После Ньютона кометные орбиты удалось наконец-то полностью объяснить, и новые исследования внешнего облика кометных хвостов и их направлений относительно уже хорошо изученных кометных орбит дали почву для по меньшей мере некоторых вполне уверенных рассуждений. Однако только после появления спектроскопии астрономы сумели лишь приступить к высказыванию хорошо обоснованных предположений о строении кометных ядер, самой сердцевине комет. Мы видели, как исследования направлений кометных хвостов, произведенные, например, Хофмейстером и Бирманом в 1940‐х гг., привели к синтезу теорий, связывающих кометы с солнечной короной посредством солнечного ветра, однако базовое знание о том, как осуществляется эта связь, стало доступно только во второй четверти минувшего столетия. На ранней стадии единственной справочной информацией было только описание внешнего вида, сопровождаемое периодическими вторжениями в него традиционных (и часто недостоверных) преданий, связанных с несуразностями прошлого. С появлением телескопов оказалось возможным увидеть следующее: когда кометы находятся недалеко от Солнца, они не только могут вырабатывать кому из газа или пыли (было не вполне ясно, что именно), но и их ярко выраженные хвосты становятся в этом случае наиболее сильными. Оказалось сложно опровергнуть всеобщее убеждение, будто хвосты комет представляют собой нечто вроде небесного фейерверка. (Греческое слово κομήτης подразумевает косматый вид типичного кометного хвоста. Есть определенная неоднозначность: слово «кома», образованное от того же греческого слова, используется сегодня исключительно для обозначения оболочки ядра.)

Вполне вероятно, что будет полезно начать с разбора нескольких простых, но заслуживающих упоминания неисторических положений, оглядываясь назад в прошлое. Хвост кометы состоит из двух главных компонентов. Один – это пыль, часто имеющая желтоватый оттенок, сдуваемая излучением, идущим от Солнца. Подчиняясь тем же законам движения, что и другие тела, притягивающиеся под действием гравитации, пыль движется позади головы, поскольку она источается вовне, и это придает хвосту некоторую кривизну. Как мы видели, Ньютон с величайшей тщательностью зарисовывал легкую искривленность, но и предыдущие наблюдатели тоже замечали ее. Другой компонент хвоста – это плазма ионизированных газов, часто имеющая голубоватый оттенок. Понимание различия между этими двумя компонентами пришло только во второй половине XX в. Современные исторические описания часто игнорируют это, когда говорят об «открытии» Апианом ориентации кометных хвостов в пространстве в направлении, противоположном Солнцу. Их подобное поведение является лишь грубым приближением, да и то только для первого компонента. Гораздо более сложно описать плазменный хвост, и несомненным фактом является возможное расположение различных хвостов по очень разным направлениям, это и служит причиной того, что кометы имеют такую причудливую форму – форму, изображаемую в виде распятий, мечей, молотов и тому подобного. Некоторые наполовину реальные, наполовину воображаемые зарисовки комет, сделанные Гевелием, показаны на ил. 213. Плазменный хвост может даже оторваться от комы. Еще одной причиной столь особенной формы комет бывает эффект, создаваемый пылью на пути своего следования, способной рассеивать солнечный свет самым неожиданным образом.

Дает ли знание о хвосте и об удаленных частицах кометы какую-нибудь информацию о ее ядре? Разве не очевидно, что оно формируется посредством аккреции подобных частиц? Но почему вообще частицы должны собираться вместе? Несколько ценных подсказок удалось получить после того, как Джованни Скиапарелли доказал существование связи между метеорными потоками и кометами. Как бы это забавно ни звучало, но даже когда аристотелевское представление о кометах как о чем-то, имеющем метеорологический характер, было целиком отвергнуто после исследования Тихо Браге о комете 1577 г., идея о том, что падающие звезды являются метеорологическими, легко воспламеняющимися парами, случайно вспыхивающими в нашей атмосфере, просуществовала до XVIII в. Об их космическом происхождении заявили Галлей и немецкий физик Эрнст Хладни. Согласно предположению, высказанному Хладни в 1794 г., космическое пространство заполнено атомами, которые выпадают на Землю под действием гравитации и воспламеняются в атмосфере от трения. Оно было полностью спекулятивно, но ученый посоветовал двум своим студентам из Гёттингенского университета Генриху В. Брандесу и Иоганну Ф. Бенценбергу исследовать высоты падающих звезд посредством одновременного наблюдения из удаленных мест. Скорее всего, они ничего не знали о том, что подобную процедуру предложил математик Абу Сахл ал-Кухи за восемь столетий до того, хотя в написанном им трактате его больше интересовала геометрия, а не натурфилософия. В 1798 г. два гёттингенских студента обнаружили, что метеоры становятся видимыми на средней высоте 97 километров и движутся с «планетными скоростями» порядка несколько километров в секунду; все это указывало на их происхождение, не связанное с земной атмосферой. На самом деле еще Эдмонд Галлей рассчитал, что необычайно яркий метеор 19 марта 1719 г. находился на высоте 60 миль (96 километров) и обладал скоростью 300 миль в минуту (8 километров в секунду). Несколько астрономов сделали подобные оценки в других случаях, но исследование Бенценберга – Брандеса отличалось большей основательностью.

Удивительно, но почти всеобщее неприятие этих результатов привело к тому, что даже Хладни на время потерял веру в них. Лаплас был весьма догматичен и настаивал: падающие звезды (метеоры) порождены материей, выброшенной огромными лунными вулканами. По всей видимости, исходно эта идея принадлежала Ольберсу, опубликовавшему ее в 1795 г. Популярная научная энциклопедия 1821 г., вышедшая под редакцией Э. Полехэмптона и Дж. М. Гуда, представляет собой полезный образец убеждений того времени. Посвятив метеорам, метеоритам и болидам семьдесят страниц, которые включали самые разные экспертные мнения, они выступили в поддержку вулканической гипотезы происхождения метеоритных камней, но не метеоров, «поскольку они с тем же успехом летят вверх, как и вниз». Авторы отдавали предпочтение электричеству или земным испарениям. Ситуация стала вдвойне драматичной, когда ночью и ранним утром 12 и 13 ноября 1833 г. один из наиболее зрелищных метеорных дождей, когда-либо случавшихся на Земле, привел в возбуждение и напугал население как Европы, так и Северной Америки, особенно на территории, протянувшейся от Галифакса (провинция Новая Шотландия) до Мексиканского залива (ил. 214). Согласно сделанным оценкам, общее количество увиденных метеоров составляло порядка четверти миллиона штук, но показательным было не количество световых полосок, а их особенности: казалось, что они испускаются одной и той же, более или менее точечной областью неба в созвездии Лев. Такие же особенности отмечались и при наблюдении предыдущих метеорных дождей, но без каких-либо ясных рассуждений, основывающихся на этом факте. Типичное распределение показано на ил. 215. В течение ночи эта точка, названная «радиантом», перемещалась вместе со звездами, и это служило доказательством того, что источник метеоров представляет собой точку, далеко выходящую за пределы земной атмосферы. На самом деле (вероятно, было трудно об этом догадаться), следы метеоров в пространстве параллельны друг другу, а не разлетаются подобно искрам взорвавшегося неподалеку фейерверка, как можно подумать; это легче уяснить, если представить серию длинных параллельных линий (как несколько прямых параллельных железнодорожных линий с находящимися над ними многочисленными и тоже параллельными им проводами). Если смотреть на них продольно, находясь на одном из концов, будет казаться, что они исходят из одной далекой точки, но это лишь свойство линейной перспективы. Теперь легче понять, почему многие свидетели, судя по резюме глав энциклопедии 1821 г., могли утверждать, будто «они с тем же успехом летят вверх, как и вниз».

Возрождение интереса к метеорам побудило астрономов к поиску старинных манускриптов и печатных источников для определения времени и обстоятельств появления метеорных дождей, и не без успеха. Как и ожидалось, удалось обнаружить выделенные участки неба, а также более или менее одинаковые календарные даты. Это, очевидно, свидетельствовало о наличии связи каждого семейства метеоров с определенным участком земной орбиты, который, предположительно, пересекается с кольцом некоего пояса частиц, сгорающих в виде метеоров в момент вхождения в земную атмосферу. Леониды, названные так из‐за того, что их радиант находится в созвездии Лев, всегда появлялись в ночь с 12 на 13 ноября или в следующую ночь. Поиск исторических данных привел астрономов к изучению периодичности этих зрелищ. Один в высшей степени важный результат стал известен после метеорного дождя Леонид 1886 г. Это было не менее впечатляющее зрелище: в Европе на пике активности дождя количество метеоров составляло по самой заниженной оценке не менее тысячи в час. Хьюберта Ньютона нельзя назвать пионером в изучении периодичностей метеоров, но он был гораздо точнее остальных, и это позволило ему прийти к выводу: ноябрьские метеоры исходят от чего-то, что обращается вокруг Солнца с периодом 33,27 года и движется по эллиптической орбите, простирающейся от Земли до Урана. Он корректно предсказал повторение явления в ноябре 1899 г., однако людей, надеявшихся на грандиозное фейерверк-представление в этом году, ждало разочарование. После того как удалось выявить периодичность других метеорных потоков, к заметному прогрессу в понимании их природы привела возможность заранее предупреждать целое сообщество заинтересованных групп (многие из которых – любительские), получивших таким образом возможность подготовки к наблюдениям.

Джованни Скиапарелли, выпускник Туринского университета, поработал в Берлинской и Пулковской обсерваториях, а затем в 1860 г. вернулся в Италию и обосновался в Брерской обсерватории в Милане. В 1860‐х гг. он посвятил много времени анализу новых и старых данных, имеющих отношение к природе метеоров. Он кратко изложил свои находки в письмах к Анджело Секки, который их опубликовал. В этих письмах Скиапарелли поставил на обсуждение одну оставшуюся незамеченной работу, где показывалось, что августовские метеоры (известные как Персеиды, поскольку их радиант находится в созвездии Персей) движутся по той же самой орбите, что и яркая комета 1862 г. (Эта комета известна под именем кометы Свифта – Туттла; ее открыл Льюис Свифт 16 июля 1862 г. и, три дня спустя, независимо от него, Хорас Парнелл Туттл. Вскоре после этого открытия Туттл покинул Гарвард, чтобы принять участие в гражданской войне, получив некоторую известность в качестве отважного бойца, но еще большую – в качестве растратчика военных резервов.)

С метеорами и метеоритной материей в целом случилось то же самое, что и с кометами после того, как Тихо Браге придал им астрономический статус – эти два класса, как было признано, отличаются только размером частиц. Будучи захваченными догадкой Скиапарелли, несколько астрономов приступили к работе по установлению соотношений между максимальным числом метеорных потоков и всеми известными на тот момент рассчитанными кометными орбитами. Работа оказалась невероятно успешной и привела к многочисленным отождествлениям. В это же время некоторые астрономы вновь обратились к истории для того, чтобы поискать имена тех (главным образом среди соотечественников), кто предвосхитил великое открытие Скиапарелли. Это говорит нам очень многое об уровне возбуждения, порожденного данным открытием. Были представлены имена Кеплера, Маскелайна, Хладни, Морштадта и Кирквуда. Они и в самом деле находились в одном шаге от открытия, но именно Скиапарелли полностью просчитал совпадение и рационально обосновал его.

Леониды, наиболее известные из всех метеорных потоков, проявляли высочайшую активность в 1799, 1833, 1866 и 1966 гг. Другими хорошо известными потоками являются Персеиды (наивысшая активность в 1861, 1862, 1990 гг.), Лириды (1982), Урсиды (1795, 1945, 1986), Дракониды (1933, 1946) и Андромедиды (1872, 1885).

Хотя Скиапарелли и не удалось объединить старые проблемы состава комет и метеоров, астрономы были все еще далеки от окончательного решения. Действительно ли метеориты (иногда называемые аэролитами) появляются в результате тех же причин, что и метеоры? Метеориты – тела, упавшие на землю, некоторые из них отличались огромными размерами и часто становились причиной огромных разрушений. Найденные, как правило, бережно хранились, и в течение долгого времени считалось, что все известные образцы имеют похожий внешний вид и часто содержат много железа. Химический анализ, выполненный в первое десятилетие XIX в., показал также содержание никеля, оксида железа, серы, кремнезема, магния и марганца. До того как Скиапарелли снял чары, все еще находились люди, предпочитавшие верить в то, что такой коктейль веществ действительно образовался в атмосфере. Теперь возникла необходимость углубиться в этот вопрос.

Возможно ли найти эти вещества в кометах? В 1864 г. Джованни Баттиста Донати наблюдал спектр атмосферы кометы, которая сегодня называется кометой Темпеля (1864 II). Он обнаружил три яркие полосы – желтую, зеленую и голубую – с темными областями между ними. Это послужило первым доказательством того, что свет комет не является (по широко распространенному в то время мнению) полностью отраженным солнечным светом, но частично представляет собой свет самосветящегося газа (позже удалось зарегистрировать и слабые компоненты непрерывного солнечного спектра). Сам Донати ограничился замечанием, что увиденное им имеет некоторое сходство со спектрами металлов. Это, как известно сегодня, в основном переизлучение солнечного ультрафиолетового света, поглощенного атомами и молекулами кометы. Их колебательные и вращательные движения дают начало сотням линий, образующих полосы первоначально наблюденного света.

Между 1868 и 1880 гг. были проанализированы спектры восемнадцати комет, которые выявили в каждом случае признаки присутствия углеводородов. Затем, в 1881 г., Жансен, Хёггинс и Дрэпер независимо друг от друга сфотографировали спектр кометы, появившейся в том году, получив тот же самый результат (ил. 216 и 217). Линии металлов также были обнаружены, особенно железа, равно как и линии нестабильной формы (CN) ядовитого газа циана (C₂N₂). Знание об этом факте, распространившееся по всему миру в 1906 г. благодаря роману Г. Дж. Уэллса «В дни кометы», заставило многих не выходить из дома во время повторного появления в 1910 г. кометы Галлея. Хокерс получил крупную прибыль, торгуя «пилюлями от комет» для нейтрализации предполагаемой опасности.

Изучение кометных форм (голов, хвостов и их изгиба) постепенно уступило первое место спектроскопическим исследованиям, хотя они продолжали преподносить много сюрпризов в XX в., в частности в понимании двух различных типов кометных хвостов: хвосты I типа светят исключительно благодаря флуоресценции ионизированных атомов, а хвосты II типа – солнечным светом, отраженным от измельченных твердых фракций. Положительный заряд ионов в хвостах I типа приводит к появлению силы отталкивания, тысячекратно превышающей гравитационное притяжение частиц Солнцем. Понимание этого пришло только в середине XX в., но это был образчик полузабытой теории, восходящей к началу XIX в. Уже в 1812 г. Ольберс выдвинул предположение, что кометные хвосты состоят из частиц, подвергающихся электрическому отталкиванию от Солнца. Эта идея никоим образом не была отвергнута. Ее подхватил Бессель в Кенигсберге, У. А. Нортон в Йеле, К. Ф. Папе в Альтоне, Федор Александрович Бредихин в Москве и Иоганн Карл Цёлльнер в Лейпциге, каждый из которых старался разработать математически строгую теорию. Вклад Бредихина особенно ценен и неожиданно современен по своему характеру. Он проанализировал большое количество комет, самостоятельно занимаясь непосредственным изучением спектров многих их голов и хвостов. Теоретизируя по поводу солнечного электрического отталкивания, он постулировал в 1877 г. существование трех типов комет. К 1879 г. он провел различие между ними на основании их строения: он предполагал, что в его I типе преобладали углеводороды; во II типе, по его мнению, были в основном легкие металлы, такие как натрий; а в III типе – молекулы железа. Сила отталкивания, как он сначала полагал, является одной и той же для всех типов, но к 1885 г., с учетом исследования сорока вариантов, он провел дифференциацию между типами, основываясь на отношении силы отталкивания к силе гравитационного притяжения: для типа I оно составляло порядка 14, для типа II – около 1,1, а для типа III – около 0,1. Каждому типу соответствовала различная кривизна хвоста.

Сначала эти идеи были скорее отклонены многими астрономами, чем приняты ими. I тип, как находили некоторые, трудно согласуется с открытиями, сделанными с помощью спектроскопа; другие предпочитали объяснения в духе жароотталкивания; а третьи рассматривали кометные хвосты как нематериальные электрические разряды в космосе. Зарисовка кометы Донати (1858 VI) очень ясно демонстрирует сосуществование трех различных хвостов (ил. 218), что прекрасно укладывается в теорию Бредихина. Первый хвост кометы, открытой 2 июня в созвездии Лев, начал появляться в середине августа, ее тройной хвост наблюдался около середины сентября. Ядро кометы было также сложным и временами походило на горелку в виде крыльев летучей мыши. Ни одна другая комета не изучалась ранее астрономами всего мира столь же интенсивно, Джордж Бонд из обсерватории Гарвардского колледжа был одним из наиболее добросовестных исследователей. Собранные данные оказались полезны и в более поздние времена; на тот момент утверждение Бонда, что ее свет является отраженным солнечным светом, считалось общепринятым. Спустя четыре года Донати открыл новую ступень в понимании кометного света и, как говорилось ранее, обнаружил компонент несолнечного света, в силу чего выводы Бонда стали нуждаться в уточнении.

Спектроскопия привнесла в астрономию некий небесный вид химии, но идентификация спектральных линий оказалась более сложной задачей, чем об этом думали вначале. Относительная интенсивность кометных линий часто радикальным образом отличалась от того, что обнаруживалось в лаборатории. Само положение линий, полученных от одной и той же кометы, могло меняться со временем. В 1941 г. бельгийский астроном Поль Свингс существенно усовершенствовал методы, используемые для интерпретации кометных спектров, приняв во внимание доплеровские смещения в солнечном излучении, которое возбуждает линии в кометном спектре. Еще один этап в анализе кометных спектров бы пройден в 1957 г., когда Свингс и Джесси Л. Гринстейн, работающий в Паломарской обсерватории, получили спектрограммы высокого разрешения кометы Мркоса (1957 V). Ученые обнаружили в них запрещенные линии нейтрального кислорода, линии, которые ранее нашли в солнечной короне и в туманностях, что требует наличия крайне разреженной среды. В послевоенный период этот список постепенно пополнялся и другими свойствами комет. Расходы на астрономию начинали медленно восстанавливаться, особенно в Соединенных Штатах, хотя, как правило, астрономия Солнечной системы повсюду оставалась недооцененной и выглядела не столь впечатляюще в сравнении с теориями крупномасштабной Вселенной. Возрождение астрономии Солнечной системы наступило с открытием новых технических приемов. Обзаведясь инструментами, люди проявляли склонность найти им полезное применение. К изучению природы пылевых частиц прибавилось изучение их размеров – в большинстве случаев не более нескольких микрон. Эта последняя работа велась главным образом в инфракрасных длинах волн. Наблюдение комет в инфракрасном диапазоне провел Карл О. Лампланд в обсерватории Лоуэлла уже в 1927 г., но их потенциал не был использован вплоть до работы Эрика Беклина и Джеймса Уэстфала, начавшейся в 1965 г. Кроме того, с попыткой пронаблюдать комету Аренда-Ролана (1957 III) на длинах волн 21 сантиметр, 50 сантиметров и 11 метров начались наблюдения комет в радиодиапазоне. Первую документированную регистрацию радиоизлучения молекул в комете (метил-цианид, CH₃CN) осуществили Бобби Л. Юлих и Эдуард К. Конклин в Грин-Бэнке, Западная Виргиния, в декабре 1973 г.; за ней быстро последовали другие. Астрономия Солнечной системы вернулась к жизни, и все более очевидным становилось то, что она затрагивает в том числе космологические вопросы.

Исследование физического строения комет также вступило в новую фазу в послевоенный период. В течение многих лет кометные ядра рассматривались как скопления мелких частиц, движущихся совместно в одном направлении. Так же думал Реймонд А. Литтлтон, когда предлагал свою модель «песчаной банки». Литтлтон и Фред Хойл познакомились в Кембридже в 1931 г. и после этого написали серию статей на эту и другие темы, оказавших заметное влияние. Некоторые из них касались внутреннего строения звезд, а другие – гравитационной аккреции межзвездного вещества звездами, что являлось пионерскими исследованиями в области взаимодействия между звездами и межзвездной средой. Начиная с 1949 г. они стали использовать опыт, который приобрели в ходе этих ранних исследований, для объяснения кометной аккреции. Теория песчаной банки была основана на идее, что Солнце, проходя сквозь облако газа и пыли, увлекает за собой обе эти фракции гравитационным притяжением. Потоки газа и пыли, как они полагали, могли в итоге слиться воедино, смешаться и сформировать кометное ядро.

Эта теория породила горячие споры, поскольку указывалось на все большее и большее количество ее недостатков. Одна из ее серьезных ошибок заключалась в том, что теория не предлагала никакого источника колоссальной утечки газа в космическое пространство, необходимого для этого процесса. В течение одного-двух лет она утратила популярность, уступив место более правдоподобному взгляду на природу кометного вещества и образования комет – «теорию грязного снежка». Одной из подсказок, приведших к такому выводу, было существование радикала OH в головах комет и положительного иона OH+ в их хвостах. Свингс и другие предположили, что радикал OH мог образоваться из воды, исходной молекулы, имеющей очень слабый спектр. Дополнительным аргументом казалось возможное присутствие в них столь же устойчивых (но также все еще не зарегистрированных) молекул метана, аммиака и двуокиси углерода. На этом этапе, в конце 1940‐х гг., Фред Уиппл из Смитсоновской астрофизической обсерватории и Гарварда сформулировал теорию кометных ядер, представляющих собой массивные ледяные глыбы с вкраплениями пыли и метеоритных частиц. Находясь в состоянии спячки на больших расстояниях от Солнца, они теряют молекулы в результате испарения, находясь в непосредственной близости от него, со скоростью порядка 300 метров в секунду – достаточной для того, чтобы унести с собой зерна твердых пород. Газ, частицы твердого вещества, а также теория объясняли долговечность комет, способных оставаться активными в течение сотен оборотов вокруг Солнца – эти достоинства были очень впечатляющими, но возможно ли доказать эту теорию?

Одним из подходов к доказательству стала проверка некоторых следствий из базовой идеи. Одно из таких следствий: солнечный свет, падающий на ледяное ядро, будет действовать активнее на стороне, ближайшей к Солнцу, и поэтому он порождает эффект реактивной струи, отталкивая комету от Солнца. Однако если комета вращается, направление будет другим. Точно так же как в случае Земли, комета будет проходить суточный цикл изменения температуры с самой высокой температурой спустя час или около того после полудня. Если комета вращается в том же направлении, как и Земля, реактивная сила будет направлена под углом к линии, соединяющей ее с Солнцем, и будет подталкивать ее вперед по орбите, увеличивая период ее обращения вокруг Солнца. Уиппл исследовал комету Энке, вращающуюся обратным движением и, как известно, обладающую уменьшающимся орбитальным периодом. Это теория могла объяснить, и когда в модель подставили численные данные, получившиеся результаты оказались даже еще более воодушевляющими. Вскоре выяснилось, что теория хорошо согласуется с известными движениями других комет, и была сделана одна весьма удивительная находка: количество комет, вращающихся прямым и обратным движением, оказалось примерно равным друг другу. Теория могла объяснить потоки метеоров как продукты распада больших фрагментов исходного тела; она могла объяснить и приливные силы, испытываемые кометами, когда они находятся близко к Солнцу – силы, которые способны расколоть комету на несколько частей. (Например, близко подходящая к Солнцу комета 1882 II состоит из четырех частей.)

Модель грязного снежка быстро приняли большинство астрономов, хотя она и создала множество проблем. Когда, где и как возникают кометы? Голландский астроном Ян Оорт отдавал предпочтение совместному с астероидами происхождению во внутренней части Солнечной системы. Низкие температуры, необходимые для того, чтобы заморозить воду, аммиак и двуокись углерода говорят, как утверждали другие, в пользу внешних пределов Солнечной системы, откуда они могут попасть в облако Эпика – Оорта, с которым мы вскоре познакомимся. Для решения этой и других более мелких проблем, очевидно, потребовались новые методы сбора данных. Они пришли вместе с космической эрой, и мы коснемся их в главе 19.