Halleyev komet. Kreditna slika: MPAE. Kliknite za povečavo.
Kot profesor Emeritus z Inštituta Max Planck se dr. Kissel vseživljenjsko posveča preučevanju kometov. "V začetku 20. stoletja so repi kometa privedli do postulacije in kasneje do odkritja" sončnega vetra ", toka ioniziranih atomov, ki se nenehno odpihuje od sonca. Ko so astronomska opazovanja postajala močnejša, je bilo mogoče prepoznati vse več sestavnih delov, tako trdnih delcev kot plinastih molekul, nevtralnih in ioniziranih. " Ko so naše tehnike preučevanja teh zunanjih obiskovalcev osončja postale bolj izpopolnjene, se tudi naše teorije o tem, kaj bi lahko sestavljale - in kako izgledajo. Kissel pravi: "Številni modeli so bili predlagani za opis dinamičnega videza kometa, od katerega je bil Fred Whipple na videz najbolj obetaven. To je postavilo jedro, sestavljeno iz vodnega ledu in prahu. Pod vplivom sonca bi vodni led vzvalil in pospešil delce prahu na svoji poti. "
Kljub temu so bili skrivnost - skrivnost, ki jo je znanost želela razrešiti. "Šele ko Halley ni vedel, da so mnogi kometi del našega osončja in krožijo sonce tako kot planeti, samo na orbiti drugih vrst in z dodatnimi učinki zaradi emisij materialov." komentarji Kissel. Toda le s tem, da smo se s kometom približali osebno in osebno, smo lahko odkrili veliko več. Ko se je Halley vrnil v naš notranji osončje, so bili načrti za ulovitev kometa in njegovo ime je bilo Giotto.
Poslanstvo Giotta je bilo pridobiti barvne fotografije jedra, določiti elementarno in izotopsko sestavo hlapnih komponent v kometarni komi, preučiti matične molekule in pomagati nam razumeti fizikalne in kemijske procese, ki se dogajajo v atmosferi in v ionosferi. Giotto bi bil prvi, ki je raziskal makroskopske sisteme plazemskih tokov, ki izhajajo iz medsebojnega delovanja kotarja in sonca. Visoko na seznamu prednostnih nalog je bilo merjenje stopnje proizvodnje plina in določanje elementarne in izotopske sestave prašnih delcev. Za znanstveno preiskavo je bil kritičen tok prahu - njegova velikost in masna porazdelitev ter odločilno razmerje med prahom in plinom. Medtem ko so na krovu kamer posneli jedro s 596 km oddaljenega območja - določili njegovo obliko in velikost - je spremljal tudi strukture v komi za prah in preučeval plin z nevtralnimi in ionskimi masnimi spektrometri. Kot je sumila znanost, je misija Giotto ugotovila, da je plin pretežno voda, vendar je vseboval ogljikov monoksid, ogljikov dioksid, različne ogljikovodike, pa tudi sled železa in natrija.
Kissel se je kot vodja raziskovalne skupine za misijo Giotto spomnil: "Ko so se pojavile prve bližine misij na komet 1P / Halley, je bilo leta 1986 jasno določeno jedro. To je bil tudi prvi del kometov prahu, kometa sproščeni plini so bili analizirani in situ, tj. brez motenj motenj in prevoza nazaj na tla. " Bil je vznemirljiv čas kotarskih raziskav, z Giotto instrumentacijo so raziskovalci, kot je Kissel, zdaj lahko preučevali podatke kot še nikoli prej. "Prve analize so pokazale, da so delci intimna mešanica organskega materiala visoke mase in zelo majhnih prašnih delcev. Največje presenečenje je bilo zagotovo zelo temno jedro (ki je odsevalo le 5% svetlobe, ki ga sije) in količina in kompleksnost organskega materiala. "
Toda ali je bil komet resnično nekaj več ali le umazana snežna krogla? "Do danes še ni - po mojem vedenju - nobene meritve, ki bi pokazala obstoj trdnega vodnega ledu, izpostavljenega na kometni površini." Kissel pravi: "Vendar smo ugotovili, da se voda (H2O) kot plin lahko sprosti s kemičnimi reakcijami, ki se dogajajo, ko komet vse bolj segreva sonce. Razlog je lahko „latentna toplota“, to je energija, shranjena v zelo hladnem komernem materialu, ki je energijo pridobival z intenzivnim kozmičnim sevanjem, medtem ko je prah pohajal skozi medzvezdni prostor z razbijanjem vezi. Zelo blizu modelu, za katerega se že leta trdi pokojni J. Mayo Greenberg. "
Zdaj vemo, da je Comet Halley sestavljen iz najbolj primitivnega materiala, ki ga poznamo v sončnem sistemu. Z izjemo dušika so bili prikazani svetlobni elementi v številčnosti precej podobni kot v našem Soncu. Za več tisoč delcev prahu je bilo ugotovljenih, da so vodik, ogljik, dušik, kisik - pa tudi elementi, ki tvorijo minerale, kot so natrij, magnezij, silicij, kalcij in železo. Ker so bili lažji elementi odkriti daleč stran od jedra, smo vedeli, da to niso kometni ledeni delci. Iz naših študij kemije medzvezdnega plina, ki obdaja zvezde, smo izvedeli, kako molekule ogljikove verige reagirajo na elemente, kot so dušik, kisik in v zelo majhnem delu vodik. V skrajnem hladnem prostoru lahko polimerizirajo - spremenijo molekularno razporeditev teh spojin, da nastanejo nove. Imeli bi enako odstotno sestavo izvirnika, vendar večjo molekulsko maso in različne lastnosti. Toda kakšne so te lastnosti?
Zahvaljujoč nekaj zelo natančnih informacij iz bližine sonde s kometom Halleyem, je Ranjan Gupta z Meduniverzitetnega centra za astronomijo in astrofiziko (IUCAA) in njegovi sodelavci naredil nekaj zelo zanimivih ugotovitev glede sestave prahu in raztresenosti. Ker so bile začetne misije na komete "letenje", so bili vsi zajeti materiali analizirani in situ. Ta vrsta analize je pokazala, da so kometni materiali na splošno mešanica silikatov in ogljika v amorfni in kristalni strukturi, oblikovani v matriksu. Ko voda izhlapi, se velikosti teh zrn gibljejo od sub-mikrona do mikrona in so po naravi zelo porozne - vsebujejo nesferične in nepravilne oblike.
Po Guptovih besedah je večina zgodnjih modelov sevanja svetlobe iz takšnih zrn "temeljila na trdnih kroglah s konvencionalno Mie teorijo in šele v zadnjih letih - ko so vesoljske misije proti temu močne dokaze - so se novi modeli razvili tam, kjer niso -sferična in porozna zrna so bila uporabljena za reprodukcijo opazovanega pojava. " V tem primeru komet proizvede linearno polarizacijo iz sončne svetlobe. Omejena na ravnino - smer, od katere se razprši svetloba - se spreminja glede na položaj, ko se komet približuje Soncu ali se mu umika. Kot pojasnjuje Gupta, "Pomembna značilnost te polarizacijske krivulje glede na kot sipanja (ki se nanaša na geometrijo sonce-zemlja-komet) je, da obstaja določena stopnja negativne polarizacije."
Znan kot "razpršitev nazaj", se ta negativnost pojavi pri spremljanju ene valovne dolžine - enobarvne svetlobe. Algoritem Mie modelira vse sprejete postopke sipanja, ki jih povzroča sferična oblika, pri čemer upošteva zunanji odboj, več notranjih odbojev, prenos in površinske valove. Ta intenzivnost razpršene svetlobe deluje kot funkcija kota, kjer je 0? pomeni razpršitev naprej, stran od luči v prvotni smeri, medtem ko je 180? pomeni razpršitev nazaj - zadaj odda vir svetlobe.
Po Gupta pravi: "Razpršitev hrbta je opaziti pri večini kometov na splošno v vidnih pasovih, pri nekaterih kometih pa v skoraj infrardečih (NIR) pasovih." Trenutno imajo modeli, ki poskušajo reproducirati ta vidik negativne polarizacije pri velikih kotih sipanja, zelo omejen uspeh.
Njihova študija je uporabila spremenjeno DDA (diskretni približek dipola) - kjer se vsako zrno prahu predstavlja kot sklop dipolov. Velik spekter molekul lahko vsebuje vezi, ki so med skrajnimi ionskimi in kovalentnimi. Ta razlika med elektronegativnostjo atomov v molekulah je zadostna, da se elektroni ne delijo enako - vendar so dovolj majhni, da elektronov ne privlači samo en izmed atomov, da tvorijo pozitivne in negativne ione. Ta vrsta vezi v molekulah je znana kot polarna. ker ima pozitivne in negativne konce - ali drogove - in molekule imajo dipolni trenutek.
Ti dipoli delujejo med seboj, da ustvarijo učinke razprševanja svetlobe, kot so izumrtje - krogle, večje od valovne dolžine svetlobe, bodo blokirale enobarvno in belo svetlobo - in polarizacijo - razprševanje valovanja dohodne svetlobe. Z uporabo modela kompozitnih zrn z matrico grafitnih in silikatnih sferoidov bo morda treba razložiti zelo specifično območje velikosti zrn za razlago opazovanih lastnosti v komernem prahu. "Vendar pa tudi naš model ne more reproducirati negativne veje polarizacije, ki jo opazimo pri nekaterih kometih. Vsi kometi ne kažejo tega pojava v območju NIR 2,2 mikrona. "
Ti sestavljeni modeli zrn, ki so jih razvili Gupta in sod. bo treba še podrobneje izpopolniti razlago negativne polarizacijske veje in količine polarizacije v različnih valovnih dolžinah. V tem primeru gre za barvni učinek z večjo polarizacijo v rdeči kot zeleni svetlobi. Prihajajo obsežnejše laboratorijske simulacije sestavljenih zrn in "Preučevanje njihovih lastnosti razpršitve svetlobe bo pomagalo pri rafiniranju takšnih modelov."
Uspešni začetki človeštva na tej poti o prahu, ki se je pojavil pri Halleyju. Vega 1, Vega 2 in Giotto so nudili modele, potrebne za boljšo raziskovalno opremo. Maja 2000 je dr. Franz R. Krueger in Jochen Kissel z Inštituta Max Planck sta svoja dognanja objavila kot "Prvo neposredno kemijsko analizo medzvezdnega prahu". Dr. Kissel pravi: "Tri naša spektrometra za maso, ki vplivajo na prah (PIA na krovu GIOTTO ter PUMA-1 in -2 na krovu VEGA-1 in -2) sta naletela na Comet Halley. S tistimi smo lahko določili elementarno sestavo komernega prahu. Molekularne informacije pa so bile le obrobne. " Tesno srečanje Deep Space 1 s kometom Borrellyjem je vrnilo najboljše slike in druge znanstvene podatke, prejete doslej. Kissel odgovarja na ekipo Borelly: "Nedavna misija za Borrelly (in STARDUST) je pokazala očarljive podrobnosti površine kometa, kot sta strma 200m visoka pobočja in špiri, široki 20m in 200m."
Kljub mnogim težavam misije se je Deep Space 1 izkazal za popoln uspeh. Po zapisu misije dr. Marka Raymana iz 18. decembra 2001, "bo bogastvo znanstvenih in inženirskih podatkov, ki jih je vrnila ta misija, analizirano in uporabljeno še prihodnja leta. Preizkušanje naprednih tehnologij z visokim tveganjem pomeni, da so številne pomembne misije v prihodnosti, ki bi bile sicer neprimerne ali celo nemogoče, zdaj v dosegu roke. In kot vedo vsi makroskopski bralci, bogata znanstvena letina kometa Borrelly ponuja znanstvenikom fascinantno novo spoznanje o teh pomembnih članih družine osončja. "
Zdaj je Stardust naše preiskave naredil le korak naprej. Ko zberejo te primitivne delce iz Comet Wild 2, bodo zrna prahu varno shranjena v zračnem avglu za proučevanje po vrnitvi sonde. Nasin Donald Brownlee pravi: "Kometni prah bomo v realnem času preučevali tudi z masnim spektrometrom za čas letenja, pridobljenim iz instrumenta PIA, ki ga je prepeljal v komet Halley na misiji Giotto. Ta instrument bo zagotovil podatke o materialih iz organskih delcev, ki morda ne bodo preživeli zajetja zračnih angelčkov, in bo ponudil neprecenljiv nabor podatkov, s pomočjo katerega se lahko oceni raznolikost med kometi v primerjavi s podatki iz halejskega prahu, zabeleženih z isto tehniko.
Ti delci lahko vsebujejo odgovor, ki pojasnjuje, kako so lahko medzvezdni prah in kometi sejali življenje na Zemlji z zagotavljanjem fizikalnih in kemičnih elementov, ki so ključni za njegov razvoj. Kot je povedal Browlee, je "Stardust ujel na tisoče delcev kometa, ki jih bodo raziskovalci po vsem svetu vrnili na Zemljo v analizo." Ti vzorci prahu nam bodo omogočili pogled nazaj nazaj približno 4,5 milijarde let - poučevali nas bodo o temeljni naravi medzvezdnih zrn in drugih trdnih materialov - samih gradnikov našega lastnega osončja. Oba atoma, ki jih najdemo na Zemlji in v naših telesih, vsebujejo iste materiale, kot jih sproščajo kometi.
In še vedno se izboljšuje. Zdaj na poti do kometa 67 P / Churyumov-Gerasimenko, ESA-jeva Rosetta se bo poglobila v skrivnost kometov, ko bo poskušala uspešno pristati na površju. Po ESA bo oprema, kot je „analizator vplivov na zrno in akumulator prahu (GIADA), izmerila število, maso, zagon in hitrostno porazdelitev prašnih zrn, ki prihajajo iz jedra kometa in iz drugih smeri (odraža se s pritiskom sončnega sevanja) - Sistem za analizo prahu z mikro slikanjem (MIDAS) bo preučil prašno okolje okoli kometa. Zagotavlja informacije o populaciji delcev, velikosti, prostornini in obliki. "
Enkratni kometni delček bi lahko bil sestavljen iz milijonov posameznih medzvezdnih zrn prahu, kar bi nam omogočilo nov vpogled v galaktične in nebularne procese, kar bi povečalo naše razumevanje kometov in zvezd. Tako kot smo proizvedli aminokisline v laboratorijskih pogojih, ki simulirajo, kaj se lahko pojavi v kometu, je večina naših informacij posredno pridobljena. Z razumevanjem polarizacije, absorpcije valovne dolžine, lastnosti razpršitve in oblike silikatne lastnosti pridobimo dragoceno znanje o fizikalnih lastnostih, kar moramo še raziskati. Cilj Rosette bo pripeljati odstranjevalec zemlje do kometovega jedra in ga namestiti na površino. Znanost o zemljiščih se bo osredotočila na in situ proučevanje sestave in strukture jedra - neprimerljivo študijo kotarnega materiala - raziskovalcem, kot je dr. Jochen Kissel, zagotovilo dragocene informacije.
4. julija 2005 bo misija Deep Impact prispela v tempelj Comet 1. Pokopan pod njeno površino bo morda še več odgovorov. V poskusu oblikovanja novega kraterja na površini kometa bo izpuščena teža 370 kg, ki bo prizadela sončno stran Tempel 1. Rezultat bo svež izmet ledu in prašnih delcev in bo nadaljeval naše razumevanje kometov z opazovanjem sprememb aktivnosti. Leteče plovilo bo spremljalo strukturo in sestavo notranjosti kraterja - podatke prenaša nazaj na zemeljskega strokovnjaka za prah, ki se ukvarja s kotarjem, Kissel. "Deep Impact bo prvi simuliral naravni dogodek, vpliv trdnega telesa na jedro kometa. Prednost je, da je čas udarca dobro znan in vesoljsko plovilo je primerno opremljeno, ko pride do trka. To bo zagotovo zagotovilo informacije o tem, kaj se nahaja pod površinami, s katerih imamo slike v prejšnjih misijah. Veliko teorij je bilo oblikovanih za opis toplotnega obnašanja jedra kometa, ki zahtevajo skorje debele ali tanke in ali druge lastnosti. Prepričan sem, da bom moral vse te modele po globokem vplivu pozdraviti novi. "
Doktor Kissel po življenjski raziskavi na kotarju še vedno spremlja prah: "Fascinantno je raziskovanje kometov, da po vsaki novi meritvi obstajajo nova dejstva, ki nam pokažejo, kako smo se zmotili. In to je še vedno na precej globalni ravni. " Ko se naše metode izboljšujejo, se tudi naše razumevanje teh obiskovalcev iz Oortovega oblaka spreminja. Kissel pravi: "Položaj ni enostaven in toliko enostavnih modelov opisuje globalne dejavnosti komercialnih podjetij dokaj dobro, medtem ko je treba podrobnosti še obdelati, modeli, ki vključujejo vidike kemije, pa še niso na voljo." Za moškega, ki je tam že od samega začetka, sodelovanje z Deep Impact nadaljuje ugledno kariero. "Vznemirljivo je biti del tega," pravi dr. Kissel, "in nestrpen sem, da vidim, kaj se zgodi po Globokem vplivu, in sem hvaležen, da sem lahko del tega."
Študije bodo prvič dobro stopile pod površino kometa in razkrile njegove neokrnjene materiale - nedotaknjene od njegovega nastanka. Kaj leži pod površjem? Upajmo, da spektroskopija kaže ogljik, vodik, dušik in kisik. Znano je, da proizvajajo organske molekule, začenši z osnovnimi ogljikovodiki, kot je metan. Se bodo ti procesi povečali zapleteno pri ustvarjanju polimerov? Ali bomo našli osnovo za ogljikove hidrate, saharide, lipide, gliceride, beljakovine in encime? Sledenje prahu bi lahko vodilo v temelj najbolj spektakularne DNK iz vseh organskih snovi - deoksiribonukleinske kisline.
Napisala Tammy Plotner
