Введение к работе
Кометы являются широко распространенными, реликтовыми и во многом еще загадочными обьектами Вселенной. Изучение комет, начатое еще в глубокой древности, связано с такими фундаментальными открытиями физики и астрофизики, как открытие закона всемирного тяготения, открытие лучевого давления и солнечного ветра. Физические процессы, протекающие в кометных ядрах, относящихся к классу малых тел Солнечной системы (радиус ядра г0=0,1-юо км), и очень протяженных гигантских атмосферах (радиус кож г ~іо5-іо7 км) при взаимодействии с межпланетной средой, стали предметом активного теоретического к экспериментального ИССЛеДОВаНИЯ ПОСЛеДНИХ деСЯТИЛеТИЙ (Ср. /101-І40/).
Актуальность темы. Изучение комет имеет в настоящее время ряд важных аспектов и перспективных направлений, кометы представляют интерес как сами по себе, как объекты до сих пор до конца не разгаданной физической природы, так и как действующие факторы процессов эволюции звезд и их планетных систем. Лучшее понимание физических процессов в кометах позволит использовать их как естественные космические зонды - чувствительные индикаторы физических условий в межзвездной, межпланетной, околосолнечной средах и носители информации о начальных условиях формирования нашей планетной системы.
В последние годы интерес к кометам и генетически связанным с ними астероидам с сильно вытянутыми орбитами существенно возрос, с одной стороны, в связи с осознанием проблемы кометно-астероидной опасности, с другой стороны, с возможностью осуществления миссий к этим телам. Это направление представляет интерес и в проблеме происхождения и эволюции метеороидных роев.
Прохождение комет через внутреннюю гелиосферу сопровождается столкновениями между зодиакальными пылевыми частицами и частицами газо-пылевой комы с большими относительными скоростями, V(R=0,01-l а.е.)=70-700 км/с. В этой связи возникает еще один крайне важный аспект исследования комет - это возможность изучения физических процессов, которые еще не реализованы в земных лабораторных условиях, таких, как высокоскоростные (^юо км/с) столкновения пылевых частиц и генерация высокотемпературной плазмы. Изучение таких процессов важно в
связи с такими фундаментальными проблемами как проблема происхождения космических лучей и фонового рентгеновского излучения межзвездной среды.
Явление нерегулярных, внезапных усилений блеска комет и связь этого явления с солнечной активностью известно в кометной астрономии/фотометрии более ста лет. Еще в 1910 году А. Эддингтоном была выдвинута идея о возможности возбуждения вспышек блеска ядер комет гипотетическими заряженными солнечными корпускулами. Во второй половине XX века, в наступившей космической эре, достигнут существенный прогресс в понимании природы солнечной активности и солнечного корпускулярного излучения, именно непосредственно обнаружено это излучение, установлены параметры солнечного ветра и выбрасываемых солнечными вспышками солнечных космических лучей. Однако физическая природа вспышек блеска ядер комет, сопровождающихся внезапным энерговыделением порядка ю17- і о22 эрг, остается неясной. Изучение таких процессов важно и для космической энергетики.
Актуальной проблемой физики комет также является поставленная более 30 лет назад К. Вурмом проблема аномальной ионизации внутренней комы кометных атмосфер и формирования лучевой структуры плазменных хвостов.
Наблюдения с помощью 5-метрового телескопа Паломарской обсерватории привели к открытию явления аномального распределения яркости Д-линий натрия в голове кометы Мркоса I957d / 1957 V. Однако такие важные вопросы, как механизм явления и степень его универсальности или уникальности остаются открытыми.
К настоящему времени накоплен огромный наблюдательный материал по комете Галлея 1982Ї / 1986 III в связи с имевшими место ранним ее обнаружением и целенаправленным комплексным исследованием, включавшим почти весь арсенал современных средств и методов исследования небесных тел. Эта знаменитая периодическая комета в ее очередном, 30-м появлении была обнаружена фотографически с помощью 5-метрового рефлектора Паломарской обсерватории США как объект 24т 16 октября 1982 года, т.е. более чем за три года до прохождения перигелия. Было запланировано ее исследование как с Земли, так и из космоса. XVIII Генеральная ассамблея Международного астрономического союза (Греция, г. Патрас, 17-26 августа 1982 г.) приняла отдельную резолюцию об утверждении Международной программы наблюдений кометы Галлея (International
Halley Vatch - IHV) и Об установлении В 1985-1987 ГГ.
специальных дней, во время которых были проведены всевозможные скоординированые наблюдения этой кометы многими астрономическими обсерваториями мира.
По инициативе Астрономического совета АН СССР была разработана комплексная программа наземных исследований кометы Галлея, получившая название СОПРОГ (Советская программа Галлея) и являвшаяся региональной частью Международной программы IHV. Эта программа была одобрена Академией наук СССР (Постановление Отделения общей физики и астрономии АН СССР N 12 ОТ 12 Сентября 1982 Г.).
Наземные наблвдипи по программам THV и СОПРОГ, внеатмосферные наблюдения с космических станций "лстрон", "Сякигаке", "Суисей" и прямые измерения, выполненные во время пролетов космических аппаратов (КА) "Вег.а-1", "Вега-2" и Giotto сквозь кому кометы Галлея в марте 1986 года, подтвердили в целом конгломератную модель кометных ядер Уиппла и дали новый уникально богатый наблюдательный и экспериментальный материал о строении кометы Галлея 1986 III и физических процессах в ее коме. В частности, в ходе этих исследований в кометной коме на гелиоцентрических расстояниях кометы =0,8-0,9 а.е. была обнаружена так называемая кометопауза и неожиданно открыты ионы тугоплавких металлов типа Fe+. Как происхождение, так и диагностический потенциал таких ионов остаются загадкой /141- /67/.
Обнаружение С ПОМОЩЬЮ Hubble Space Telescope за орбитой Нептуна крупных (г^юо-зоо км) ледяных тел - комет пояса Койпера - открывает новые горизонты в изучении природы комет, связи комет, астероидов и планет, происхождения и эволюции Солнечной системы.
Загадочным остается происхождение мягкого фонового рентгеновского излучения межзвездной среды и излучения газо-пылевых
бЫСТрОДВИЖуЩИХСЯ ОбОЛОЧеК ЗВеЗД /168-176/.
Изложенное является свидетельством того, что изучение комет в целом представляет собой один из важнейших и бурно развивающихся направлений современной астрофизики. Выбранная тема работы является особо актуальной и важной во многих отношениях.
Цель настоящей работы - выявление физических процессов, происходящих в головах комет (и родственных космических объектах) на основе данных наземных и внеатмосферных наблюдений и прямых
измерений, и установление новых закономерностей, присущих этим процессам.
Для достижения этой цели поставлены следующие задачи;
проанализировать и выяснить физическую природу аномального распределения излучения атомов натрия в голове кометы Мркоса 1957 V и возможность возникновение такого феномена в комах других комет.
выявить альтернативные процессы, ответственные за появление атомов и ионов металлов в комах комет: исследовать трансформацию потока протонов солнечного ветра в поток энергичных атомов водорода в комах комет типа кометы Галлея 1986 III с учетом химической эволюции сублимирующих из ядра молекул.
провести анализ взаимодействия комет с Зодиакальным пылевым облаком и выявить механизмы такого взаимодействия.
разработать метод сопоставления эффективности различных механизмов возникновения атомов и ионов металлов в атмосферах комет и других аналогичных объектах (планетарных туманностей, расширяющихся оболочек звезд) и выявить главный механизм, ответственный за продукцию ионов тугоплавких металлов типа Fe+ в комах комет типа Галлея на больших гелиоцентрических расстояниях: Е^о,8 а.е.
исследовать генерацию собственного коротковолнового излучения и многозарядных ионов в кометах и межзвездной среде.
определить вклад Зодиакального пылевого облака в ионизацию коыетных атмосфер и возможность аномальной ионизации внутренней комы комет.
выяснить физическую природу корреляции вспышек блеска комет с солнечными вспышками.
- рассмотреть идею преобразователя энергии корпускулярного
излучения солнечных вспышек в электроэнергию.
Новизна проведенных исследований и полученных результатов состоит в том, что
- впервые предложен и теоретически разработан новый подход к
проблеме возникновения аномального распределения излучения
атомов натрия в голове кометы Мркоса 1957 V, исходящий из
эффекта охлаждения кометной пыли истекающим из ядра газом, и
указан класс комет, в которых возможно возникновение такой
аномалии.
- предложен и апробирован новый метод определения полной
газопроизводительности комет по максимуму излучения в их
комах атомов металлов типа натрия.
предсказано аномальное распределение яркости линий металлов типа натрия в пределах газо-пылевых джетов кометы Галлея 1986 г.
впервые рассмотрена возможность резонансной перезарядки протонов солнечного ветра в атомарных, водородно-кислородных комах комет и сформулирован критерий доминирующей роли такого процесса в трансформации потока солнечных протонов в поток энергичных атомов водорода.
впервые предложена и проведена классификация механизмов взаимодействия комет с оадиакалышк пі!» облаком, определяющая типы комет с качественно различными астрофизическими проявлениями.
- впервые дан прогноз параметров (температуры, кратности
заряда ионов) новой, горячей фазы кометной плазмы и
собственного рентгеновского излучения комет.
впервые рассмотрена ионизация комы комет метеороподобным и взрывообразным процессами и установлена возможность аномальной ионизации внутренней комы комет межпланетной пылью.
впервые рассмотрена возможность создания солнечным ветром и протонами солнечных вспьшек, "солнечными космическими лучами", макроскопического двойного электрического слоя в приповерхностном слое кометных ядер.
Приоритетный характер работы заключается в том, что впервые предложена и использована идея депрессии температуры кометной пыли истекающим из ядра газом и только в последние годы такие исследования стали проводится за рубежом; впервые предложена и проведена классификация механизмов взаимодействия комет с межпланетной пылью с качественно различными астрофизическими проявлениями; впервые обращено внимание на важность ударного взаимодействия пылевых частиц быстродвижущихся космических объектов в генерации многозарядных ионов и рентгеновского излучения и только в последние годы такие процессы стали экспериментально изучатыя в лабораториях развитых стран (ФРГ, США, Англия); впервые предложен электроразрядный механизм вспьшек блеска комет и на этой основе предложена идея преобразователя энергии корпускулярного излучения солнечных вспьшек в электроэнергию.
Научная и практическая значимость работы.
Полученные в работе результаты позволили объяснить явление аномального распределения интенсивности линий натрия в голове кометы Мркоса 1957 V, предсказать возможность возникновения такого феномена в околоядерной области других ярких комет, в частности в пределах газо-пылевых джетов кометы Галлея 1986 III, предложить новый метод определения полной газопроизводительности комет.
Разработанный в работе метод определения пространственной плотности атомов и ионов металлов в комах комет использован для интерпретации результатов прямых плазменных измерений КА Бега и Джотто.
Результаты исследования взаимодействия комет с Зодиакальным пылевым облаком показывают, что запыленные кометы во внутренней гелиосфере генерируют высокотемпературную (ю5-ю7К) плазму, так что многозарядные ионы и рентгеновское излучение определенных комет могут служить индикатором присутствия межпланетных и околосолнечных пылевых облаков. Происходящий при этом процесс -столкновение пылевых частиц с большими скоростями (>юо км/с) в земных лабораториях еще не реализованы, тогда как такие процессы могут протекать также в межзвездной среде и могут быть связаны с такими фундаментальными проблемами, как проблема происхождения космических лучей и фонового рентгеновского излучения межзвездной среды, так что результаты рентгеновских наблюдений определенных комет представляет интерес для физики межзвездной среды, физики космических лучей и физики высокотемпературной плазмы. Предложенный в работе электроразрядный механизм вспышек комет, будучи аналогом/прототипом преобразователя энергии корпускулярного излучения солнечных вспышек в высоковольтную электроэнергию, представляет интерес для космической энергетики.
На защиту выносятся следующие положения .-
-
Исследован тепловой режим пылевой составляющей кометных атмосфер. Отмечено наличие двух, качественно различных распределений температуры пылевых частиц в комах комет.
-
Установлен резонансный характер перезарядки протонов солнечного ветра вблизи кометопаузы комет типа кометы Галлея 1986 III с Н20 - доминантными ядрами.
-
Введены понятия "локальная плотность" и "распределенная", средняя объемная плотность для характеристики распределения
атомов и ионов металлов, возникающих в комах комет и родственных объектах типа планетарных туманностей и расширяющихся оболочек звезд вследствие дезинтеграции пылевых частиц. Разработан метод определения средней плотности атомов и ионов металлов в комах комет и родственных объектах.
-
исследовано взаимодействие пылевой комы комет с солнечным ветром. Дано аналитическое определение эффективного радиуса пылевой комы во взаимодействии с протонами солнечного ветра.
-
Исследовано взаимодействие комы комет с зодиакальным пылевым облаком. Получены аналитические выражения для радиусов действия метеороподобного
и взрувсобразного механизмов взаимодействия комет.
6. Установлен закон радиального распределения плотности ионов
тугоплавких металлов типа Fe+ в комах комет на больших
гелиоцентрических расстояниях.
-
Исследованы механизмы ионизации комы комет Зодиакальным пылевым облаком.
-
Предложен механизм возникновения многозарядных ионов в кометах и межзвездной среде.
-
Рассчитана эффективность генерации рентгеновского излучения в кометах и межзвездной среде вследствие возникновения высокотемпературной фазы при столкновениях пылевых частиц. Оценена рентгеновская светимость комет.
10. Исследовано взаимодействие комет с корпускулярным
излучением солнечных вспъшек. Предложен электроразрядный механизм
вспышек комет. Развита идея преобразователя энергии
корпускулярного излучения солнечных вспышек в электроэнергию.
Методы исследования. Достоверность результатов.
В соответствии с целью настоящей работы в ней для анализа и
обобщения данных наблюдений широко применялись методы
теоретической физики, физики плазмы, физической теории метеоров в
земной атмосфере, физики планетных ионосфер, физики
межзвездной среды, а также современные данные о составе
межпланетной среды, включающий солнечное электромагнитное
излучение от рентгеновского до видимого диапазона спектра, солнечное корпускулярное излучение в виде плазмы солнечного ветра и потоков высокоэнергичных протонов - солнечных космических лучей, межпланетную и околосолнечную пылевую материю.
Достоверность полученных результатов обусловлена физически и математически обоснованной постановкой задач, использованием данных надежных наблюдений и прямых измерений, привлечением данных лабораторных измерений с учетом специфики условий в рассматриваемых космических объектах, привлечением достоверно известных данных из физики метеоров в земной атмосфере, физики земной ионосферы, физики Солнца/солнечной короны и физики плазмы, включающей данные экспериментов по созданию горячей плазмы ультракороткими лазерными импульсами.
Личный вклад соискателя. Подавляющее большинство работ, выносимых на защиту, были проведены автором диссертации самостоятельно. В совместных работах /її, із, 17/ автору принадлежат идея, постановка задачи и вывод формул, проверка формул и формулировка выводов выполнены совместно. В работах /3, 8/, посвященных лабораторному моделированию конденсационного механизма образования пыли в головах комет путем создания пересыщенных паров в плазменной среде, автору принадлежат идея эксперимента, проектирование и сборка экспериментальной установки. Измерения и интерпретация результатов проводились совместно. Решающий вклад автора в исследования, положенные в основу работы, отражается и в списке публикаций по теме диссертации: из 95 публикаций 90 выполнены без соавторов.
Реализация работы. Исследования по теме диссертации
проводились в рамках плановых научно-исследовательских работ
Института астрофизики АН РТ. Основные результаты работы вошли в
научные отчеты Отдела кометной астрономии ИА АН Тадж. ССР по
темам "Физические процессы в кометах и движение ядер комет",
1971-1975 гг., N госрегистрации 71.01.6943; "Изучение строения
комет путем фотометрических наблюдений естественных и
искусственных комет и интерпретации этих наблюдений", 1976-1982
гг., N госрегистрации 76.01.6065; "Изучение кометных ядер и
продуктов их дезинтеграции", 1983-1985 гг., N госрегистрации
01.83.0056197; "Определение физических свойств и химического
состава атмосфер комет и особенностей их взаимодействия с
межпланетной средой на основе данных, полученных из
наблюдений", N госрегистрации 01.86.0066296; Отдела физики комет и астероидов ИА АН РТ по теме "Физические исследования комет", 1991-1992 гг., N госрегистрации 01.91.0028448. Результаты
такие отражены в резолюциях ряла Всесоюзных и Мвздународных конференций, ежегодных отчетах ИЛ АН РТ, 1976-1995 гг., отчетах Рабочей группы "кометы" секции "Солнечная система" Астронскичоского совэтз АН СССР, 1976-1090 гг., отчетах комиссии N 15 !?АС "Физические исследования комет, малых планет и метеоритов". Работа поддераанл грантом Европейской кхной Обсероатории в ракках ESO CfcEE Prograoiac, Проект "Иехатгамн генерации атомов и ионов металлов в кометах", и долгосрочным исследовательским грантом международного научного фонда, Проект "Взаимодействие кокет с Зодиакальным пылевше облаком: Механизм ионизации внутренней комы".
АпроЗаЦпЛ p^SoTt:. основну» результаты саботії докладывались
на Всесоюзных конференциях по физике и динамике коыэт и
астероидов (Киев, 1976, 1981, 1983, 1985; Душанбе, 1978, 1980,
1982, 1989«, Крым, 1984; Николаев, 1936; Ленинград, 1987;
Чернигов, 1988); на 5-й Всесоюзной конференции по плазменным
ускорителям и ионный инжекторам (Москва, 1982); на Пленумах
секции "солнечная система" Астрономического совета АН СССР
(Тбилиси, 1985; Алма-Ата, 1987; Ленинград, 1990); на 9-х,
11-х и 15-х Научных чтениях по космонавтике.* секция
"Энергетические установки и электроракетные двигатели" (Мосхза,
1985, 198", 1991); на всесоюзной конференции "Астрофизика
сегодня" (Нижний Новгород, 1991), на 2-м сьэзде
Астрономического общества СССР (Москва, 1991); на 7-й
Европейском симпозиуме по космическим лучам (Ленинград, СССР,
1980); на 15-й Международной конференции по явлениям в
ионизованных газах (Минск, СССР, 1981); на ю-к и 12-и
Европейском региональном астрономических сьеэдах
(Прага,ЧСФР,1987; Давос, Швейцария, 1990); на симпозиуме К 1Я5 МАС "Межзвездная пыль" (Санта-Клара, США, 1988); на Международной конференции "Физика и состав межзвездной материи" (Торунь, Польша, 1990); на международном астрономическом симпозиуме "Метеороиды и их родительские тела" (Братислава, ЧСФР, 1992); на 2-й Международной конференции по исследованию планет/24-м сьезде Отдела планетных наук Американского астрономического общества (Мюнхен, ФРГ, 1992); на симпозиуме К 160 мас "Астероиды, кометы, Метеоры" (Белжирате, Италия, 1993); на 2-м Генеральном собрании Европейского астрономического общества (Торунь, Польша, 1993); на Международной метеорной
конференции (Пуймшель, Франция, 1993)j на зо-и Научной ассамблее КОСПАР (Гамбург, ФРГ, 1994)j на ыеадународной конференции "Метеороиды" (Братислава, Словакия, 1994)j на Международной конфереіщии "Льды солнечной системы" (Тулуза, франция, 1095). Результаты также неоднократно докладывались на сешшарах отдела физики комет и астероидов и семинарах по Солнечной системе Института астрофизики АН РТ.
Публикации. По тенч. диссертации опубликовано свыше 90 робот,
а ТаККО ПОДГОТОВЛеН РЯД ОТЧеТОВ (1976-1995 гг.).
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, семи глав, приложения, заключения и библиографии! содераит 257 страниц основного текста, із рисунков и і таблицу. Список цитируемой литература содоркит 307 наименований.
