Хвостопояси комет: Чому сонячне світло та сонячний вітер штовхають їх у різні боки

Дві хвости, дві абсолютно різні сили

Яскрава комета біля Сонця здається не має одного хвоста, а два, і вони утворені зовсім різними фізичними законами. Пилловий хвіст широкий, плавно викривлений та світиться лише відбиванням сонячного світла, тоді як іоновий хвіст вузький, майже прямолінійний, і світиться власним світлом від іонізованого газу. Обидва хвоста приблизно спрямовані від Сонця, що саме по собі є першою підказкою, що жоден з них не є простим слідом, який залишає позаду себе комета, як контрстрім утворюється за реактивним двигуном – хвости комет штовхаються, а не тягнуться.

Ядро кометы: місце народження хвосто́в

За межами Сонця ядро кометы — це просто темний, неактивний куля з льоду та пилу, який іноді називають «брудною кулею», діаметром лише кілька кілометрів. Коли воно наближається до Сонця, і сонячне нагрівання посилюється, заморожені речовини — переважно вода́, але також вуглекислий газ та монооксид вуглецю́ на більших відстанях — сублімують безпосередньо з твердого стану в газоподібне, вибиваючи пилові частинки. Цей розширений хмарний шар газу та пилу навколо ядра — це кома, і саме вона є джерельним матеріалом для обох хвосто́в; само по собі ядро занадто мале, щоб його було видно з Землі, але кома може бути більшою за Юпітер.

Пилловий хвіст: підштовхуваний самим сонячним світлом

Пиллові частинки, що виділяються в кометному пилюхову хмару, відчувають гравітацію Сонця, але також зазнають невеликого зовнішнього відштовхування від радіаційного тиску – імпульсу, що переноситься сонячним світлом, який є достатньо сильним для впливу на легкі частинки, які можуть бути ним підштовхнуті. Оскільки ця сила радіаційного тиску слабша за гравітацію, і кожна пилюкова частинка зберігає свою орбітальну швидкість у момент вивільнення, пиловий хвіст утворюється викривленим, просліджуючим плавний дугоподібний шлях позаду орбіти кометі – це факел частинок, кожна з яких незначно зміщена завдяки поєднанню сонячної гравітації, відштовхуючої сили та швидкості вивільнення.

dust grain net force (schematic), Sun at origin:

  F_total = F_gravity(toward Sun) + F_radiation(away from Sun)

  F_radiation / F_gravity depends on grain size:
    smaller grain -> more surface area per unit mass -> pushed harder
    larger grain  -> more inertia per unit surface   -> pushed less

result: dust of different sizes spreads into a curved fan,
each grain on its own slightly different orbit

Іонна хвіст: відштовхується сонячним вітром

Газові молекули в кометному пиловій хмарі, а не пил, втрачають електрони під дією ультрафіолетового випромінювання Сонця, перетворюючись на заряджені іони. Після того, як вони стають зарядженими, вони більше не можуть вільно плавно обертатися навколо своєї орбіти – вони прив’язуються до міжпланетного магнітного поля, яке виноситься сонячним вітром – постійним потоком заряджених частинок від Сонця. Сонячний вітер рухається радіально назовні від Сонця значно швидше, ніж рухається квітка через простір, тому він майже ідеально виводить іонізований газ майже прямо від Сонця, створюючи характерно тонкий, прямий іонний хвіст, часто забарвлений блакитним кольором через іонізований вуглецевий монооксид. Оскільки напрямок іонного хвоста визначається сонячним вітром, а не власною орбітою квітки, він може видимі варіюватися або навіть тимчасово відокреглюватися, коли квітка перетинає межу в міжпланетному магнітному полі.

Чому обидва хвости завжди віддалені від Сонця

У сукупності, причина того, що хвости комети ніколи не тягнуться позаду її напрямку руху, на відміну від контрілів літака, полягає в тому, що обидва сили, які їх формують – випромінювальний тиск на пил і магнітний сонячний вітер на іонах – походять від Сонця та спрямовані від нього, а не від траєкторії комети. Отже, комета, що віддаляється від Сонця, має свої хвости, які розходяться перед нею, ведучи вперед, а не слідуючи за нею – один із найбільш неочевидних і запам’ятовуваних фактів про те, як справді поводять себе комети.

Frequently asked questions

Спробуйте наживо

Усе, що вище, працює прямо у вашому браузері — відкрийте Comet Tail Formation і змінюйте параметри під час роботи. Нічого не встановлюється, нічого не завантажується на сервер, уся модель живе в одній вкладці.