Почему у комет появляется хвост и всегда ли он направлен от Солнца

Хвост появляется у кометы, когда она приближается к Солнцу и начинает нагреваться. Лёд в её ядре превращается в газ, который уносит с поверхности пыль. Из этого вещества образуются обычно два хвоста — пылевой и ионный. Ионный хвост направлен почти строго от Солнца, а пылевой изгибается и может отклоняться от прямого направления. Иногда из-за особенностей наблюдения возникает даже «антихвост», который кажется направленным к Солнцу, хотя это оптический эффект.

Откуда у кометы берётся хвост

Далеко от Солнца комета выглядит совсем не так эффектно, как на фотографиях. Её основная часть — небольшое твёрдое ядро из льда, пыли и каменного материала.

Размер ядра обычно измеряется километрами. Например, некоторые известные ядра комет имеют размеры всего несколько километров.

Когда комета приближается к Солнцу, её поверхность нагревается. Лёд начинает сублимировать — переходить непосредственно из твёрдого состояния в газ, минуя жидкую фазу.

Газ вырывается наружу и захватывает частицы пыли. Вокруг ядра появляется огромное разреженное облако — кома. Она может достигать сотен тысяч километров в диаметре. И уже из вещества комы солнечное излучение и солнечный ветер формируют хвосты.

У кометы на самом деле может быть два хвоста

На хороших фотографиях ярких комет часто видны два разных хвоста.

Первый — пылевой. Обычно он выглядит белым, желтоватым или слегка золотистым и часто заметно изгибается.

Второй — ионный, или плазменный. Он обычно тоньше, прямее и может иметь голубоватый оттенок.

Эти хвосты состоят из разного вещества и формируются под действием разных сил. Поэтому они не обязаны совпадать по направлению и форме.

Как образуется пылевой хвост

Газ, выходящий из нагретого ядра, увлекает за собой мелкие твёрдые частицы.

После этого на них начинают действовать сразу две основные силы: гравитация Солнца и давление солнечного света.

Свет действительно способен оказывать давление на вещество. Для человека этот эффект практически незаметен, но для микроскопических пылинок в космосе он становится существенным.

Солнечное излучение постепенно отталкивает пыль от Солнца.

При этом частицы продолжают двигаться по собственным орбитам вокруг звезды. Более крупные и более мелкие пылинки реагируют на давление света по-разному.

Из-за этого пылевой хвост получается широким и изогнутым, а не прямой линией.

Почему ионный хвост почти прямой

Часть газа вокруг кометы под действием солнечного ультрафиолетового излучения теряет электроны и превращается в ионы.

Эти электрически заряженные частицы взаимодействуют с солнечным ветром — потоком заряженных частиц, постоянно идущим от Солнца.

В результате ионизированный газ быстро уносится в противоположную от Солнца сторону.

Поэтому плазменный хвост гораздо прямее пылевого и практически всегда ориентирован от Солнца. Его форма также зависит от магнитного поля, переносимого солнечным ветром.

Иногда ионный хвост может изгибаться, разрываться или даже временно отделяться от кометы при сильных изменениях солнечного ветра.

Почему хвост не обязательно находится позади кометы

Одна из самых распространённых ошибок — представлять комету как самолёт или автомобиль, за которым тянется след.

В космосе всё устроено иначе. Направление хвоста определяется прежде всего положением Солнца, а не направлением движения самой кометы.

Когда комета приближается к Солнцу, хвост действительно часто находится примерно позади неё.

Но после прохождения ближайшей к Солнцу точки комета начинает удаляться. Теперь она движется от Солнца — и хвост оказывается направленным практически вперёд по ходу её движения.

То есть комета может буквально лететь хвостом вперёд. Это хорошо показывает, что хвост не является обычным следом за движущимся телом.

Всегда ли хвост направлен точно от Солнца

Для ионного хвоста ответ почти однозначный: да, он направлен практически прямо от Солнца.

С пылевым хвостом ситуация сложнее. Солнечный свет тоже толкает пылинки от Солнца, поэтому в целом хвост ориентирован в противоположную от звезды сторону.

Но пыль сохраняет собственное орбитальное движение. Кроме того, частицы имеют разные размеры и покидают ядро в разное время.

Поэтому пылевой хвост изгибается и может располагаться под заметным углом к линии Солнце — комета. На длинной выдержке он нередко выглядит как широкий веер.

Почему иногда хвост будто направлен к Солнцу

У некоторых комет наблюдается особенно странное явление — антихвост.

На фотографии кажется, что из ядра выходит дополнительный хвост, направленный прямо в сторону Солнца. Законы физики при этом не нарушаются.

Антихвост состоит из сравнительно крупных пылевых частиц, распределённых вдоль орбиты кометы. Когда Земля оказывается близко к плоскости этой орбиты, мы видим широкое облако пыли почти с ребра.

Из-за перспективы часть пылевого следа проецируется на небо таким образом, будто выходит из кометы в сторону Солнца. На самом деле вещество не летит против давления солнечного излучения. Это геометрический эффект.

Подобный антихвост хорошо наблюдался, например, у кометы C/2022 E3 (ZTF) и кометы C/2023 A3 Цзыцзиньшань — ATLAS.

Почему хвост становится длиннее около Солнца

Чем сильнее нагревается ядро, тем активнее из него выходят газ и пыль. Поэтому при приближении к Солнцу комета может буквально преобразиться.

Далеко от звезды она выглядит как небольшой тусклый объект. Затем появляется кома, струи вещества и постепенно растущий хвост.

Хвосты крупных активных комет способны растягиваться на миллионы и даже десятки миллионов километров. У особенно ярких комет пылевая структура может достигать ещё больших масштабов.

При удалении от Солнца ядро снова охлаждается, выделение газа уменьшается, кома становится слабее, а хвост постепенно исчезает.

Комета при каждом пролёте теряет вещество

Появление хвоста означает, что комета постепенно разрушается. Газ и пыль, которые мы видим вокруг неё, раньше находились внутри или на поверхности ядра.

Каждое сближение с Солнцем уносит часть этого вещества. У небольших комет процесс может заметно менять даже вращение ядра. Например, струи газа у кометы 41P смогли чрезвычайно сильно изменить скорость её вращения.

Если комета многократно возвращается к Солнцу, запас наиболее доступных летучих веществ постепенно сокращается.

Поверхность может покрыться слоем пыли, активность ослабевает, а иногда ядро раскалывается на части или полностью разрушается.

Из чего состоит кометный газ

Основным летучим веществом многих комет является водяной лёд, но этим состав не ограничивается. В ядрах присутствуют углекислый газ, угарный газ и различные органические соединения.

Миссия «Розетта», исследовавшая комету 67P/Чурюмова — Герасименко, обнаружила в выбрасываемом веществе множество сложных молекул.

По мере нагревания разные вещества начинают активно переходить в газ при разных температурах. Поэтому кометная активность возможна даже довольно далеко от Солнца, где водяной лёд ещё испаряется сравнительно медленно.

Почему ионный хвост иногда голубой

Пылевой хвост светится в основном отражённым солнечным светом, поэтому обычно выглядит белым или желтоватым. Ионный хвост создаёт свет другим способом.

Газовые молекулы и атомы ионизируются солнечным излучением. Возбуждённые частицы затем испускают свет на определённых длинах волн.

Особенно заметен вклад ионов угарного газа CO⁺, благодаря которым плазменный хвост многих комет приобретает голубоватый оттенок.

Однако цвет зависит от состава кометы и условий наблюдения, а человеческий глаз обычно видит слабые кометы менее красочно, чем камера с длинной выдержкой.

Откуда вообще прилетают кометы

Многие короткопериодические кометы связаны с поясом Койпера и другими областями за орбитой Нептуна.

Долгопериодические кометы приходят значительно издалека — из огромной области, известной как облако Оорта.

Этот предполагаемый резервуар ледяных тел окружает Солнечную систему на колоссальных расстояниях. Гравитационные возмущения способны менять орбиты отдельных объектов и отправлять их к внутренним планетам.

Именно облако Оорта считается главным источником долгопериодических комет. Большую часть своей жизни такие тела проводят в глубоком холоде. Только после приближения к Солнцу они становятся яркими кометами с комой и хвостами.

Хвост помогает изучать не только комету, но и Солнце

Ионный хвост очень чувствителен к изменениям солнечного ветра. Когда к комете приходит возмущённый поток заряженных частиц или меняется межпланетное магнитное поле, структура хвоста может измениться буквально на глазах.

Он способен изгибаться, колебаться и временно разрываться. Поэтому кометы можно использовать как естественные «датчики» состояния солнечного ветра в разных областях Солнечной системы.

Получается, что один из самых красивых объектов ночного неба одновременно позволяет изучать процессы, происходящие между Солнцем и планетами.