Областная научная конференция учащихся (март - 2000 г.)

Наблюдение метеорного потока Персеиды (август - 1999 года)

Автор: Карбаев Данила
Самарский дворец детского и юношеского творчества: клуб “Astrohacker”; Университет Наяновой, 10 класс
Руководитель: Тучин Олег Александрович

Мгновенья, остановленные и летящие

Введение

В космическом пространстве, окружающем наше небо, движется множество твердых тел самых разных размеров – от пылинок до глыб с поперечником в десятки и сотни метров. Чем больше размер тел, тем реже они встречаются. Поэтому пылинки сталкиваются с Землей ежедневно и ежечасно, а глыбы – раз в сотни и даже тысячи лет. Совершенно различны и сопровождающие эти столкновения эффекты.

Визуальные наблюдения метеоров невооруженным глазом оставили глубокий след в истории метеорной астрономии. Их доступность и простота сыграли значительную роль в накоплении наблюдательных данных. В настоящее время визуальный метод сохраняет свое научное значение.

Прежде чем представить свои наблюдения, необходимо рассмотреть теорию происхождения метеоров и их потоков.

Путешествие в прошлое с космологией

Звездная космология объясняет возникновение как звезд, планет, так и малых небесных тел.

Движение планет в Солнечной системе упорядочено: они вращаются вокруг Солнца (ближайшей к нам звезды) в одном направлении и почти в одной плоскости. Расстояние от одной планеты до другой возрастают закономерно.

Если движение планет подчиняется одному и тому же порядку, то процесс их образования должен быть единым. Это показали еще в ХVIII в. Иммануил Кант и Пьер Лаплас. Они пришли к выводу, что на месте планет вокруг Солнца первоначально вращалась туманность из газа и пыли.

К 90-м гг. стали доступны для наблюдения газопылевые диски вращающиеся вокруг некоторых молодых звезд, сходных с Солнцем. Газопылевую туманность, в которой возникли планеты, их спутники, мелкие твердые тела — метеороиды, астероиды и кометы, называют протопланетным облаком. Ученые полагают, что т.к. планеты вращаются почти в одной плоскости, то и само газопылевое облако имело уплощенную, чечевицеобразную форму, поэтому его называют еще диском. Солнце и диск образовались из одной и той же вращающейся массы межзвездного газа — протосолнечной туманности.

Возраст Солнца около 5 млрд. лет. Возраст древнейших метеоритов почти такой же: 4,5 — 4,6 млрд. лет. Столь же стары и рано затвердевшие части лунной коры. Поэтому принято считать, что Земля и другие планеты сформировались 4,6 млрд. лет назад. Солнце относится к звездам второго поколения Галактики. Самые старые звезды на 8 — 10 млрд. лет старше. В Галактике есть и совсем молодые звезды, которым всего 100 тыс. — 100 млн. лет.

Формирование допланетных тел шло двумя путями: гравитационной конденсацией и их прямой рост при столкновении мелких частиц. Они могут слипаться лишь при небольших скоростях соударений, при достаточно разрыхленной поверхности контакта или в случае повышенной силы сцепления.

Такие тела, каким бы из двух путей они ни возникли, послужили строительным материалом для формирования планет, спутников и метеорных тел.

Ученые предполагают, что допланетные тела, образовавшиеся на периферии облака при очень низкой температуре, сохранились до сих пор в кометном облаке, куда они были заброшены гравитационными возмущениями планет-гигантов.

Образование допланетных тел в газопылевом облаке продолжалось десятки тысяч лет. Дальнейшее объединение тел в планеты — аккумуляция планет — гораздо более длительный процесс, занявший сотни миллионов лет.

Допланетный рой представлял собой сложную систему большого числа тел-планетезималей. Они обладали разной массой и двигались с неодинаковыми скоростями.

Эволюция облака вела к тому, что именно в немногих крупных телах сосредоточивалась основная масса всего планетного вещества. Крупные тела своим гравитационным влиянием постепенно увеличивают хаотические скорости планетезималей. Как правило, орбиты становятся более вытянутыми и более наклоненными к центральной плоскости. Идет “раскачка” системы от очень плоского диска к более утолщенному. При этом тела приобретают тем более хаотические скорости, чем меньше их масса, и наоборот.

Растут тела очень неравномерно. Столкновение планетезималей привели к росту лишь наиболее крупных из них. Так как при падении тела на поверхность астероида энергия удара обычно так велика, что разрушается не только само упавшее тело, но часть астероида. Разлетающееся вещество вновь падает на поверхность астероида только в том случае, когда он обладает достаточным тяготением.

Внутреннюю часть Солнечной системы образуют планеты земной группы — Меркурий, Венера, Земля и Марс.

Период диссипации (рассеяния) газа из зоны земных планет продолжался не более 10 млн. лет. В основном газ выдувался солнечным ветром, т.е. потоками заряженных частиц (протонов и электронов), выбрасываемых с поверхности Солнца со скоростями сотни километров в секунду.

Солнечный ветер очистил от газа и более отдаленные пространства области планет не только область земной группы. Однако планеты гиганты Юпитер и Сатурн уже успели вобрать в себя огромное количество вещества, подавляющую часть массы всей планетной системы.

Процесс присоединения вещества называют аккрецией. Начиная с одной-двух масс Земли, тело может не только удерживать газовую атмосферу на поверхности. Аккреция прекращается лишь тогда, когда газ полностью исчерпан. Продолжительность этого процесса намного короче, чем стадия образования ядра-зародыша.

Пока ядро, погруженное в газ, невелико, оно присоединяет лишь небольшую атмосферу, находящуюся в равновесии. Но при некоторой критической массе газ начинает выпадать на тело, сильно увеличивая его массу. На стадии быстрой аккреции Юпитер вырос до массы, превышающей 50 масс Земли, поглотив газ из сферы своего гравитационного влияния. Одновременно Юпитер продолжал расти за счет твердых планетезималей, а те, что не были им поглощены, могли быть отброшены его тяготением либо внутрь, в зону астероидов и Марса, либо прочь из Солнечной системы. Юпитер сообщал твердым телам скорости больше скорости освобождения: для того чтобы покинуть Солнечную систему с орбиты Юпитера, достаточно скорости 18 км/c, а тело, пролетающее от Юпитера на расстоянии нескольких его радиусов, разгоняется до десятков километров в секунду.

Сатурн формировался аналогичным образом. Но его ядро росло не быстро и достигало критической массы позднее. К этому времени из-за действия солнечного ветра газа осталось меньше, чем зоне Юпитера к началу его аккреции. Вот почему по сравнению с Юпитером Сатурн содержит в несколько раз больше конденсируемого вещества.

Уран и Нептун росли еще медленнее, а газ из внешней зоны диссипировал быстрее. Когда эти планеты достигли критической массы, газа в из зонах почти не осталось.

Образование астероидов и комет

Пояс астероидов — это несостоявшаяся планета. Такое определение дал О.Ю.Шмидт, предположивший, что процессу аккумуляции планеты помешало соседство массивного Юпитера. Но дело было сложнее. Доказано, что в пределах зоны астероидов летучие вещества присутствовали в газообразном состоянии, тогда как на расстоянии Юпитера проходила граница конденсации паров воды, это привело к тому, что рост допланетных тел в зоне Юпитера успокоился: гравитационная неустойчивость проявилась раньше; сгущения были больше, чем в зоне астероидов; твердые тела, в которые они превращались, росли намного стремительнее. Гравитационные возмущения Юпитера сильно действуют на астероиды, периоды обращения которых вокруг Солнца соизмеримы с периодом Юпитера. Их орбиты становятся вытянутыми, они могут пересекать орбиту Марса и Земли. Их осколками являются метеориты, выпадающие на Землю. Вещественный состав метеоритов свидетельствует о том, что астероиды сформировались как отдельные тела 4,6 млрд. лет назад, т.е. в ту же эпоху, что и планеты.

Кометы представляют собой небольшие тела, поперечником 5 — 10 км. Состоят они в основном из водяного льда с вкраплениями льдов летучих соединений, способных конденсироваться лишь при очень низких температурах. По современным, представлениям кометы — побочный продукт образования планет — гигантов. Это ледяные планетезимали, заброшенные формировавшимися планетами Юпитером, Сатурном, Ураном и Нептуном — на очень далекую периферию нашей системы. Там кометы образуют гигантское разреженное облако, так называемое облако Оорта.

Комета это— ледяное небесное тело, движущееся по орбите в Солнечной системе, которое частично испаряется при приближении к Солнцу, в результате чего возникает диффузная оболочка из пыли и газа, а также один или несколько хвостов.

Земные наблюдения многих комет и результаты исследований кометы Галлея с помощью космических аппаратов в 1986 г. подтвердили гипотезу, высказанную впервые Ф. Уипплом в 1949 г. о том, что ядра комет представляют собой что-то вроде “грязных снежков” нескольких километров в поперечнике. По-видимому, они состоят из замерзших воды, двуокиси углерода, метана и аммиака с вмерзшей внутрь пылью и каменистым веществом. При приближении кометы к Солнцу лед под действием солнечного тепла начинает испаряться, а улетучивающийся газ образует вокруг ядра диффузную светящуюся сферу, называемую комой. Кома может достигать в поперечнике миллиона километров. Само по себе ядро слишком мало, чтобы его можно было непосредственно увидеть. Наблюдения в ультрафиолетовом диапазоне спектра, проведенные с космических аппаратов, показали, что кометы окружены огромными облаками водорода, размером во много миллионов километров. Водород получается в результате разложения молекул воды под действием солнечного излучения. В 1996 г. было обнаружено рентгеновское излучение кометы Хиякутаке, а впоследствии открыли, что и другие кометы являются источниками рентгеновского излучения.

Несмотря на свой внушительный вид, кометы содержат очень немного вещества, возможно, всего одну миллиардную часть массы Земли. Их хвосты настолько неплотны, что за один проход вокруг Солнце теряется лишь пятисотая часть массы ядра.

Некоторые кометы являются короткопериодическими кометами и движутся по эллиптическим орбитам, полный оборот по которым занимает от 6 до 200 лет. Большинство же составляют долгопериодические кометы, орбиты которых настолько вытянуты, что период может измеряться многими тысячами лет. Орбиты короткопериодических комет лежат вблизи плоскости эклиптики, а орбиты длиннопериодических комет обычно не вписываются в основную плоскость Cолнечной системы.

Каждый год открывают с десяток новых комет. Теперь общепринято, что многие кометы рождаются в сферическом облаке, которое окружает солнечную систему на расстоянии, возможно, 50000 а.е. Этот "резервуар" кометных ядер — облако Оорта. Другие кометы, по-видимому, происходят из пояса Койпера, расположенного вне орбиты Нептуна. Короткопериодические кометы были захвачены планетарной системой в результате гравитационного нарушения их орбит, что могло быть результатом сближения с Юпитером.

Пыль и газ покидают ядро кометы с выбросами, образующимися на стороне, обращенной к Солнцу, а затем уносятся в направлении от Солнца. Электрически заряженные ионизированные атомы отбрасываются магнитным полем солнечного ветра, образуя прямые ионные хвосты (называемые также хвостами типа I, плазменными или газовыми хвостами). Неравномерность солнечного ветра заставляет ионный хвост структурироваться или даже вызывает его разрыв. Небольшие нейтральные частицы пыли не уносятся солнечным ветром, но мягко "сдуваются" от Солнца лучистым давлением. Пылевые хвосты (также называемые хвостами типа II), как правило, широкие и плоские. У кометы Хейла-Боппа был обнаружен третий хвост, не относящийся к указанным выше типам, состоящий из атомов нейтрального натрия. Всегда направленные в сторону от Солнца, хвосты растут по мере приближения кометы к Солнцу и могут достичь длины ста миллионов километров. Большие частицы пыли разбрасываются вдоль орбиты кометы, образуя метеорные потоки

Всю эту космическую “мелочь”, размером с пыль, песок, щебень и валуны поперечником до нескольких метров называют метеорными телами или метеороидами. Наблюдать такие объекты даже в самые мощные телескопы затея бессмысленная, поскольку каждое тело отражает ничтожное количество света.

И мы могли бы совершенно ничего о них не знать, если бы Земля при своем вращении вокруг Солнца постоянно не сталкивалась с ними. Метеороиды влетают в земную атмосферу с космическими скоростями, составляющими десятки километров в секунду. Подавляющая их часть полностью разрушается на высотах 60—100 км, не достигая таким образом поверхности Земли. Это разрушение сопровождается кратковременным световым явлением, которое называют метеором. Популярное название метеора

Чем крупнее и быстрее метеорное тело, тем ярче метеор. Очень яркие метеоры называют болидами. Бывают болиды, светящие ярче полной луны, а некоторые видны даже в солнечный день. Метеоры и болиды – практически единственный источник регулярной информации, получаемой нами о метеорных телах, заканчивающих свой жизненный путь в земной атмосфере.

Если метеороиды не разрушаются полностью, то их остатки падают на Землю. Остатки метеороидов, найденные на Земле называют метеоритами.

Метеориты обычно называются по имени места, где они упали. Изучение траекторий небольшого числа метеоритов, которые наблюдались как болиды и были обнаружены впоследствии, показывает, что они двигались по траекториям, берущим свое начало в поясе астероидов. Химический и минералогический состав метеоритов изучается очень внимательно, так как они, по-видимому, являются образцами населения удаленных частей Солнечной системы и поэтому дают ключ к пониманию ее происхождения и эволюции.

Метеориты подразделяются на три основных класса: железные (сидериты), железо-каменные (сидеролиты или литосидериты) и каменные (аэролиты). Каменные метеориты в свою очередь разделяются на два важных подкласса: хондриты и ахондриты. Хондриты характеризуются наличием хондр - небольших сферических включений, которые могут состоять из металлов, силикатов или сульфидов. В ахондритах хондр нет.

Химический состав хондритов имеет очень большое сходство с составом Солнца, за исключением того, что они не содержат свободного водорода и гелия, но имеют больше лития и бора. Этот факт пытаются интерпретировать как доказательство того, что хондриты представляют первичное вещество Солнечной системы, которое не было существенно изменено нагреванием, хотя и имеются следы метаморфизма и некоторых изменений под действием воды. Углистые хондриты имеют самое высокое содержание летучих веществ и по своему составу наиболее близки к Солнцу. "Обычные" хондриты имеют самое низкое содержание летучих веществ; энстатитовые хондриты занимают промежуточное положение.

Ахондриты разделяются на многочисленные подтипы в соответствии с особенностями их химического и минералогического состава. В Антарктиде, где в некоторых областях ледяного панциря скопилось большое количество метеоритов, были найдены ахондриты, очень близкие по составу к образцам лунных пород, привезенным астронавтами "Аполлона".

Железо-каменные метеориты содержат свободные металлы и минеральные вещества в примерно равных пропорциях. Палласиты состоят из покрытых металлической оболочкой зерен оливина; мезосидериты представляют собой агломерат металла и силикатов.

Железные метеориты состоят почти целиком из железа и никеля. В них было обнаружено свыше сорока различных минералов, хотя основные компоненты - две формы железо-никелевого сплава, камасит и тэнит. Железные метеориты классифицируются в соответствии с пропорцией никеля, который определяет их кристаллическую структуру. Гексаэдриты содержат до 6% никеля, октаэдриты - между 6 и 14% и атакситы - до 66%.

Метеоры

Земля подвергается постоянной бомбардировке веществом из космоса. Вторгающиеся объекты различаются по размеру от камней весом в несколько килограммов до микроскопических частиц, весящих меньше миллионной доли грамма. По оценкам специалистов, в течение года Земля захватывает больше 200 млн. кг метеорного вещества. Десятая часть этой массы достигает поверхности в форме метеоритов и микрометеоритов. (Микрометеорит — это частица метеоритного вещества, которая настолько невелика, что теряет свою энергию еще до того, как она могла бы воспламениться в атмосфере Земли. Микрометеориты выпадают на Землю как дождь мельчайших пылевых частиц. Количество вещества, ежегодно выпадающего на Землю в такой форме, оценивается в 4 млн. кг. Размер частиц обычно меньше 120 мкм. Такие частицы удается собрать в ходе космических экспериментов, а железные частицы благодаря их магнитным свойствам могут быть обнаружены и на поверхности Земли.) Остальная часть сгорает в атмосфере, порождая метеорные следы.

Метеорное вещество обычно входит в атмосферу с огромной скоростью (около 15 км/сек). Нагреваясь от трения, частицы среднего размера испаряются, давая вспышку видимого света и оставляя кратковременный след ионизированного газа. Такие следы способны отражать радиолокационные сигналы, поэтому для обнаружения метеоров, которые слишком слабы для визуального наблюдения (а также метеоров, появляющихся при дневном свете), используются методы радиолокации.

Большая часть метеорного вещества в Солнечной системе обращается вокруг Солнца по определенным орбитам. Характеристики орбит метеорных роев могут быть рассчитаны по наблюдениям метеорных следов. Таким способом было показано, что многие метеорные рои имеют те же самые орбиты, что и известные кометы. Частицы могут быть распределены по всей орбите или сконцентрированы в отдельных скоплениях. Когда при своем движении по орбите Земля пересекает такой рой, в небе наблюдается метеорный поток. Эффект перспективы порождает оптическую иллюзию того, что метеоры, которые в действительности движутся по параллельным траекториям, кажутся исходящими из одной точки в небе, которую называют радиантом.

Множество метеоров, которые кажутся исходящими из одной точки в небе и наблюдаются в течение ограниченного периода (обычно несколько часов или дней). Метеорные потоки возникают, когда Земля при своем орбитальном движении пересекает метеорный рой. Метеорный рой — это протяженное скопление метеорного вещества на орбите вокруг Солнца. Многие метеорные рои, как известно, связаны с некоторыми кометами, двигаясь по тем же орбитам. Вещество может быть распределено по орбите равномерно или сконцентрировано в одном месте. В частности, молодой метеорный рой может долго оставаться с концентрированным около родительской кометы.

Известно множество ежегодных потоков, хотя только некоторые из них порождают метеорные дожди. Очень редко Земля сталкивается с особенно плотным роем частиц, и тогда может возникнуть исключительно сильный поток с десятками или сотнями метеоров каждую минуту. Обычно хороший регулярный поток дает около 50 метеоров в час.

Подавляющее большинство метеороидов принадлежит Солнечной системе. Это стало ясно, как только удалось по результатам наблюдений метеоров определить их орбиты. Подобно планетам, их спутникам, астероидам и многим кометам, метеороиды движутся в пространстве вокруг Солнца по замкнутым эллиптическим орбитам. В современных каталогах число гиперболических орбит метеороидов мало и достоверность их проблематична.

На основе многочисленных наблюдений и полуторовекового изучения сложилось правильное представление о том, что действие метеорных потоков обусловлено прохождением Земли через сгущения метеороидов, встречающихся на ее пути. Каждый метеорный рой состоит из множества метеороидов различных размеров, движущихся вокруг Солнца по почти параллельным путям. При этом поперечники роев могут достигать десятков миллионов километров. Метеорный поток и связанный с ним рой метеороидов называют по созвездию, в которым расположен радиант. Например, радиант Персеид находится в Персее, Ореонид – в Орионе, Геминид – в Близнецах (“Близнецы” по-латыни “Гемини”) и т.д.

Однако, метеороиды, объединенные в рои, составляют лишь малую долю межпланетного метеорного вещества. Подавляющее большинство твердых тел – от мельчайших пылинок и до валунов – составляют метеороиды спорадического фона. Вторгаясь в земную атмосферу, он порождают спорадические (случайные) метеоры. Метеороиды спорадического фона движутся вокруг Солнца в том же направлении, в котором движутся все планеты и астероиды (такое движение называют прямым). По той же причине подавляющее их большинство догоняет Землю, вторгается в ее атмосферу с малой относительно скоростью, порождая слабые метеоры, недоступные ни оптическим, ни радиолокационным средствам наблюдения. Исключения составляют массивные метеороиды, порождающие яркие метеоры и болиды, однако их доля в общем спорадическом балансе ничтожна.

Помимо роев и спорадического фона, обнаружено существование обширных групп слабо связанных друг с другом метеороидов, называемых метеорными ассоциациями. По внешним признакам ассоциации очень напоминают сильно разреженные метеорные рои и являются как бы промежуточными звеньями между роями и спорадическим фоном. Согласно современным представлениям спорадические метеороиды представляют собой продукт распада как комет, так и астероидов. Можно составить эволюционную цепочку: кометы – метеорный рой – ассоциации – спорадический фон.

Впрочем, метеорные рои могут являться не продуктами распада, а источниками образования кометных ядер, но некоторые принципиальные положения такой теории недостаточно обоснованны. А некоторые метеорные рои могут иметь астероидную природу. Но и этот вопрос требует детального исследования.

Наблюдения