Откуда берутся кометы и почему их орбиты не такие, как у планет

Вместо почти круговых, как у планет, орбиты комет чрезвычайно вытянуты. Почему это так?

Если вы посмотрите на движение планет в нашей Солнечной системе, то увидите почти круговые орбиты, а точнее — эллиптические с очень малым эксцентриситетом. Это было открыто еще 400 лет назад Иоганом Кеплером, который на основе анализа астрономических наблюдений Тихо Браге вывел три своих эмпирических закона, описывающих движение планет вокруг Солнца. Позднее Исаак Ньютон, при помощи открытого им закона всеобщего тяготения обосновал, почему орбиты планет имеют такую форму.

Но кометы, посещающие Солнечную систему, двигаются по очень вытянутым орбитам, похожим на параболу. Почему это так? Попробуем разобраться.

Но, вначале мы рассмотрим строение солнечной системы и ответим на вопрос: почему все объекты в ней движутся именно так — совершая обороты вокруг Солнца по почти круговым орбитам?

В нашей Солнечной системе имеется четыре внутренних, каменистых планеты — Меркурий, Венера, Земля и Марс, за пределами которых находится пояс астероидов, далее располагаются газовые планеты — Юпитер, Сатурн, Уран и Нептун со множеством своих спутников и колец, далее идет пояс Койпера. За поясом Койпера следует большой рассеянный диск, который переходит в сферическое облако Оорта, простирающееся на огромное расстояние: возможно, один или два световых года, почти на полпути к следующей звезде.

Чтобы быть на устойчивой орбите на определенном расстоянии от Солнца, согласно законам тяготения, каждый объект должен двигаться с определенной скоростью. В терминах физики это означает, что должен быть баланс между потенциальной энергией системы (в виде гравитационной потенциальной энергии) и энергией движения тела (кинетическая энергия). Чем ближе планета к Солнцу — тем больше сила гравитации и поэтому необходимо двигаться быстрее, чтобы иметь стабильную орбиту.

Вот почему, если посмотреть на средние скорости планет на их орбитах, то они такие:

Меркурий: 48 км/с,
Венера: 35 км/с,
Земля: 30 км/с,
Марс: 24 км/с,
Юпитер: 13 км/с,
Сатурн: 9.7 км/с,
Уран: 6.8 км/с,
Нептун: 5.4 км/с.

Из-за большой массы Солнца в сравнении с массами вращающихся вокруг него планет их орбиты близки к круговой, поскольку сами планеты находятся относительно далеко друг от друга и мало гравитационно взаимодействуют между собой.

Но есть и другие гравитационные взаимодействия, которые происходят в солнечной системе. Если астероид или объект из пояса Койпера проходят близко к большой массе, например Юпитеру или Нептуну, гравитационное взаимодействие с ними придает импульс движения. Они могут изменить свою скорость на значительную величину, вплоть до нескольких километров в секунду, практически в любом направлении. Подробнее об этом читайте в статье «Как при помощи гравитации «Вояджеры» покинули Солнечную систему».

Для астероида или кометы это может привести к тому, что его орбита переходит от примерно круговой к вытянутой эллиптической. Хорошим примером этого является орбита кометы Энке, которая, возможно, имеет свое происхождение из пояса астероидов.

Орбита кометы Энке.

С другой стороны, если объект (астероид или комета) находится очень далеко от Солнца, например, в поясе Койпера или облаке Оорта, он может двигаться со скоростью от 4 км/с (для внутреннего пояса Койпера) до нескольких сотен метров в секунду (для облака Оорта). Гравитационное взаимодействие с крупной планетой, подобной Нептуну, может изменить его орбиту в одном из двух направлений. Если Нептун забирает кинетическую энергию, то он направит тело во внутреннюю Солнечную систему, создав длиннопериодический эллипс, похожий на орбиту кометы Свифта–Таттла, которая вызывает метеоритный дождь Персеиды. Это будет эллипс, который едва ли гравитационно связан с Солнцем, но тем не менее это эллипс.

Орбита кометы Свифта–Таттла.

Но если Нептун или любое другое массивное небесное тело (мы все еще не знаем, что там есть во внешней Солнечной системе) дает дополнительную кинетическую энергию, то это может изменить орбиту кометы со связанной эллиптической на несвязанную гиперболическую (параболическая, между прочим, является несвязанной орбитой, которая находится между эллиптической и гиперболической). Например, комета ISON, которая в 2013 году распалась, приблизившись к Солнцу, была на гиперболической орбите.

Комета IOSON

Как правило, все кометы, происходящие из внешней Солнечной системы, имеют скорости, отличающиеся между связанными и несвязанными орбитами, в пределах нескольких км/с.

Поэтому им не нужно много энергии, чтобы войти во внутреннюю Солнечную систему. При очень малых скоростях они бы просто падали на Солнце под воздействием его гравитации. В принципе, все они рано или поздно так и сделают, как комета ISON.

Для очень отдаленных масс в нашей солнечной системе даже самое небольшое изменение их скорости может подтолкнуть к изменению орбиты с почти круговой до вытянутой к Солнцу параболической. Хотя эти гравитационные подталкивания от соседних объектов происходят в более или менее случайных направлениях, мы видим только те кометы, которые приближаются к Солнцу, при этом испуская хвосты и становясь достаточно яркими, чтобы их можно было заметить. Вот откуда берутся кометы.

По материалам : Why Don’t Comets Orbit The Same Way Planets Do?