Йэн Стюарт - Математика космоса [Как современная наука расшифровывает Вселенную]

Он оказался прав, хотя и на грани фола. На Рождество в названном году немецкий астроном-любитель Иоганн Палич заметил в небе слабое размытое пятнышко, которое вскоре обзавелось характерным хвостом. К тому моменту трое французских математиков — Алексис Клеро, Жозеф Лаланд и Николь-Рейн Лепот — провели более тщательный расчет и перенесли предсказанную Галлеем дату наибольшего приближения кометы к Солнцу на 13 апреля. На самом деле это произошло на месяц раньше; как оказалось, возмущения со стороны Юпитера и Сатурна задержали комету на 618 суток.

Галлей умер прежде, чем появилась возможность проверить его предсказание. То, что мы сегодня называем кометой Галлея (комета была названа в его честь в 1759 году), стало первым, помимо планет, телом Солнечной системы, для которого удалось точно установить, что оно обращается вокруг Солнца. Сравнив старые записи с современными расчетами прошлой орбиты этой кометы, ее появления можно проследить до 240 года до нашей эры, когда ее видели в Китае. Следующее ее появление в 164 году до нашей эры было отмечено на вавилонской глиняной табличке. Китайцы видели эту комету снова в 87 году до нашей эры, в 12 году до нашей эры, в 66 году, в 141 году и т. д. Предсказанное Галлеем возвращение кометы было одним из первых по-настоящему новых астрономических предсказаний, основанных на математической теории небесной динамики.

Кометы не просто мудреная астрономическая загадка. Во введении я упоминал одну масштабную теорию с участием комет: последние несколько десятилетий именно с их помощью ученые предпочитают объяснять появление на Земле океанов. Кометы состоят в основном из льда; хвост образуется, когда комета подходит к Солнцу достаточно близко, чтобы лед в ней «сублимировался», то есть превращался непосредственно изо льда в пар. Согласно убедительным косвенным свидетельствам, в ранние эпохи развития Земли с ней столкнулось множество комет; если это так, то их лед должен был растаять и собраться во впадины, образовав океаны. Кроме того, вода должна была встроиться в молекулярную структуру геологических пород земной коры, в которых ее достаточно много.

Жизнь на Земле полностью зависит от воды, так что знания о кометах потенциально способны рассказать нам немало важного и о нас самих. В стихотворении «Эссе о человеке» (1734 год) Александра Поупа есть памятная строчка: «Чтобы по-настоящему изучить человечество, нужно изучать Человека» (в русском переводе — «На самого себя направь ты взгляд»). Однако, не вдаваясь в духовные и этические наставления поэмы, заметим, что любое исследование человечества должно охватывать также контекст бытия людей, а не только самих людей. А контекст — это вся Вселенная, поэтому, что бы ни говорил Поуп, изучение человечества означает изучение всего .

Сегодня в астрономические каталоги включено 5253 кометы. Они подразделяются на два основных типа: долгопериодические с периодом 200 лет и более, чьи орбиты уходят далеко за пределы Солнечной системы, короткопериодические, которые держатся ближе к Солнцу и часто имеют более округлые, хотя и эллиптические, орбиты. Комета Галлея с ее 75-летним периодом относится к категории короткопериодических. Существуют кометы с гиперболическими орбитами: гипербола — еще одно коническое сечение, известное еще древнегреческим геометрам. В отличие от эллипса гипербола — незамкнутая кривая. Тело, следующее по такой орбите, появляется из далекого далека, проносится мимо Солнца и, если умудряется не столкнуться с ним, уносится обратно в космос, чтобы никогда больше не появляться в наших краях.

Гиперболическая форма орбиты говорит о том, что эти кометы прилетают к Солнцу из межзвездного пространства, но астрономы сегодня считают, что большинство из них, если не все, летали когда-то по очень далеким замкнутым орбитам, пока влияние Юпитера не нарушило порядок их движения. Различие между эллиптической и гиперболической орбитами связано с энергией тела. При энергии ниже критического значения орбита представляет собой замкнутый эллипс, но если энергия выше — это уже гипербола. При критическом значении энергии орбита является параболой. Комета на очень вытянутой эллиптической орбите, если на нее окажет возмущающее действие Юпитер, приобретает дополнительную энергию, и ее может оказаться достаточно, чтобы превысить критическое значение. Близкая встреча с какой-нибудь внешней планетой может добавить комете еще больше энергии (эффект пращи): комета отнимает у планеты часть энергии, но планета настолько массивна, что даже не замечает этого. Так эллиптическая изначально орбита кометы может стать гиперболой.

Параболическая орбита маловероятна, поскольку энергия тела при этом должна быть точно равна критической. Но именно поэтому параболу часто используют в качестве первого шага к расчету орбитальных элементов кометы. Парабола близка и к эллипсу, и к гиперболе.

Это вновь возвращает нас к короткопериодической комете, попавшей в заголовки новостей и получившей название 67P / Чурюмова — Герасименко в честь ее первооткрывателей Клима Чурюмова и Светланы Герасименко. Эта комета облетает Солнце каждые шесть с половиной лет. Ничем не примечательное до той поры кометное существование 67P, кружащей вокруг Солнца и испускающей при приближении к нему струи нагретого водяного пара, попало в поле зрения астрономов, и на встречу с ней был выслан космический аппарат Rosetta [44] Rosetta по проекту должна была лететь к другой комете — 46P / Виртанена. Однако астрономическое окно пришлось пропустить из-за аварии ракеты из того же семейства, что и носитель Rosetta, и под новую дату старта в марте 2014 года была выбрана новая цель. — Прим. ред. . Приблизившись, Rosetta выяснила, что 67P похожа на космического резинового утенка: это два округлых комка, соединенных узенькой шейкой. Поначалу никто не мог сказать, образовалась ли такая форма при медленном соединении двух округлых тел или же это одно тело, разъеденное эрозией в области шейки.

В конце 2015 года этот вопрос был разрешен при помощи хитроумной математической обработки подробных снимков кометы. На первый взгляд ландшафт 67P кажется нерегулярным и хаотичным, состоящим из случайным образом чередующихся острых скал и плоских впадин, но на самом деле детальная картина поверхности позволяет нам судить о происхождении тела кометы. Представьте, что вы берете луковицу, срезаете с нее произвольные ломтики и отрубаете куски. На месте тонких ломтиков, срезанных параллельно поверхности, останутся плоские площадки, но в более глубоких разрезах будут видны стопки отдельных слоев. Плоские впадины на комете напоминают срезанные ломтики, а на ее скалах и в других областях зачастую видна слоистая структура льда. К примеру, серия слоев видна сверху и в середине справа на фото, расположенном в Предисловии к этой книге; видны там также многочисленные плоские области.