Halley komeet. Kujutise krediit: MPAE. Pilt suuremalt.
Max Plancki instituudi emeriitprofessorina on dr Kissel terve elu pühendunud komeetide uurimisele. „20. sajandi alguses viisid komeedi sabad postuleerimise ja hiljem päikesetuule avastamiseni, ioniseeritud aatomite voog, mis puhuti pidevalt päikesest eemale. Astronoomiliste vaatluste võimsamaks muutudes oli võimalik tuvastada üha enam koostisosi, nii tahkete osakeste kui ka gaasiliste molekulide, neutraalsete ja ioniseeritud kujul. ” Kuna meie tehnikad nende päikesesüsteemi väliste külastajate uurimiseks on muutunud täpsemaks, muutke ka meie teooriaid selle kohta, millest need võiksid koosneda - ja kuidas nad välja näevad. Kisseli sõnul on komeedi dünaamilise välimuse kirjeldamiseks välja pakutud palju mudeleid, millest Fred Whipple’s oli ilmselt kõige lootustandvam. See postuleeris tuuma, mis koosnes veest-jääst ja tolmust. Päikese mõjul vesi-jää sublimeerib ja kiirendab tolmuosakesi oma teel. ”
Sellegipoolest olid need mõistatus - mõistatus, mida teadus oli innukas lahendama. "Kuni Halley-ni ei olnud teada, et paljud komeedid on osa meie päikesesüsteemist ja tiirlevad päikeses ringi nagu planeedid, teist tüüpi orbiitidel ja materjalide emissioonist tuleneva lisaefektiga." kommenteerib Kissel. Kuid ainult komeediga lähedale ja isikupäraseks saamisega suutsime avastada palju enamat. Pärast Halley naasmist meie sisemise päikesesüsteemi juurde plaaniti komeet püüda ja selle nimi oli Giotto.
Giotto ülesandeks oli saada tuumast värvifotosid, määrata komeetilises koomas lenduvate komponentide elementaarne ja isotoopne koostis, uurida lähtemolekule ja aidata meil mõista komeetilises atmosfääris ja ionosfääris toimuvaid füüsikalisi ja keemilisi protsesse. Giotto uuriks esimesena komeedi-päikese tuule interaktsioonist tulenevate plasmavoogude makroskoopilisi süsteeme. Selle prioriteetide hulgas oli gaasi tootmise määra mõõtmine ja tolmuosakeste elementaarse ja isotoopse koostise määramine. Teadusuuringute jaoks oli kriitiline tolmuvoog - selle suurus ja massi jaotus ning oluline tolmu ja gaasi suhe. Kuna pardakaamerad kujutasid tuuma 596 km kauguselt - määrates selle kuju ja suuruse -, jälgis see ka tolmukoomas olevaid struktuure ja uuris gaasi nii neutraalse kui ka ioonmassispektromeetriga. Nagu teadus kahtlustas, leidis Giotto missioon, et gaas on valdavalt vesi, kuid see sisaldas vingugaasi, süsinikdioksiidi, mitmesuguseid süsivesinikke, aga ka raua ja naatriumi jälgi.
Giotto missiooni meeskonna uurimisjuhina meenutab dr Kissel: „Kui esimesed lähedased missioonid komeedile 1P / Halley jõudsid, tuvastati tuum selgelt 1986. aastal. See oli ka esimene kord, kui tolmuosakesed, komeet eraldunud gaase analüüsiti kohapeal, st ilma inimese sekkumiseta ega maale tagasi transportimata. ” See oli põnev aeg komeediuuringutes, kus Giotto mõõteriistade kaudu said Kisseli-sugused teadlased andmeid uurida nagu kunagi varem. Need esimesed analüüsid näitasid, et osakesed on kõik suure massiga orgaaniliste ainete ja väga väikeste tolmuosakeste intiimne segu. Suurim üllatus oli kindlasti väga tume tuum (peegeldades ainult 5% sellele paistvast valgusest) ning orgaanilise materjali kogus ja keerukus. ”
Kuid kas komeet oli tõesti midagi enamat või lihtsalt räpane lumepall? "Tänaseni pole - minu teada - ühtegi mõõtmist, mis näitaks tahke vesijää olemasolu komeedi pinnal." ütleb Kissel, “Siiski leidsime, et vett (H2O) kui gaasi võib eraldada keemiliste reaktsioonide kaudu, mis toimuvad siis, kui komeeti üha enam päike kuumutab. Põhjuseks võib olla "varjatud kuumus", st väga külmas komeedimaterjalis talletatud energia, mis omandas energiat intensiivse kosmilise kiirguse toimel tolmu liikumisel tähtedevahelisse ruumi läbi sidemete purunemise. Väga lähedal mudelile, mille nimel hilja J. Mayo Greenberg on aastaid vaielnud. ”
Nüüd teame, et komeet Halley koosnes kõige primitiivsemast materjalist, mis meile Päikesesüsteemis teada oli. Välja arvatud lämmastik, olid kuvatavad valguselemendid arvukuses üsna sarnased nagu meie oma Päike. Leiti, et mitu tuhat tolmuosakest on vesinik, süsinik, lämmastik, hapnik - ning ka mineraale moodustavateks elementideks nagu naatrium, magneesium, räni, kaltsium ja raud. Kuna kergemad elemendid leiti tuumast kaugel, teadsime, et need pole komeetilised jääosakesed. Tähte ümbritsevate tähtedevahelise gaasi keemia uuringutest oleme õppinud, kuidas süsinikahela molekulid reageerivad sellistele elementidele nagu lämmastik, hapnik ja väga väikeses osas vesinik. Äärmises külmas võivad nad polümeriseeruda - muutes nende ühendite molekulaarset paigutust uue moodustamiseks. Neil oleks originaaliga sama protsentuaalne koostis, kuid suurem molekulmass ja erinevad omadused. Aga mis need omadused on?
Tänu väga täpsele teabele sondi lähedastest kohtumistest Comet Halleyga on ülikoolidevahelise astronoomia ja astrofüüsika keskuse (IUCAA) Ranjan Gupta ja tema kolleegid teinud mõned väga huvitavad leiud komeedi tolmu koostise ja hajumisomadustega. Kuna komeetide missioonid olid algusest peale lendavad, analüüsiti kogu kinnipeetud materjali kohapeal. Seda tüüpi analüüs näitas, et komeetiamaterjalid on üldiselt maatriksis moodustunud amorfse ja kristalse struktuuriga silikaatide ja süsiniku segu. Kui vesi aurustub, varieeruvad need terad alamikronist mikronini ja on oma olemuselt väga poorse kujuga - mittesfäärilised ja ebakorrapärased.
Gupta sõnul põhines enamik sellistest teradest pärineva valguse hajutamise varasemaid mudeleid „tavapärase Mie-teooriaga kindlatel sfääridel ja alles viimastel aastatel - kui kosmosemissioonid andsid selle kohta tugevaid tõendeid - on välja töötatud uued mudelid, kus mitte - vaadeldud nähtuse taastootmiseks on kasutatud kerakujulisi ja poorseid teri ”. Sel juhul tekitab komeet langevast päikesevalgusest lineaarse polarisatsiooni. Piirdudes tasapinnaga - suunaga, kust valgus hajutatakse -, see komati lähenedes või taandudes Päikesest varieerub asukoha järgi. Nagu Gupta selgitab, on selle polarisatsioonikõvera oluline omadus hajumisnurga suhtes (viidatud päikese-maa-komeedi geomeetriale) see, et on olemas teatud määral negatiivne polarisatsioon.
Tagasihajumiseks tuntud negatiivsus ilmneb ühe lainepikkuse monokromaatilise valguse jälgimisel. Mie algoritm modelleerib kõiki sfäärilisest vormist põhjustatud aktsepteeritud hajutamisprotsesse, võttes arvesse välist peegeldust, mitut sisemist peegeldust, ülekannet ja pinnalaineid. See hajutatud valguse intensiivsus toimib nurga funktsioonina, kus 0? tähendab hajumist edasipoole, tuledest algsuunas eemale, samas kui 180? tähendab tagasihajumist - tagasi annab valgusallika.
Gupta sõnul on "selja hajumine enamikus komeetes üldiselt nähtavates ribades ja mõnede komeetide puhul lähituleviku (NIR) ribades". Praegu on mudelitel, mis üritavad seda negatiivse polarisatsiooni aspekti taasesitada kõrge hajumise nurga all, väga piiratud edu.
Nende uuringus on kasutatud modifitseeritud DDA-d (diskreetne dipooli lähend) - kus iga tolmuosa eeldatakse olevat dipoolide rida. Suur hulk molekule võib sisaldada sidemeid, mis asuvad ioonsete ja kovalentsete äärmuste vahel. See erinevus aatomite elektronegatiivsuste vahel molekulides on piisav, et elektronid poleks võrdselt jaotatud - kuid on piisavalt väikesed, et elektronid ei meelitaks positiivsete ja negatiivsete ioonide moodustamiseks ainult ühte aatomit. Seda tüüpi sidemeid molekulides nimetatakse polaarseks. kuna sellel on positiivsed ja negatiivsed otsad - või poolused - ja molekulidel on dipoolmoment.
Need dipoolid interakteeruvad üksteisega valguse hajumisefektide tekitamiseks nagu ekstinktsioon - valguse lainepikkusest suuremad sfäärid blokeerivad monokromaatilist ja valget valgust - ja polarisatsioon - sissetuleva valguse laine hajumine. Kui kasutatakse komposiiterade mudelit koos grafiidi ja silikaatkerakeste maatriksiga, võib komeettatolmu täheldatud omaduste selgitamiseks vaja minna väga konkreetset tera suuruse vahemikku. “Kuid ka meie mudel ei suuda reprodutseerida negatiivset polarisatsiooni haru, mida täheldatakse mõnes komeedis. Mitte kõik komeedid ei näita seda nähtust NIR-sagedusel 2,2 mikronit. ”
Need komposiitvilja mudelid, mille on välja töötanud Gupta jt; tuleb veelgi täpsustada, et selgitada negatiivse polarisatsiooni haru, samuti polarisatsiooni suurust erinevatel lainepikkustel. Sel juhul on see värviefekt, millel on suurem polarisatsioon punases kui rohelises valguses. Tulemas on ulatuslikumad komposiiterade laboratoorsed simulatsioonid ja "Nende valguse hajumise omaduste uurimine aitab selliseid mudeleid täiustada."
Inimkonna õnnestunud algus selle komeetiliku tolmuraja jälgimisel sai alguse Halley'st. Vega 1, Vega 2 ja Giotto varustasid mudeleid, mida oli vaja paremate uurimisseadmete jaoks. Mais 2000, hr. Franz R. Krueger ja Jochen Kissel Max Plancki Instituudist avaldasid oma järeldused tähtedevahelise tolmu esimese otsese keemilise analüüsina. Dr Kissel ütles, et kolm meie tolmumõju massispektromeetrit (PIA GIOTTO pardal ja PUMA-1 ja -2 VEGA-1 ja -2 pardal) leidsid aset komeet Halleyga. Nendega saime kindlaks teha komeedi tolmu elementaarse koostise. Molekulaarne teave oli siiski vaid marginaalne. ” Deep Space 1 lähedane kohtumine komeediga Borrelly andis tagasi parimad pildid ja muud seni saadud teadusandmed. Borelly meeskonna kohta vastab dr Kissel: "Viimane missioon Borrellysse (ja STARDUST) näitas komeedi pinna põnevaid detaile, nagu näiteks järsud 200 m kõrgused nõlvad ja umbes 20 m laiused ja 200 m kõrgused tornid."
Vaatamata missiooni paljudele probleemidele osutus Deep Space 1 täielikuks edule. Dr Mark Raymani 18. detsembri 2001. aasta missioonipäeviku kohaselt “analüüsitakse selle missiooni käigus tagastatud teaduse ja inseneriteabe rikkust ja kasutatakse seda aastaid. Kõrgetasemelise arenenud tehnoloogia testimine tähendab, et paljud olulised tulevased missioonid, mis muidu oleksid olnud nüüd taskukohased või isegi võimatud, on meie käes. Ja nagu kõik makroskoopilised lugejad teavad, pakub komeet Borrelly rikkalik teaduslik saak teadlastele põnevaid uusi teadmisi Päikesesüsteemi perekonna nendest olulistest liikmetest. ”
Nüüd on Stardust astunud meie uurimised vaid ühe sammu edasi. Kogudes need ürgsed osakesed Comet Wild 2-st, hoitakse tolmu terad sondi naasmisel ohutult õhugeelis. NASA Donald Brownlee ütleb: “Komeedi tolmu uuritakse reaalajas ka lennuaja massispektromeetri abil, mis on saadud PIA-instrumendilt, mida kanti Halley komeedile Giotto missioonil. See seade pakub andmeid orgaaniliste osakeste materjalide kohta, mis ei pruugi õhugeeli püüdmise ajal ellu jääda, ning annab hindamatu andmestiku, mida saab kasutada komeetide mitmekesisuse hindamiseks, võrreldes sama tehnikaga salvestatud Halley tolmuandmeid. ”
Need väga osakesed võivad sisaldada vastust, mis selgitab, kuidas tähtedevaheline tolm ja komeedid võisid Maale elu külvata, pakkudes selle arengu jaoks üliolulisi füüsikalisi ja keemilisi elemente. Browlee sõnul "vallutas Stardust tuhanded komeediosakesed, mis saadetakse Maale tagasi uurijate poolt intiimses detailsuses kogu maailmas." Need tolmuproovid võimaldavad meil vaadata tagasi umbes 4,5 miljardit aastat tagasi - õpetades meile tähtedevaheliste terade ja muude tahkete materjalide põhiolemust - meie enda päikesesüsteemi põhiosasid. Mõlemad Maal ja meie enda kehas leiduvad aatomid sisaldavad samu materjale, mida komeedid eraldavad.
Ja see muudkui paraneb. ESA Rosetta asub komeet Komeet 67 P / Churyumov-Gerasimenko poole teemasse süvenema komeetide müsteeriumisse, kui proovib maapinnale edukat maandumist. ESA andmetel mõõdavad sellised seadmed nagu „Grain Impact Analyzer and Dum Accumulator (GIADA) komeedi tuumast ja muudest suundadest saabuvate tolmuterade arvu, massi, kiirust ja kiiruse jaotust (mida peegeldab päikesekiirguse rõhk) - samal ajal kui Mikrokujutise tolmuanalüüsisüsteem (MIDAS) uurib komeedi ümbritsevat tolmukeskkonda. See annab teavet osakeste populatsiooni, suuruse, mahu ja kuju kohta. ”
Üks komeetiline osake võib olla miljonite üksikute tähtedevaheliste tolmuterade segu, võimaldades meil uut teavet galaktiliste ja nebulaarsete protsesside kohta, suurendades meie arusaamist nii komeetidest kui ka tähtedest. Nii nagu me oleme laboritingimustes tootnud aminohappeid, mis simuleerivad komeedis esineda võivaid andmeid, on suurem osa meie informatsioonist saadud kaudselt. Mõistes polarisatsiooni, lainepikkuse neeldumist, hajumisomadusi ja silikaatfunktsiooni kuju, saame väärtuslikud teadmised füüsikalistest omadustest, mida me veel uurinud oleme. Rosetta eesmärk on viia lander komeedi tuuma ja viia see pinnale. Maismaateadus keskendub tuuma koostise ja struktuuri in situ uuringutele - enneolematule komeedimaterjali uurimisele -, pakkudes dr Jochen Kisseli sugustele teadlastele väärtuslikku teavet.
4. juulil 2005 jõuab missioon Deep Impact 1. komeedi templisse. Selle pinna alla maetud võib olla veelgi vastuseid. Püüdes komeedi pinnale moodustada uue kraatri, lastakse Tempel 1 päikesevalguse küljele 370 kg raskust massi. Tulemuseks on jää ja tolmuosakeste värske väljutamine ning see suurendab meie arusaamist komeetidest, jälgides aktiivsuse muutusi. Lennujaam jälgib kraatri siseruumide struktuuri ja koostist - edastades andmed Maa komeetiatolmu eksperdile Kisselile. „Sügav löök simuleerib esimesena looduslikku sündmust, tahke keha mõju komeedi tuumale. Eeliseks on see, et kokkupõrke aeg on hästi teada ja kokkupõrke korral on õigesti varustatud kosmoselaev ümber. See annab kindlasti teavet selle kohta, mis asub nende pindade all, kust meil on eelmiste missioonide pilte. Komeedi tuuma termilise käitumise kirjeldamiseks on formuleeritud palju teooriaid, mis nõuavad paksu või õhukest koorikut ja / või muid omadusi. Olen kindel, et pärast kõiki neid mudeleid tuleb pärast sügavat lööki uusi katsetada. "
Pärast elukestvat komeediuuringuid jälgib dr Kissel endiselt tolmurada: „Komeetiuuringute põnev on see, et iga uue mõõtmise järel on uusi fakte, mis näitavad meile, kui valesti me olime. Ja see on endiselt üsna globaalsel tasemel. ” Meie meetodite täiustamisel paraneb ka meie arusaam nendest Oorti pilve külastajatest. Kisseli sõnul pole olukord lihtne ja paljud lihtsad mudelid kirjeldavad ülemaailmset komeetiategevust üsna hästi, samas kui üksikasjad tuleb veel välja töötada ja keemiaga seotud mudeleid pole veel saadaval. " Mehe jaoks, kes on seal olnud algusest peale, jätkab Deep Impact'iga töötamine silmapaistvat karjääri. "Põnev on sellest osa saada," ütleb dr Kissel, "ja ootan innukalt, mis juhtub pärast sügavat mõju, ja olen tänulik, et saan sellest osa saada."
Esmakordselt lähevad uuringud komeedi pinnale hästi alla, paljastades selle põlised materjalid - puutumata selle tekkimisest. Mis asus pinna all? Loodame, et spektroskoopia näitab süsinikku, vesinikku, lämmastikku ja hapnikku. On teada, et need toodavad orgaanilisi molekule, alustades aluselistest süsivesinikest, näiteks metaanist. Kas nende protsesside keerukus on suurenenud polümeeride loomisel? Kas leiame aluse süsivesikute, sahhariidide, lipiidide, glütseriidide, valkude ja ensüümide jaoks? Tolmujälje jälgimine võib väga hästi viia kõigi orgaaniliste ainete - desoksüribonukleiinhappe - DNA rajamiseni.
Kirjutas Tammy Plotner
