Halleyev komet. Kreditna slika: MPAE. Klikni za veću sliku
Kao profesor emeritus s Instituta Max Planck, dr. Kissel se cijeli život posvetio proučavanju kometa. „U ranim 20. stoljećima repovi kometa dovode do postulacije, a kasnije do otkrića„ solarnog vjetra “, struje ioniziranih atoma koji se neprestano otpuhava od sunca. Kako su astronomska promatranja postajala sve moćnija, moglo se prepoznati sve više i više sastavnih dijelova, čestica čvrstog stanja i plinovitih molekula, neutralnih i ioniziranih. " Kako su naše tehnike proučavanja ovih vanjskih sunčevih sustava posjetitelji postajali sve rafiniraniji, tako su postale i naše teorije o tome od čega se mogu sastojati - i kako izgledaju. Kissel kaže, „Mnogi su modeli predloženi da opišu dinamički izgled komete, od kojih je Fred Whipple naizgled bio najperspektivniji. Postavljalo je jezgro sastavljeno od vode-leda i prašine. Pod utjecajem sunca vodeni led bi uzdigao i ubrzao čestice prašine na svom putu. "
Ipak, oni su bili misterija - misterija koju je znanost željela riješiti. "Tek dok Halley nije bilo poznato da su mnogi kometi dio našeg sunčevog sustava i kruže oko Sunca kao što to čine planeti, samo na orbiti druge vrste i s dodatnim učincima zbog emisije materijala." komentira Kissel. Ali samo bliskim i osobnim poznavanjem kometa uspjeli smo otkriti puno više. Po povratku Halleyja u naš unutarnji sunčev sustav napravljeni su planovi za hvatanje komete i njegovo ime je bilo Giotto.
Giottova misija bila je dobivanje fotografija u jezgri u boji, određivanje elementarnog i izotopskog sastava isparljivih sastojaka u kometarnoj komi, proučavanje matičnih molekula i pomoć u razumijevanju fizičkih i kemijskih procesa koji se odvijaju u atmosferi kotara i ionosferi. Giotto bi bio prvi koji će istražiti makroskopski sustav protoka plazme koji je posljedica interakcije kometarno-solarnog vjetra. Visoko na njenoj listi prioriteta bilo je mjerenje stope proizvodnje plina i određivanje elementarnog i izotopskog sastava čestica prašine. Kritično za znanstveno istraživanje bilo je prašina - njegova veličina i masa, te ključni omjer prašine i plina. Dok su putne kamere motrirale jezgro udaljeno 596 km - određujući njegov oblik i veličinu - također je nadziralo strukture u komadi prašine i proučavalo plin pomoću neutralih i ionskih masenih spektrometra. Kao što je znanost sumnjala, misija Giotto utvrdila je da je plin pretežno voda, ali je sadržavao ugljični monoksid, ugljični dioksid, razne ugljikovodike, kao i trag željeza i natrija.
Kao vođa tima za misiju Giotto, dr. Kissel podsjeća: "Kada su se dogodile prve krupne misije na kometu 1P / Halley, jezgro je jasno identificirano 1986. To je bilo i prvi put da su čestice prašine, kometa ispušteni plinovi analizirani su in situ, tj. bez smetnji uzrokovanih čovjekom niti transporta natrag u zemlju. " Bilo je uzbudljivo vrijeme u istraživanju kometara, pomoću Giottovih instrumenata, istraživači poput Kissela sada su mogli proučavati podatke kao nikad do sada. „Ove prve analize pokazale su da su čestice sve intimna mješavina organskog materijala velike mase i vrlo malih čestica prašine. Najveće iznenađenje zasigurno je bilo tamno jezgro (koje je odbijalo samo 5% svjetlosti) i količina i složenost organskog materijala. "
No, je li komet doista bio nešto više ili samo prljava snježna kugla? "Do danas, koliko znam, ne postoji nijedno mjerenje koje bi pokazalo postojanje čvrstog vodenog leda izloženog na površini kamenaca." Kissel kaže, „Međutim, otkrili smo da se voda (H2O) kao plin može oslobađati kemijskim reakcijama koje se događaju kada kometa sve više zagrijava sunce. Razlog bi mogao biti „latentna toplina“, tj. Energija pohranjena u vrlo hladnom kometnom materijalu, koji je energiju stekao intenzivnim kozmičkim zračenjem dok je prašina putovala kroz međuzvjezdani prostor razbijanjem veza. Vrlo blizu modelu za koji se pokojni J. Mayo Greenberg godinama zalagao. "
Sada znamo da se Comet Halley sastojao od najprimitivnijeg materijala koji nam je poznat u Sunčevom sustavu. S izuzetkom dušika, prikazani svjetlosni elementi bili su u izobilju slični onima iz našeg Sunca. Nekoliko tisuća čestica prašine određeno je da su vodik, ugljik, dušik, kisik - kao i elementi koji stvaraju minerale poput natrija, magnezija, silicija, kalcija i željeza. Budući da su lakši elementi otkriveni daleko od jezgre, znali smo da nisu kometne čestice leda. Iz naših studija o kemiji međuzvjezdanih plinova koje okružuju zvijezde, naučili smo kako molekule ugljikovog lanca reagiraju na elemente poput dušika, kisika i u vrlo malom dijelu vodika. U ekstremnoj hladnoći prostora, oni mogu polimerizirati - mijenjajući molekularni raspored ovih spojeva kako bi postali novi. Imali bi isti postotni sastav izvornika, ali veću molekularnu težinu i različita svojstva. Ali koja su to svojstva?
Zahvaljujući vrlo točnim informacijama iz bliskog susreta sonde s Cometom Halleyjem, Ranjan Gupta iz Međuniverzitetskog centra astronomije i astrofizike (IUCAA) i njegovi kolege donijeli su vrlo zanimljive nalaze o sastavu prašine i raspršivanju svojstava. Budući da su početne misije na komete bile „letjelice“, sav zarobljeni materijal analiziran je in situ. Ova vrsta analize pokazala je da su komercijalni materijali općenito mješavina silikata i ugljika u amorfnoj i kristalnoj strukturi formiranoj u matrici. Jednom kada voda ispari, veličine ovih zrna su u rasponu od sub-mikrona do mikrona i po prirodi su izrazito porozne - sadrže nesferične i nepravilne oblike.
Prema Gupti, većina ranih modela raspršivanja svjetlosti iz takvih zrna temelji se na „čvrstim sferama s konvencionalnom Mie teorijom i tek posljednjih godina - kada su svemirske misije pružile snažne dokaze protiv toga - su novi modeli evoluirali tamo gdje nisu -sferična i porozna zrna korištena su za reprodukciju promatrane pojave “. U ovom slučaju, kometa proizvodi linearnu polarizaciju iz upadajuće solarne svjetlosti. Zakonjena u ravnini - smjer iz kojeg se svjetlost raspršuje - ona se razlikuje po položaju kad se kometa približava Suncu ili se povlači sa njega. Kao što objašnjava Gupta, „Važna karakteristika ove krivulje polarizacije u odnosu na kut raspršenja (koji se odnosi na geometriju sunca-zemlje i kometa) je da postoji određeni stupanj negativne polarizacije.“
Poznata i kao "raspršenje unazad", ta se negativnost pojavljuje kod praćenja jedne valne duljine - jednobojne svjetlosti. Mie algoritam modelira sve prihvaćene procese raspršivanja uzrokovane sferičnim oblikom, uzimajući u obzir vanjsku refleksiju, višestruke unutarnje refleksije, prijenos i površinske valove. Ovaj intenzitet raspršene svjetlosti djeluje kao funkcija kuta, gdje je 0? podrazumijeva rasipanje unaprijed, podalje od izvornih smjerova, dok je 180? podrazumijeva rasipanje leđa - natrag dodjeljuje izvor svjetlosti.
Prema Gupti, "Natrag raspršenje se vidi kod većine kometa uglavnom u vidljivim pojasevima, a kod nekih kometa u skoro infracrvenim (NIR) pojasevima." Trenutno su modeli koji pokušavaju reproducirati ovaj aspekt negativne polarizacije pod velikim kutovima raspršivanja postigli vrlo ograničen uspjeh.
Njihova studija koristi modificirani DDA (diskretna aproksimacija dipola) - gdje se pretpostavlja da je svako zrno prašine niz dipola. Veliki raspon molekula može sadržavati veze koje se nalaze između krajnosti ionske i kovalentne. Ova razlika između elektronegativnosti atoma u molekulama je dovoljna da se elektroni ne dijele podjednako - već su dovoljno mali da elektroni nisu privučeni samo jednim atomom da bi stvorili pozitivne i negativne ione. Ova vrsta veze u molekulama poznata je kao polarna. jer ima pozitivne i negativne krajeve - ili polove - i molekule imaju dipolni moment.
Ti dipoli djeluju jedan s drugim da proizvode efekte raspršivanja svjetlosti poput istrebljenja - sfere veće od valne duljine svjetlosti blokirat će jednobojnu i bijelu svjetlost - i polarizaciju - raspršenje vala dolazne svjetlosti. Korištenjem modela kompozitnih zrnaca s matricom grafitnih i silikatnih sferoida, može se zahtijevati vrlo specifičan raspon veličina zrna za objašnjenje opaženih svojstava u kometnoj prašini. "Međutim, naš model također nije u stanju reproducirati negativnu granu polarizacije koja se opaža kod nekih kometa. Nisu svi kometi pokazali ovu pojavu u NIR području 2,2 mikrona. "
Ovi kompozitni modeli zrna koji su razvili Gupta i sur. morat će se dodatno usavršiti kako bi se objasnila negativna grana polarizacije, kao i količina polarizacije u različitim valnim duljinama. U ovom je slučaju efekt boje s većom polarizacijom u crvenom nego u zelenom svjetlu. Predstoje opsežnije laboratorijske simulacije kompozitnih zrnaca, a „Istraživanje njihovih svojstava raspršivanja svjetlosti pomoći će u rafiniranju takvih modela.“
Uspješni počeci čovječanstva slijedeći ovaj pravac o kometarnoj prašini započeo je s Halley. Vega 1, Vega 2 i Giotto pružili su modele potrebne za bolju istraživačku opremu. U svibnju 2000., dr. Franz R. Krueger i Jochen Kissel iz Instituta Max Planck objavili su svoja otkrića kao „Prvu izravnu kemijsku analizu međuzvjezdane prašine“. Dr. Kissel kaže, „tri naša spektrometra za masu udarca prašine (PIA na brodu GIOTTO, te PUMA-1 i -2 na brodu VEGA-1 i -2) naišli su na Comet Halley. S onima smo uspjeli odrediti elementarni sastav kometne prašine. Molekularne informacije, međutim, bile su samo marginalne. " Bliski susret Deep Space 1 s Cometom Borrellyjem vratio je najbolje slike i ostale znanstvene podatke do sada. Na tim Borelly, dr. Kissel odgovara: "Novija misija za Borrelly (i STARDUST) pokazala je fascinantne detalje površine komete, poput strmih padina visokih 200 metara i šiljaka visokih 20 i 200 metara."
Unatoč mnogim problemima misije, Deep Space 1 pokazao se kao potpuni uspjeh. Prema zapisniku misije dr. Marka Raymana, 18. prosinca 2001., „Bogatstvo podataka o znanosti i inženjerstvu koje je vratila ova misija analizirat će se i koristiti godinama koje dolaze. Ispitivanje naprednih tehnologija visokog rizika znači da su nam mnoge važne buduće misije koje bi inače bile nepristupačne ili čak nemoguće sada. I kao što svi makroskopski čitatelji znaju, bogata znanstvena žetva kometa Borrelly pruža znanstvenicima fascinantne nove uvide u ove važne članove obitelji Sunčevog sustava. "
Sada je Stardust izveo naše istrage samo korak dalje. Skupljajući ove primitivne čestice iz Comet Wild 2, zrnca prašine će se po povratku sonde sigurno pohraniti u aerovir za proučavanje. NASA-in Donald Brownlee kaže: "Prašina komete će se također proučavati u stvarnom vremenu pomoću masenog spektrometra tijekom leta koji je izveden iz instrumenta PIA koji se prenosi u komete Halley u misiji Giotto. Ovaj će instrument pružiti podatke o organskim materijalima čestica koje možda neće preživjeti hvatanje aerogela, a pružit će neprocjenjiv skup podataka koji se može koristiti za procjenu raznolikosti među kometama, uspoređujući s Halleyjevim podacima prašine snimljenim istom tehnikom.
Te vrlo čestice mogu sadržavati odgovor koji objašnjava kako su međuzvjezdane prašine i komete mogle zasijati život na Zemlji pružajući fizičke i kemijske elemente koji su presudni za njegov razvoj. Prema Browleeu, "Stardust je uhvatio tisuće čestica kometa koje će istraživači širom svijeta vratiti na Zemlju radi analize." Ovi uzorci prašine omogućit će nam da se osvrnemo prije nekih 4,5 milijardi godina - podučavajući nas o temeljnoj prirodi međuzvjezdanih žitarica i drugih čvrstih materijala - samim građevnim blokovima našeg vlastitog Sunčevog sustava. Oba atoma koja se nalaze na Zemlji i u našim tijelima sadrže iste materijale koje ispuštaju komete.
I to samo postaje sve bolje. Sada na putu do komete 67 P / Churyumov-Gerasimenko, ESA-ova Rosetta će zaviriti dublje u tajnu kometa dok pokušava uspješno sletjeti na površinu. Prema ESA-i, oprema poput analizatora utjecaja na zrno i akumulatora prašine (GIADA) mjerit će broj, masu, zamah i brzinu raspodjele zrna prašine koje dolaze iz jezgre komete i iz drugih smjerova (odraženih tlakom sunčevog zračenja) - dok Sustav za analizu prašine za mikro-snimanje (MIDAS) proučit će okolinu prašine oko komete. Pružit će podatke o populaciji čestica, veličini, volumenu i obliku. "
Pojedinačna kometna čestica mogla bi biti sastavni dio milijuna pojedinih međuzvjezdanih zrnaca prašine, omogućujući nam novi uvid u galaktičke i nebularne procese povećavajući naše razumijevanje i kometa i zvijezda. Baš kao što smo proizveli aminokiseline u laboratorijskim uvjetima koji simuliraju ono što se može pojaviti u kometi, većina naših informacija je neizravno dobivena. Razumijevanjem polarizacije, apsorpcije valne duljine, svojstava raspršivanja i oblika svojstva silikata, stječemo dragocjena znanja o fizičkim svojstvima onoga što još moramo istražiti. Rosettin cilj bit će odvesti zemljak do kometa u jezgru i rasporediti ga na površini. Znanost o zemljištu usredotočit će se na in situ ispitivanje sastava i strukture jezgre - neusporedivo istraživanje komercijalnog materijala - pružajući istraživačima poput dr. Jochena Kissela vrijedne informacije.
4. srpnja 2005. misija Dubokog utjecaja stići će u hram Comet 1. Ukopan ispod njegove površine može imati još više odgovora. U nastojanju da se na površini komete stvori novi krater, masa od 370 kg bit će oslobođena za udarac na Tempel-ovu stranu osvijetljenu suncem. Rezultat će biti svježe izbacivanje čestica leda i prašine i pospješit će naše razumijevanje kometa promatrajući promjene u aktivnosti. Leteće plovilo nadgledat će strukturu i sastav unutrašnjosti kratera - prenoseći podatke na Zemljin stručnjak za prašinu u Zemlji, Kissel. „Duboki utjecaj prvi će simulirati prirodni događaj, utjecaj čvrstog tijela na jezgro kometa. Prednost je u tome što je vrijeme udara dobro poznato i kad je oko njega pravilno opremljen svemirski brod. To će definitivno pružiti informacije o tome što se nalazi ispod površina s kojih smo imali slike iz prethodnih misija. Mnoge su teorije formulirane za opisivanje toplinskog ponašanja jezgre kometa, zahtijevajući debljine ili tanke kore i ili druge značajke. Sigurna sam da će sve te modele nakon dubokog utjecaja morati nadopuniti novi. "
Nakon čitavog vijeka istraživanja korova, dr. Kissel još uvijek slijedi prašinu: "Fascinantno je istraživanje kometa da nakon svakog novog mjerenja postoje nove činjenice, koje nam pokazuju koliko smo bili u krivu. I to je još uvijek na prilično globalnoj razini. " Kako se naše metode poboljšavaju, tako i naše razumijevanje ovih posjetitelja iz Oortovog oblaka. Kissel kaže, "Situacija nije jednostavna i što više jednostavnih modela prilično dobro opisuje globalne aktivnosti u komercijalnim situacijama, dok se detalji još uvijek moraju raditi, a modeli koji uključuju aspekte kemije još nisu dostupni." Za čovjeka koji je tu od samog početka, suradnja s Deep Impactom nastavlja istaknutu karijeru. "Uzbudljivo je biti dio toga", kaže dr. Kissel, "i nestrpljiv sam vidjeti što će se dogoditi nakon Dubokog utjecaja i zahvalan sam što sam dio toga."
Po prvi put će studije proći ispod površine kometa, otkrivajući njegove netaknute materijale - netaknute od njegovog nastanka. Što leži ispod površine? Nadajmo se da spektroskopija pokazuje ugljik, vodik, dušik i kisik. Za njih se zna da proizvode organske molekule, počevši od osnovnih ugljikovodika, poput metana. Hoće li se ti procesi povećati složenošću stvaranja polimera? Hoćemo li naći osnovu za ugljikohidrate, saharide, lipide, gliceride, proteine i enzime? Prašina prašine mogla bi dovesti do stvaranja najspektakularnije DNK od sve organske tvari - deoksiribonukleinske kiseline.
Napisala Tammy Plotner
