Kometa halleya. Źródło zdjęcia: MPAE. Kliknij, aby powiększyć.
Jako profesor emerytowany z Instytutu Maxa Plancka dr Kissel poświęcił całe życie studiom nad kometami. „Na początku XX wieku ogony komety prowadzą do postulacji, a później do wykrycia„ wiatru słonecznego ”, strumienia zjonizowanych atomów nieustannie zdmuchiwanych ze Słońca. W miarę jak obserwacje astronomiczne stawały się coraz silniejsze, można było zidentyfikować coraz więcej składników, zarówno cząstek stałych, jak i cząsteczek gazowych, obojętnych i zjonizowanych ”. W miarę jak nasze techniki badania tych zewnętrznych użytkowników Układu Słonecznego stały się bardziej wyrafinowane, również nasze teorie o tym, z czego mogą się składać - i jak wyglądają. Kissel mówi: „Zaproponowano wiele modeli opisujących dynamiczny wygląd komety, z których Fred Whipple był najwidoczniej najbardziej obiecujący. Postulował jądro zbudowane z lodu wodnego i pyłu. Pod wpływem słońca lód wodny wzniosłby się i przyspieszył cząsteczki kurzu na swojej drodze. ”
Były jednak tajemnicą - tajemnicą, którą nauka chętnie rozwiązywała. „Dopóki Halley nie dowiedział się, że wiele komet jest częścią naszego Układu Słonecznego i krąży wokół Słońca tak jak planety, tylko na orbitach innego typu i z dodatkowymi efektami wynikającymi z emisji materiałów”. komentarze Kissel. Ale tylko dzięki osobistemu podejściu do komety mogliśmy odkryć znacznie więcej. Po powrocie Halleya do naszego wewnętrznego układu słonecznego planowano złapać kometę i nazywał się Giotto.
Misją Giotto było uzyskanie kolorowych zdjęć jądra, określenie składu pierwiastkowego i izotopowego lotnych składników w śpiączce kometowej, badanie cząsteczek macierzystych oraz pomoc w zrozumieniu procesów fizycznych i chemicznych zachodzących w atmosferze kometarnej i jonosferze. Giotto byłby pierwszym, który zbadał makroskopowe układy przepływów plazmy wynikające z oddziaływania wiatru kometarno-słonecznego. Wysoko na liście priorytetów mierzono szybkość produkcji gazu i określano skład pierwiastkowy i izotopowy cząstek pyłu. Krytyczny dla badań naukowych był strumień pyłu - jego rozmiar i rozkład masy oraz decydujący stosunek pyłu do gazu. Podczas gdy kamery pokładowe obrazowały jądro z odległości 596 km - określając jego kształt i rozmiar - monitorowały również struktury w śpiączce pyłowej i badały gaz za pomocą spektrometrów mas neutralnych i jonowych. Jak podejrzewała nauka, misja Giotto odkryła, że gaz jest głównie wodą, ale zawierał tlenek węgla, dwutlenek węgla, różne węglowodory, a także ślad żelaza i sodu.
Dr Kissel, lider badań zespołu w misji Giotto, wspomina: „Kiedy pojawiły się pierwsze misje z bliska na kometę 1P / Halley, jądro zostało wyraźnie zidentyfikowane w 1986 r. Po raz pierwszy cząsteczki pyłu, kometa uwolnione gazy analizowano na miejscu, tj. bez ingerencji człowieka ani transportu z powrotem na ziemię. ” To był ekscytujący czas w badaniach kometarnych, dzięki instrumentacjom Giotto, badacze tacy jak Kissel mogli teraz badać dane jak nigdy wcześniej. „Te pierwsze analizy wykazały, że wszystkie cząstki są intymną mieszanką wysokiej masy materiału organicznego i bardzo małych cząstek pyłu. Największą niespodzianką było z pewnością bardzo ciemne jądro (odbijające jedynie 5% światła padającego na niego) oraz ilość i złożoność materiału organicznego. ”
Ale czy kometa naprawdę była czymś więcej, czy tylko brudną śnieżką? „Do dnia dzisiejszego - o ile mi wiadomo - nie ma pomiaru wskazującego na istnienie stałego lodu wodnego wystawionego na powierzchnię komety”. mówi Kissel: „Odkryliśmy jednak, że woda (H2O) jako gaz może być uwalniana w wyniku reakcji chemicznych zachodzących, gdy kometa jest coraz bardziej ogrzewana przez słońce. Przyczyną może być „utajone ciepło”, tj. Energia zmagazynowana w bardzo zimnym materiale kometowym, który pozyskiwał energię przez intensywne promieniowanie kosmiczne, gdy pył przemieszczał się w przestrzeni międzygwiezdnej przez zrywanie wiązań. Bardzo zbliżony do modelu, o który od lat spierał nieżyjący już J. Mayo Greenberg. ”
Wiemy teraz, że kometa Halley składała się z najbardziej prymitywnego materiału znanego nam w Układzie Słonecznym. Z wyjątkiem azotu, przedstawione elementy świetlne były dość podobne pod względem obfitości jak nasze własne Słońce. Stwierdzono, że kilka tysięcy cząstek pyłu to wodór, węgiel, azot, tlen - a także pierwiastki mineralne, takie jak sód, magnez, krzem, wapń i żelazo. Ponieważ lżejsze pierwiastki zostały odkryte daleko od jądra, wiedzieliśmy, że nie są to cząsteczki lodu kometarnego. Z naszych badań chemii gazu międzygwiezdnego otaczającego gwiazdy dowiedzieliśmy się, jak cząsteczki łańcucha węglowego reagują na pierwiastki takie jak azot, tlen i, w bardzo niewielkiej części, wodór. W ekstremalnym zimnie przestrzeni mogą polimeryzować - zmieniając układ molekularny tych związków, tworząc nowe. Miałyby ten sam procentowy skład oryginału, ale większą masę cząsteczkową i różne właściwości. Ale jakie są te właściwości?
Dzięki bardzo dokładnym informacjom z bliskiego spotkania sondy z kometą Halley, Ranjan Gupta z Międzyuczelnianego Centrum Astronomii i Astrofizyki (IUCAA) i jego koledzy dokonali bardzo interesujących ustaleń dotyczących składu pyłu kometarnego i właściwości rozpraszania. Ponieważ początkowe misje do komet były „przelatujące”, cały przechwycony materiał był analizowany na miejscu. Ten rodzaj analizy wykazał, że materiały kometowe są na ogół mieszaniną krzemianów i węgla w amorficznej i krystalicznej strukturze utworzonej w matrycy. Po odparowaniu wody rozmiary tych ziaren wahają się od submikronów do mikronów i są z natury bardzo porowate - zawierają niesferyczne i nieregularne kształty.
Według Gupty, większość wczesnych modeli rozpraszania światła z takich ziaren była „oparta na stałych kulach z konwencjonalną teorią Mie i tylko w ostatnich latach - kiedy misje kosmiczne dostarczyły mocnych dowodów na to - ewoluowały nowe modele tam, gdzie nie - do odtworzenia obserwowanego zjawiska zastosowano kuliste i porowate ziarna ”. W tym przypadku kometa wytwarza polaryzację liniową z padającego światła słonecznego. Ograniczony do płaszczyzny - kierunku, z którego światło jest rozproszone - zmienia się w zależności od położenia, gdy kometa zbliża się lub odsuwa od Słońca. Jak wyjaśnia Gupta: „Ważną cechą tej krzywej polaryzacji w stosunku do kąta rozproszenia (w odniesieniu do geometrii Słońce-Ziemia-kometa) jest to, że występuje pewien stopień ujemnej polaryzacji”.
Negatywność ta, znana jako „rozpraszanie wsteczne”, występuje podczas monitorowania pojedynczej długości fali - światła monochromatycznego. Algorytm Mie modeluje wszystkie akceptowane procesy rozpraszania spowodowane przez kulisty kształt, biorąc pod uwagę odbicie zewnętrzne, wielokrotne odbicia wewnętrzne, transmisję i fale powierzchniowe. Ta intensywność rozproszonego światła działa jako funkcja kąta, gdzie 0? oznacza rozproszenie do przodu, z dala od pierwotnego kierunku świateł, a 180? oznacza rozproszenie pleców - plecy nagradzają źródło światła.
Według Gupty „Rozproszenie wstecz jest widoczne w większości komet ogólnie w widocznych pasmach, a dla niektórych komet w pasmach w bliskiej podczerwieni (NIR)”. W chwili obecnej modele próbujące odtworzyć ten aspekt ujemnej polaryzacji przy wysokich kątach rozproszenia mają bardzo ograniczony sukces.
W ich badaniu wykorzystano zmodyfikowane DDA (dyskretne przybliżenie dipola) - w którym każde ziarno pyłu przyjmuje się za tablicę dipoli. Szeroka gama cząsteczek może zawierać wiązania między skrajnymi jonami i kowalencjami. Ta różnica między elektroujemności atomów w cząsteczkach jest wystarczająca, aby elektrony nie były równo dzielone - ale są na tyle małe, że elektrony nie są przyciągane tylko do jednego z atomów, aby utworzyć jony dodatnie i ujemne. Ten rodzaj wiązania w cząsteczkach jest znany jako polarny. ponieważ ma pozytywne i negatywne końce - lub bieguny - a cząsteczki mają moment dipolowy.
Te dipole oddziałują ze sobą, tworząc efekty rozpraszania światła, takie jak wygaszanie - kule większe niż długość fali światła blokują światło monochromatyczne i białe - oraz polaryzację - rozpraszanie fali przychodzącego światła. Stosując model ziaren kompozytowych z matrycą grafitowych i krzemianowych sferoidów, może być wymagany bardzo konkretny zakres wielkości ziaren, aby wyjaśnić obserwowane właściwości pyłu kometowego. „Jednak nasz model nie jest również w stanie odtworzyć ujemnej gałęzi polaryzacji obserwowanej w niektórych kometach. Nie wszystkie komety wykazują to zjawisko w paśmie NIR wynoszącym 2,2 mikrona. ”
Te złożone modele ziaren opracowane przez Gupta i in .; będzie musiał zostać dopracowany w celu wyjaśnienia ujemnej gałęzi polaryzacji, a także ilości polaryzacji dla różnych długości fal. W tym przypadku jest to efekt kolorystyczny z wyższą polaryzacją w kolorze czerwonym niż zielonym. Nadchodzą bardziej szczegółowe symulacje laboratoryjne ziaren kompozytowych, a „Badanie ich właściwości rozpraszania światła pomoże w udoskonaleniu takich modeli”.
Udane początki ludzkości w śledzeniu tego kometarnego szlaku kurzu zaczęły się od Halleya. Vega 1, Vega 2 i Giotto dostarczyły modele potrzebne do lepszego sprzętu badawczego. W maju 2000 r. Dr. Franz R. Krueger i Jochen Kissel z Instytutu Maxa Plancka opublikowali swoje odkrycia jako „Pierwsza bezpośrednia analiza chemiczna pyłu międzygwiezdnego”. Dr Kissel mówi: „Trzy z naszych spektrometrów uderzenia pyłu (PIA na pokładzie GIOTTO oraz PUMA-1 i -2 na pokładzie VEGA-1 i -2) spotkały kometę Halley. Dzięki nim udało nam się ustalić podstawowy skład pyłu kometarnego. Informacje molekularne były jednak marginalne. ” Bliskie spotkanie Deep Space 1 z kometą Borrelly zwróciło najlepsze zdjęcia i inne dotychczasowe dane naukowe. W zespole Borelly dr Kissel odpowiada: „Niedawna misja do Borrelly (i STARDUST) pokazała fascynujące szczegóły powierzchni komety, takie jak strome zbocza o wysokości 200 m i iglice o szerokości około 20 mi wysokości 200 m”.
Pomimo wielu problemów misji, Deep Space 1 okazało się całkowitym sukcesem. Według dziennika misji dr. Marka Raymana z 18 grudnia 2001 r. „Bogactwo danych naukowych i inżynieryjnych zwróconych przez tę misję będzie analizowane i wykorzystywane przez wiele lat. Testowanie zaawansowanych technologii wysokiego ryzyka oznacza, że wiele ważnych przyszłych misji, które w innym przypadku byłyby niemożliwe, a nawet niemożliwe, teraz są w naszym zasięgu. A jak wszyscy czytelnicy makroskopowi wiedzą, bogate zbiory naukowe z komety Borrelly dostarczają naukowcom fascynujących nowych informacji na temat tych ważnych członków rodziny Układu Słonecznego. ”
Teraz Stardust posunął nasze badania o krok dalej. Zbierając te prymitywne cząstki z komety Wild 2, ziarna pyłu będą bezpiecznie przechowywane w aerożelu do badań po powrocie sondy. Donald Brownlee z NASA powiedział: „Pył komety będzie również badany w czasie rzeczywistym za pomocą spektrometru masowego czasu lotu pochodzącego z przyrządu PIA przeniesionego do komety Halley podczas misji Giotto. Ten instrument dostarczy danych na temat cząstek organicznych, które mogą nie przetrwać wychwytywania aerożelu, i dostarczy nieocenionego zestawu danych, który można wykorzystać do oceny różnorodności komet w porównaniu z danymi pyłu Halleya zarejestrowanymi tą samą techniką.
Te cząstki mogą zawierać odpowiedź wyjaśniającą, w jaki sposób pył międzygwiezdny i komety zaszczepiły życie na Ziemi, dostarczając pierwiastki fizyczne i chemiczne niezbędne do jego rozwoju. Według Browlee „Gwiezdny pył uchwycił tysiące cząstek komety, które zostaną zwrócone na Ziemię do analizy, w szczegółach, przez naukowców z całego świata”. Te próbki pyłu pozwolą nam spojrzeć około 4,5 miliarda lat temu - ucząc nas o podstawowej naturze ziaren międzygwiezdnych i innych materiałów stałych - samych elementów składowych naszego własnego układu słonecznego. Oba atomy znalezione na Ziemi i w naszych ciałach zawierają te same materiały, które zostały uwolnione przez komety.
I to staje się coraz lepsze. W drodze do komety 67 P / Churyumov-Gerasimenko, Rosetta ESA zagłębi się w tajemnicę komet, próbując udanego lądowania na powierzchni. Według ESA urządzenia takie jak „Analizator uderzenia ziarna i akumulator pyłu (GIADA) zmierzą liczbę, masę, pęd i rozkład prędkości ziaren pyłu pochodzących z jądra komety i z innych kierunków (odbijanych przez ciśnienie promieniowania słonecznego) - podczas gdy System mikroobrazowania pyłu (MIDAS) zbada środowisko pyłowe wokół komety. Dostarczy informacji na temat populacji cząstek, wielkości, objętości i kształtu. ”
Pojedyncza cząstka kometowa mogłaby być złożona z milionów pojedynczych ziaren pyłu międzygwiezdnego, umożliwiając nam nowy wgląd w procesy galaktyczne i mgławicowe, co zwiększy nasze zrozumienie zarówno komet, jak i gwiazd. Tak jak wyprodukowaliśmy aminokwasy w warunkach laboratoryjnych, które symulują to, co może wystąpić w komecie, większość naszych informacji uzyskano pośrednio. Rozumiejąc polaryzację, absorpcję długości fali, właściwości rozpraszania i kształt cechy krzemianowej, zdobywamy cenną wiedzę na temat fizycznych właściwości tego, co jeszcze nie zbadaliśmy. Celem Rosetty będzie przeniesienie lądownika do jądra komety i rozmieszczenie go na powierzchni. Nauka lądowników skoncentruje się na badaniu in situ składu i struktury jądra - niezrównanym badaniu materiału kometarnego - dostarczając badaczom takim jak dr Jochen Kissel cennych informacji.
4 lipca 2005 r. Misja Głębokiego Uderzenia dotrze do Świątyni Komety 1. Pochowany pod jej powierzchnią może być jeszcze więcej odpowiedzi. Aby utworzyć nowy krater na powierzchni komety, uwolniona zostanie masa 370 kg, która uderzy w nasłonecznioną stronę Tempel 1. Rezultatem będzie wyrzucenie świeżego lodu i cząstek pyłu i pogłębi nasze zrozumienie komet poprzez obserwowanie zmian w aktywności. Latający statek będzie monitorował strukturę i skład wnętrza krateru - przesyłając dane z powrotem do eksperta od kometarnego pyłu Ziemi, Kissela. „Deep Impact będzie pierwszym, który symuluje naturalne zdarzenie, czyli uderzenie ciała stałego w jądro komety. Zaletą jest to, że czas uderzenia jest dobrze znany, a statek kosmiczny odpowiednio wyposażony jest w pobliżu, gdy nastąpi zderzenie. To z pewnością dostarczy informacji o tym, co znajduje się pod powierzchniami, z których mamy zdjęcia z poprzednich misji. Sformułowano wiele teorii opisujących zachowanie termiczne jądra komety, wymagających grubych lub cienkich skorup i / lub innych cech. Jestem pewien, że wszystkie te modele będą musiały zostać uzupełnione o nowe po Deep Impact ”.
Po wielu latach badań kometarnych dr Kissel wciąż podąża śladem pyłu: „Fascynacja badaniami komet polega na tym, że po każdym nowym pomiarze pojawiają się nowe fakty, które pokazują nam, jak bardzo się myliliśmy. I to wciąż na poziomie globalnym. ” Wraz z udoskonalaniem naszych metod rośnie nasze rozumienie tych gości z chmury Oort. Mówi Kissel: „Sytuacja nie jest prosta, a wiele prostych modeli dość dobrze opisuje globalne działania kometarne, podczas gdy szczegóły muszą jeszcze zostać dopracowane, a modele obejmujące aspekty chemiczne nie są jeszcze dostępne”. Dla mężczyzny, który jest tam od samego początku, praca z Deep Impact jest kontynuacją wybitnej kariery. „Bycie częścią tego jest ekscytujące” - mówi dr Kissel - „Z niecierpliwością czekam na to, co stanie się po Głębokim Uderzeniu i jestem wdzięczny, że mogę być jego częścią”.
Po raz pierwszy badania pójdą głęboko pod powierzchnię komety, odsłaniając nieskazitelne materiały - nietknięte od czasu jej powstania. Co leżało pod powierzchnią? Miejmy nadzieję, że spektroskopia pokazuje węgiel, wodór, azot i tlen. Wiadomo, że wytwarzają one cząsteczki organiczne, zaczynając od podstawowych węglowodorów, takich jak metan. Czy procesy te zwiększyły złożoność tworzenia polimerów? Czy znajdziemy podstawę dla węglowodanów, sacharydów, lipidów, glicerydów, białek i enzymów? Podążanie śladem pyłu może równie dobrze doprowadzić do powstania najbardziej spektakularnej ze wszystkich substancji organicznych - kwasu dezoksyrybonukleinowego - DNA.
Wpisany przez Tammy Plotner
