Halleyova kométa. Obrazový kredit: MPAE. Klikni na zväčšenie.
Ako profesor Emerita z inštitútu Maxa Plancka má Dr. Kissel celoživotnú oddanosť štúdiu komét. „Začiatkom 20. storočia viedli chvosty komét k postulácii a neskôr k detekcii„ slnečného vetra “, ktorý prúdil zo slnka neustále ionizované atómy. Keď sa astronomické pozorovania stali silnejšími, bolo možné identifikovať stále viac a viac zložiek, ako pevné častice, tak plynné molekuly, neutrálne a ionizované. ““ Ako sa naše techniky štúdia týchto návštevníkov vonkajšej slnečnej sústavy stali rafinovanejšími, majú aj naše teórie toho, z čoho by mohli pozostávať - a ako vyzerajú. Kissel hovorí: „Mnoho modelov bolo navrhnutých na popis dynamického vzhľadu kométy, z ktorej Fred Whipple bol zrejme najsľubnejší. Postuloval jadro tvorené vodou a ľadom a prachom. Pod vplyvom slnka by vodná ľadová voda vzpriamila a urýchlila prachové častice na svojej ceste. “
Stále to bolo tajomstvo - tajomstvo, ktoré veda túži vyriešiť. "Až kým Halley nebolo známe, že mnoho komét je súčasťou našej slnečnej sústavy a obieha okolo Slnka rovnako ako planéty, len na iných obežných dráhach as dodatočnými účinkami v dôsledku emisií materiálov." komentáre Kissel. Ale len tým, že sme sa dostali ku kométe bližšie a osobnejšie, sa nám podarilo objaviť oveľa viac. Po návrate Halleyho do našej vnútornej slnečnej sústavy boli naplánované plány na chytenie kométy a jej meno bolo Giotto.
Giottovo poslanie bolo získavať farebné fotografie jadra, určovať elementárne a izotopické zloženie prchavých zložiek v kometárnom kóme, študovať materské molekuly a pomáhať nám pochopiť fyzikálne a chemické procesy, ktoré sa vyskytujú v kometárnej atmosfére a ionosfére. Giotto by ako prvý skúmal makroskopické systémy plazmových tokov, ktoré sú výsledkom interakcie kometárneho a slnečného vetra. Vysoko na zozname priorít bolo meranie rýchlosti výroby plynu a určovanie elementárneho a izotopického zloženia prachových častíc. Kritické pre vedecké skúmanie bol tok prachu - jeho veľkosť a rozloženie hmoty a zásadný pomer prachu a plynu. Keď palubné kamery zobrazovali jadro z 596 km ďaleko - určovali jeho tvar a veľkosť - sledovali tiež štruktúry v prachovom kóme a študovali plyn s neutrálnymi aj iónovými hmotnostnými spektrometrmi. Ako vedci predpokladali, misia v Giotte zistila, že plyn je prevažne voda, ale obsahoval oxid uhoľnatý, oxid uhličitý, rôzne uhľovodíky, ako aj stopu železa a sodíka.
Ako vedúci tímu v tíme pre misiu Giotto si Dr. Kissel pripomína: „Keď prišli prvé misie zblízka kométy 1P / Halley, jadro bolo jasne identifikované v roku 1986. Bolo to tiež prvýkrát, čo prachové častice, kométa uvoľnené plyny sa analyzovali in situ, tj bez zásahov spôsobených ľudskou činnosťou ani bez dopravy späť na zem. “ Bol to vzrušujúci čas v kometárnom výskume. Prostredníctvom Giottovho prístrojového vybavenia mohli vedci ako Kissel teraz študovať údaje ako nikdy predtým. „Tieto prvé analýzy ukázali, že častice sú intímnou zmesou organického materiálu s vysokou hmotnosťou a veľmi malými prachovými časticami. Najväčším prekvapením bolo určite veľmi tmavé jadro (odrážajúce iba 5% svetla, ktoré naň svietilo) a množstvo a zložitosť organického materiálu. “
Bola však kométa skutočne niečo viac alebo len špinavá snehová guľa? "Až do dnešného dňa podľa mojich vedomostí neexistuje žiadne meranie, ktoré by preukázalo existenciu tuhého vodného ľadu vystaveného na kometárnej ploche." hovorí Kissel: „Zistili sme však, že voda (H2O) ako plyn sa môže uvoľňovať chemickými reakciami, ktoré prebiehajú, keď je kométa stále viac zahrievaná slnkom. Dôvodom môže byť „latentné teplo“, t. J. Energia uložená vo veľmi studenom kometárnom materiáli, ktorý energiu získal intenzívnym kozmickým žiarením, zatiaľ čo prach prešiel cez medzihviezdny priestor prerušením väzby. Veľmi blízko k modelu, o ktorý sa už roky staral J. Mayo Greenberg. “
Teraz vieme, že kométa Halley pozostávala z najprimitívnejšieho materiálu, ktorý je nám známy v slnečnej sústave. S výnimkou dusíka boli uvedené svetelné prvky v hojnosti podobné ako u nášho Slnka. Niekoľko tisíc prachových častíc bolo určených ako vodík, uhlík, dusík, kyslík - rovnako ako minerálne formujúce prvky, ako napríklad sodík, horčík, kremík, vápnik a železo. Pretože ľahšie elementy boli objavené ďaleko od jadra, vedeli sme, že to nie sú častice ľadovej komety. Z našich štúdií chémie medzihviezdnych plynov obklopujúcich hviezdy sme sa dozvedeli, ako molekuly uhlíkového reťazca reagujú na prvky ako dusík, kyslík a vo veľmi malej časti na vodík. V extrémnom chlade vesmíru môžu polymerizovať - meniť molekulárne usporiadanie týchto zlúčenín za vzniku nových. Mali by rovnaké percentuálne zloženie ako pôvodné, ale mali väčšiu molekulovú hmotnosť a rôzne vlastnosti. Aké sú však tieto vlastnosti?
Vďaka niektorým veľmi presným informáciám z blízkeho stretnutia sondy s kométou Halley, Ranjan Gupta z Medziuniverzitného centra astronómie a astrofyziky (IUCAA) a jeho kolegovia urobili niekoľko veľmi zaujímavých zistení týkajúcich sa zloženia prachového prachu a vlastností rozptylu. Od začiatku misií pre kométy boli „prelety“, všetok zachytený materiál bol analyzovaný in situ. Tento typ analýzy ukázal, že kometárne materiály sú všeobecne zmesou kremičitanov a uhlíka v amorfnej a kryštalickej štruktúre vytvorenej v matrici. Akonáhle sa voda odparí, veľkosť týchto zŕn sa pohybuje v rozmedzí od mikrometrov do mikrónov a sú svojou povahou vysoko porézne - obsahujú sférické a nepravidelné tvary.
Podľa Gupty bola väčšina skorých modelov rozptylu svetla z takýchto zŕn „založená na pevných guľách s konvenčnou teóriou Mie a iba v posledných rokoch - keď vesmírne misie poskytli silné dôkazy proti tomuto - boli vyvinuté nové modely tam, kde nie sú - na reprodukciu pozorovaného fenoménu sa použili sférické a porézne zrná. “ V tomto prípade je kométa spôsobená lineárnou polarizáciou z dopadajúceho slnečného svetla. Obmedzený na rovinu - smer, z ktorého je rozptýlené svetlo - sa mení podľa polohy, keď sa kométa blíži alebo ustúpi od Slnka. Ako vysvetľuje Gupta, „Dôležitým znakom tejto polarizačnej krivky v porovnaní s uhlom rozptylu (vztiahnutým na geometriu kométa Slnko-Zem) je, že existuje určitý stupeň negatívnej polarizácie.“
Táto negativita, známa ako „spätný rozptyl“, sa vyskytuje pri monitorovaní jednej vlnovej dĺžky - monochromatického svetla. Algoritmus Mie modeluje všetky akceptované procesy rozptylu spôsobené sférickým tvarom, pričom zohľadňuje vonkajšie odrazy, viacnásobné vnútorné odrazy, priepustnosť a povrchové vlny. Táto intenzita rozptýleného svetla funguje ako funkcia uhla, kde 0? znamená rozptyl vpred, smerom od pôvodného smeru svetla, zatiaľ čo 180? znamená rozptyl späť - zadné ocenenie zdroja svetla.
Podľa Gupty je „spätný rozptyl viditeľný vo väčšine komét všeobecne vo viditeľných pásmach a pri niektorých kométach v pásmach blízkej infračervenej oblasti (NIR).“ V súčasnosti majú modely, ktoré sa pokúšajú reprodukovať tento aspekt negatívnej polarizácie pri vysokých uhloch rozptylu, veľmi obmedzený úspech.
V ich štúdii sa použil modifikovaný DDA (diskrétna aproximácia dipólov) - kde sa každé prachové zrno považuje za pole dipólov. Veľké množstvo molekúl môže obsahovať väzby, ktoré sú medzi extrémmi iónových a kovalentných. Tento rozdiel medzi elektronegativitami atómov v molekulách je dostatočný na to, aby elektróny nezdieľali rovnomerne - ale sú dosť malé na to, aby elektróny nepriťahovali iba jeden z atómov, aby vytvorili pozitívne a negatívne ióny. Tento typ väzby v molekulách je známy ako polárny. pretože má pozitívne a negatívne konce - alebo póly - a molekuly majú dvojpólový moment.
Tieto dipóly vzájomne interagujú a vytvárajú efekty rozptylu svetla, ako je vyhynutie - sféry väčšie ako vlnová dĺžka svetla blokujú monochromatické a biele svetlo a polarizáciu - rozptyl vlny prichádzajúceho svetla. Pri použití modelu zložených zŕn s matricou grafitu a silikátových sféroidov môže byť na vysvetlenie pozorovaných vlastností v kometárnom prachu potrebný veľmi špecifický rozsah veľkosti zŕn. „Náš model však nedokáže reprodukovať negatívnu vetvu polarizácie, ktorá je pozorovaná v niektorých kométach. Nie všetky kométy ukazujú tento jav v pásme NIR 2,2 mikrónov. “
Tieto modely kompozitných zŕn vyvinuté Guptom a kol .; bude potrebné ďalej spresniť vysvetlenie negatívnej polarizačnej vetvy, ako aj množstva polarizácie pri rôznych vlnových dĺžkach. V tomto prípade ide o farebný efekt s vyššou polarizáciou v červenom ako zelenom svetle. Pripravujú sa rozsiahlejšie laboratórne simulácie kompozitných zŕn a „Štúdium ich vlastností rozptylu svetla pomôže pri vylepšovaní takýchto modelov.“
Úspešné začiatky Mankindu pri sledovaní tejto stopy kométového prachu sa začali Halleym. Vega 1, Vega 2 a Giotto poskytli modely potrebné na lepšie výskumné vybavenie. V máji 2000, Drs. Franz R. Krueger a Jochen Kissel z inštitútu Maxa Plancka publikovali svoje zistenia ako „Prvá priama chemická analýza medzihviezdneho prachu“. Kissel hovorí: „Tri z našich prachových nárazových hmotnostných spektrometrov (PIA na palube GIOTTO a PUMA-1 a -2 na palube VEGA-1 a -2) sa stretli s Comet Halley. S tými sme dokázali určiť základné zloženie kometárneho prachu. Molekulárne informácie však boli iba okrajové. “ Blízke stretnutie spoločnosti Deep Space 1 s kométou Borrelly prinieslo najlepšie obrázky a doteraz získané vedecké údaje. V tíme Borelly Dr. Kissel odpovedá: „Posledná misia v Borrelly (a STARDUST) ukázala fascinujúce detaily povrchu kométy, ako sú strmé 200 metrov vysoké svahy a veže asi 20 metrov vysoké a 200 metrov vysoké.“
Napriek mnohým problémom misie sa Deep Space 1 ukázal ako celkom úspešný. Podľa denníka misie Dr. Marka Raymana z 18. decembra 2001: „Množstvo vedeckých a technických údajov vrátených touto misiou sa bude analyzovať a používať v nasledujúcich rokoch. Testovanie vysoko rizikových vyspelých technológií znamená, že veľa dôležitých budúcich misií, ktoré by inak boli v súčasnosti nedostupné alebo dokonca nemožné, je teraz v našich rukách. A ako všetci makroskopickí čitatelia vedia, bohatá vedecká úroda z kométy Borrelly poskytuje vedcom fascinujúce nové pohľady na týchto dôležitých členov rodiny slnečných systémov. ““
Teraz Stardust urobil naše vyšetrovania len o krok ďalej. Zozbierajúc tieto primitívne častice z kométy Wild 2, prachové zrná sa bezpečne uložia do aerogélu na štúdium po návrate sondy. Donald Brownlee z NASA hovorí: „Prach z kométy bude tiež študovaný v reálnom čase pomocou hmotnostného spektrometra počas letu odvodeného z nástroja PIA, ktorý je prenášaný na kométu Halley pri misii Giotto. Tento prístroj poskytne údaje o materiáloch organických častíc, ktoré nemusia prežiť zachytenie aerogélu, a poskytne neoceniteľný súbor údajov, ktorý možno použiť na vyhodnotenie diverzity medzi kométami v porovnaní s údajmi Halleyho prachu zaznamenanými rovnakou technikou. “
Tieto častice môžu obsahovať odpoveď, ktorá vysvetľuje, ako medzihviezdny prach a kométy mohli naočkovať život na Zemi poskytnutím fyzikálnych a chemických prvkov rozhodujúcich pre jeho vývoj. Podľa Browlee, „Stardust zachytil tisíce častíc kométy, ktoré budú výskumníkmi z celého sveta vrátené na dôkladnú analýzu na analýzu.“ Tieto vzorky prachu nám umožnia obzrieť sa pred asi 4,5 miliardami rokov - učia nás o základnej povahe medzihviezdnych zŕn a iných pevných materiálov - o samotných stavebných prvkoch našej vlastnej slnečnej sústavy. Oba atómy nachádzajúce sa na Zemi a v našich telách obsahujú rovnaké materiály, aké uvoľňujú kométy.
A to sa stále zlepšuje. Teraz na ceste do kométy Comet 67 P / Churyumov-Gerasimenko sa Rosetta ESA ponorí hlbšie do tajomstva komét, keď sa pokúsi o úspešné pristátie na povrch. Podľa ESA zariadenie ako „Analyzátor nárazu zrna a akumulátor prachu (GIADA) bude merať počet, hmotnosť, hybnosť a distribúciu rýchlosti prachových zŕn pochádzajúcich z jadra kométy az iných smerov (odrážaných tlakom slnečného žiarenia) - zatiaľ čo Systém na analýzu prachu Micro-Imaging System (MIDAS) bude študovať prachové prostredie okolo kométy. Poskytne informácie o populácii častíc, veľkosti, objeme a tvare. “
Jedna kometárna častica by mohla byť zložená z miliónov jednotlivých medzihviezdnych prachových zŕn, čo by nám umožnilo nový pohľad na galaktické a hmlové procesy zvyšujúce naše chápanie komét a hviezd. Rovnako ako sme vyrábali aminokyseliny v laboratórnych podmienkach, ktoré simulujú to, čo sa môže vyskytnúť v kométe, väčšina našich informácií bola získaná nepriamo. Pochopením polarizácie, absorpcie vlnovej dĺžky, vlastností rozptylu a tvaru silikátového prvku získame cenné znalosti o fyzikálnych vlastnostiach toho, čo ešte musíme preskúmať. Rosetta si kladie za cieľ priniesť pristátie do jadra kométy a nasadiť ho na povrch. Lander Science sa zameria na in-situ štúdium zloženia a štruktúry jadra - jedinečnú štúdiu kometárneho materiálu - poskytujú výskumníkom ako Dr. Jochen Kissel cenné informácie.
4. júla 2005 dorazí misia Deep Impact do chrámu Comet 1. Po zakopaní pod jej povrchom môže byť ešte viac odpovedí. V snahe vytvoriť nový kráter na povrchu kométy sa uvoľní hmota 370 kg, ktorá dopadne na slnečnú stranu Tempel 1. Výsledkom bude čerstvé vyhadzovanie častíc ľadu a prachu a ďalej naše porozumenie o kométach pozorovaním zmien aktivity. Lietajúce lietadlo bude monitorovať štruktúru a zloženie vnútra krátera - odovzdávanie údajov späť odborníkovi na zemský prach Kissel. "Deep Impact bude prvý, ktorý simuluje prirodzenú udalosť, dopad tuhého tela na jadro kométy." Výhodou je, že čas nárazu je dobre známy a kozmická loď je správne vybavená, keď dôjde k nárazu. Toto určite poskytne informácie o tom, čo je pod povrchmi, z ktorých máme obrázky z predchádzajúcich misií. Boli formulované mnohé teórie, ktoré opisujú tepelné chovanie jadra kométy, vyžadujúce kôry hrubé alebo tenké alebo iné znaky. Som si istý, že všetky tieto modely sa budú musieť pochváliť novými po hlbokom dopade. “
Po celoživotnom kometárnom výskume dr. Kissel stále sleduje prachovú stopu: „Je fascináciou výskumu komét, že po každom novom meraní sú nové skutočnosti, ktoré nám ukazujú, aké sme sa mýlili. A to je stále skôr globálna úroveň. “ Keď sa naše metódy zlepšujú, aj naše porozumenie týchto návštevníkov z Oortovho mraku. Kissel hovorí: „Situácia nie je jednoduchá a toľko jednoduchých modelov popisuje globálne kometárne aktivity celkom dobre, zatiaľ čo detaily sa musia ešte spracovať a modely vrátane aspektov chémie ešte nie sú k dispozícii.“ Pre muža, ktorý tam bol od samého začiatku, práca s Deep Impact pokračuje vo významnej kariére. „Je vzrušujúce byť súčasťou toho,“ hovorí Dr. Kissel, „a ja sa túžim pozrieť, čo sa stane po hlbokom dopade, a som vďačný za jeho súčasť.“
Štúdie po prvýkrát pôjdu hlboko pod povrch kométy a odhaľujú jej pôvodné materiály - od jej vzniku nedotknuté. Čo leží pod povrchom? Dúfajme, že spektroskopia ukáže uhlík, vodík, dusík a kyslík. Je známe, že produkujú organické molekuly, počínajúc bázickými uhľovodíkmi, ako je napríklad metán. Zvýši sa zložitosť týchto procesov pri tvorbe polymérov? Nájdeme základ pre uhľohydráty, sacharidy, lipidy, glyceridy, proteíny a enzýmy? Sledovanie prachu môže veľmi dobre viesť k založeniu najkrajších zo všetkých organických látok - kyseliny deoxyribonukleovej - DNA.
Napísal Tammy Plotner
