustavy pomalu pohybují komety směrem ke Slunci. Postupem času se ale rychlost jejich pohybu postupně zvyšuje a po milionech let zrychlují natolik, že se jako vichřice řítí do blízkosti naší hvězdy, obcházejí ji a zase odlétají.
Občas se však stane, že při letu blízko jedné z velkých planet jsou vystaveny jejímu gravitačnímu vlivu, změní dráhu letu a zamíří-li hluboko do Sluneční soustavy, stanou se jejími stálými obyvateli neboli periodickými kometami.
Podle třetí hypotézy jsou komety mezihvězdného původu. Je možné, že Oortův oblak, který se objevil po vzniku Sluneční soustavy, dodnes pravidelně dodává komety do mezihvězdného prostředí. A odtud je „zachycují“ velké planety: například Jupiter nebo Saturn.
Tato hypotéza má ale také řadu slabých míst. Není tedy schopen vysvětlit častý výskyt komet ve sluneční soustavě.
Žádná z výše uvedených hypotéz tedy nenašla mezi astronomy plnou podporu, protože nedokázali vysvětlit mnoho rysů struktury, složení a pohybu komet. Proto zůstává dodnes otevřená otázka jejich původu.
Jako dodatek je zřejmě třeba uvést jednu exotickou hypotézu. Těch pár vědců, kteří to podporují, věří, že jednotlivé komety jsou průzkumné lodě mimozemských civilizací, které shromažďují informace o sluneční soustavě a zejména o Zemi více než 1000 let.
A zdá se, že některá dostupná data této myšlence ani neodporují. Například pohyb řady komet nelze vysvětlit přitažlivostí známých objektů sluneční soustavy: zejména některé komety vykazují sekulární zrychlení pohybu, zatímco jiné se naopak zpomalují. Z toho plyne otázka: jak může těleso bez života v prostoru bez vzduchu změnit svou rychlost? Navíc pokaždé, když se kometa přiblíží ke Slunci, značná část její hmoty se spotřebuje na tvorbu jejího ohonu. Ale poté, co zmizel z oblohy, po nějaké době se znovu vrátí! Jaký je důvod této konzistence? Kde je zákon zachování hmoty? Je zřejmé, že někde v kosmické propasti komety procházejí dnes pro nás neznámými a nepochopitelnými změnami.
O něco výše, když se mluvilo o hypotézách původu komet, byl zmíněn Oortův oblak jako hypotetická oblast Sluneční soustavy sloužící jako zdroj těchto nebeských poutníků. Vzhledem k tomu, že samotný mrak nelze pozorovat, protože je velmi vzácný a špatně osvětlený Sluncem, přímý důkaz o jeho existenci v současné době chybí. Ale přesto mnoho nepřímých faktů naznačuje, že takový objekt existuje.
Myšlenku existence takového druhu „rezervy“ komet ve vesmíru poprvé vyjádřil v roce 1932 estonský astronom Ernst Epic. A o něco později, v 1950. letech, stejný nápad dostal nizozemský astrofyzik Jan Oort.
Astronomové se domnívají, že hlavními objekty Oortova oblaku jsou voda, čpavek a metanový led. Pokud jde o umístění oblaku, od jeho vnějších hranic ke Slunci je to přibližně od 50 100 do XNUMX XNUMX n.m. e., tedy téměř světelný rok.
Předpokládá se, že se skládá ze dvou samostatných oblastí: sférického vnějšího oblaku o šířce od 20 50 do 000 2000 AU a vnitřního oblaku ve tvaru torusu o velikosti od 20 000 do XNUMX XNUMX AU.
Předpokládá se, že ve sférické části Oortova oblaku je několik bilionů kometárních „embryí“ – těles, která rotují na různých drahách a nikdy se nepřiblížila ke Slunci. Jejich průměrný poloměr je asi 1,3 kilometru a vzdálenost mezi nimi je několik desítek milionů kilometrů. Existují však také miliardy skutečných komet, které již Sluneční soustavu navštívily.
Vědci nedokážou pojmenovat přesnou hmotnost vnější sféry Oortova oblaku, i když předpokládají, že je to asi pětinásobek hmotnosti Země. Pokud jde o hmotu vnitřní části – torus, v současné době o ní neexistují ani předběžné odhady.
Pokud mluvíme o hypotézách vysvětlujících původ Oortova oblaku, většina astronomů se domnívá, že jde o zbytek protoplanetárního disku, který se zformoval kolem Slunce asi před 4,6 miliardami let. A modelování vývoje Oortova oblaku ukázalo, že jeho hmotnost dosáhla maximální hodnoty 800 milionů let poté, co se zformoval.
