Анализируя траектории метеорных дождей, можно оценить, насколько длиннопериодические кометы могут быть опасны во время следующих сближений с Землёй. Астрономы предложили методику, которая позволяет восстановить траекторию родительской кометы по параметрам её метеоритного потока. Для потоков от двух десятков известных длиннопериодических комет такая модель смогла предсказать положение кометы, а также скорость и направление её движения.
Кометы — небесные тела, движущиеся вокруг Солнца по более вытянутым орбитам, чем планеты. Их обычный состав — смесь пыли, газа и водяного льда. Большинство комет происходит из облака Оорта или пояса Койпера — отдалённых областей Солнечной системы, где сосредоточены ледяные тела. При взаимодействии объектов в этих областях некоторые из них могут направиться во внутреннюю часть Солнечной системы, превращаясь из глыб льда и камня в активные кометы.
Кометы разделяют на коротко- и длиннопериодические в зависимости от того, составляет ли период обращения кометы меньше или больше 200 лет. Долгопериодические кометы, у которых период обращения может достигать и нескольких тысяч лет, представляют особый интерес. Большинство из них удаётся обнаружить только когда они приближаются к перигелию — ближайшей к Солнцу точке орбиты. Те из них, чьи орбиты проходят вблизи земной орбиты, представляют потенциальную опасность. Вероятность их столкновения с Землёй очень маленькая, но такое столкновение бы стало катастрофическим — как падение крупного астероида, поэтому в рамках планетарной защиты такие варианты также необходимо просчитывать. Основная проблема здесь в том, что опасную комету удастся обнаружить слишком поздно, фактически на подлёте. Неплохо бы иметь в арсенале способы их обнаружения и расчёта траектории сильно заранее, например, за десятки или сотни лет до возможного столкновения.
Астрономы разработали новый подход к раннему обнаружению длиннопериодических комет. Такие кометы, проходящие возле земной орбиты, как правило, порождают достаточно плотные метеорные потоки, которые можно наблюдать с Земли в виде метеорных дождей. Этот рой частиц-метеороидов растягивается вдоль всей траектории кометы и близко повторяет очертания её орбиты. Заметные потоки порождаются кометами с периодами обращения меньше 4 тысяч лет. Иногда комету, породившую тот или иной метеорный поток, удаётся вычислить. Так, например, известны потоки, которые оставляет комета Галлея и некоторые другие крупные кометы. Бывает, что такую комету или астероид открывают уже постфактум, анализируя траекторию метеорного потока. Так случилось с ярким потоком декабрьских геминид (об этом потоке можно прочитать в отдельной статье). Такой подход можно распространить на ещё не идентифицированные метеорные потоки. Всего известно несколько сот потоков. Например, Международный астрономический союз (IAU) признаёт 110 подтверждённых и 823 ожидающих подтверждения дождей. В других каталогах можно найти другие цифры. Среди них насчитывается только 17 потоков с подтверждённой родительской длиннопериодической кометой.
Исследователи проанализировали 17 известных метеорных потоков, связанных с долгопериодическими кометами. На основе характеристик метеорных дождей, наблюдаемых с Земли, они создали модель «синтетических комет» — возможных положений родительских комет в пространстве. Далее сравнивали положение реальных комет в момент открытия, то есть в периоды, когда они проходили близко к Солнцу, с предсказаниями расчётных моделей. В большинстве случаев такие модели успешно предсказали положение реальных комет на небесной сфере. В среднем отклонение реального положения кометы от линии, проведённой через облако синтетических комет, составляло всего 1,51 ± 1,19 градусов. Также модели позволяли корректно определить направление полёта и скорость реальной кометы. Таким образом, эти известные кометы, владея подобным методом, можно было бы открыть за какое-то время до их сближения с Солнцем.
«Синтетическая комета» в терминологии авторов — это фиктивная комета, орбита которой совпадает с орбитой какого-либо из её наблюдаемых в виде метеорных дождей метеоритных обломков. Как мы уже знаем, осколки кометы вытягиваются вдоль её орбиты; в идеальном случае они должны бы точно повторить её траекторию. Но в силу разных причин включая взаимодействие с планетами и самой кометой, солнечный ветер и т. д. — её траекторию они повторяют только приблизительно, образуя рой близких орбит. Истинная траектория орбиты таким образом должна быть некоторой «усреднённой» траекторией по всем этим обломкам. Если для каждого из обломков мы вообразим свою «синтетическую комету», в точности повторяющую его траекторию, мы получим рой таких виртуальных комет, по которому можно собрать статистику, определив усреднением наиболее правдоподобные значения параметров орбиты настоящей кометы. На практике, однако, мы не отслеживаем каждый метеор. Вместо этого астрономы, наблюдающие за метеоритными дождями, располагают данными о статистике элементов орбиты роя метеоров. Из небесной механики известно, что траекторию космического тела можно описать несколькими параметрами (а именно, есть пять кеплеровых элементов орбиты), которые задают форму орбиты и её ориентацию в пространстве. Если бы орбиты были строго круговыми, то задача бы упрощалась — достаточно указать радиус орбиты и её ориентацию по отношению к выделенной плоскости, например (и это стандартный выбор) — по отношению к плоскости орбиты Земли, то есть плоскости эклиптики. Поскольку орбиты в общем случае представляют собой эллипсы, в фокусе которых находится Солнце, число требуемых параметров возрастает — требуется указать ещё эксцентриситет эллипса (его «вытянутость» по сравнению с окружностью) и, наконец, ориентацию главной оси эллипса — итого пять элементов орбиты. Тем более орбиты комет сильно вытянуты, поэтому без описания геометрии эллипса не обойтись. Для положения космического тела на орбите в конкретный момент времени нужен ещё шестой элемент — положение объекта на дуге, например, угловое расстояние вдоль орбиты от выбранной начальной точки. Понятно, что если нужна только траектория, этот шестой параметр (его в астрономии называют аномалия) нам без надобности. Планетологи указывают характеристики роя метеоров в виде разброса пяти кеплеровых элементов, к примеру, разброс наклонения (одного из пяти этих элементов) одного из метеоритных дождей i=79,5 ± 2,5, разброс длины большой полуоси у него же q=0,921 ± 0,016 и так далее. Используя параметры в этом допустимом диапазоне, и генерируется «облако» синтетических комет, каждая из которых имеет определённые параметры орбиты из этих пределов.
Далее, для каждой синтетической кометы и для облака в целом требуется задать поисковый участок на небе, где можно открыть реальную комету. Мы уже знаем, что нужно двигаться вдоль траектории, определяемой элементами орбиты. Ключевой момент метода — теперь мы определяем диапазон поиска вдоль траектории, выделяя область, в которой комету можно обнаружить в принципе. Возможность наблюдения определяется светимостью объекта (видимой звёздной величиной, или магнитудой). На сегодня порог обнаружения космических тел такого типа — звёздная величина около +22m. Чем комета дальше, тем блеск её меньше, и для открытия нужно подождать, пока она подлетит поближе и войдёт в диапазон обнаружения. Подробнее о звёздных величинах можно прочитать в других заметках, например, во вставке к этой статье. С введением в эксплуатацию в скором будущем телескопа LSST (обсерватории Веры Рубин) ожидается, что порог обнаружения сдвинется в сторону более тусклых объектов до магнитуды +25m. Другие обсерватории следующего поколения должны иметь сопоставимые технологические возможности. Поэтому поисковой район, «вычисляемый» по метеоритному дождю — это положение на траектории кометы на подлёте, в котором её видимая яркость находится в диапазоне между +25m и +22m. Участки, где комета ближе и ярче, выделять смысла нет, поскольку такую комету, скорее всего, откроют на уже действующем инструментарии. Но обнаружение в заданном поисковом регионе более тусклого объекта при условии, что LSST уже будет работать, обеспечит дополнительное время, если вдруг комета (маловероятно) будет представлять угрозу столкновения с Землёй. Для опробования метода на 17 метеорных потоках от известных длиннопериодических комет в качестве точки старта естественно было взять дату открытия соответствующей кометы и её положение на небе. После чего гипотетическую траекторию кометы, восстановленную по метеорному дождю, «отматывали» назад до момента, когда её яркость должна была бы уменьшиться до этого самого порога магнитуды +25m. В зависимости от собственной (абсолютной) яркости кометы такое раннее обнаружение даёт землянам фору от 12 лет для самых ярких комет до чуть более одного года в случае маленьких комет поперечником меньше километра.
На рисунке ниже представлены поисковые участки, вычисленные по облакам синтетических комет 17 метеорных потоков и реальное положение комет в момент обнаружения. В большинстве случаев, кроме одного, реальная комета попадает в поисковый диапазон, то есть её можно было бы открыть и таким методом. Точность прогноза расстояния комет от Солнца также оказалась высокой: для комет с известной абсолютной звёздной величиной ядра ошибка составила менее 1 астрономической единицы. Для одного из потоков, а именно, не самого известного метеорного дождя сигма-гидрид, связанного с кометой Нисимуры (на рисунке он не представлен), удалось даже превзойти «обычные» наблюдения: модель успешно определила положение кометы за восемь месяцев до её официального открытия. Этот довольно слабый поток метеоров известен с 1960-х годов и пересекает земную орбиту в начале декабря. Родительская (предположительно) комета, то есть C/2023 P1 (Нисимура), была открыта только в 2023 году.
На следующем этапе авторы методики попробуют использовать её для 247 метеорных дождей от длиннопериодических комет, для которых комета-прародительница ещё не открыта.