Cometa lui Halley. Credit de imagine: MPAE. Faceți clic pentru a mări.
În calitate de profesor emerit al Institutului Max Planck, dr. Kissel are un devotament de-a lungul vieții pentru studiul cometelor. „La începutul secolului XX, cozile de cometă conduc la postulare și mai târziu la detectarea„ vântului solar ”, un flux de atomi ionizați izbucnit constant de soare. Pe măsură ce observațiile astronomice au devenit mai puternice, tot mai mulți constituenți pot fi identificați, atât particule în stare solidă, cât și molecule gazoase, neutre și ionizate. " Pe măsură ce tehnicile noastre de studiere a acestor vizitatori ai sistemului solar exterior au devenit mai rafinate, la fel și teoriile noastre despre ce ar putea fi alcătuite - și cum arată. Spune Kissel, „Multe modele au fost propuse să descrie aspectul dinamic al unei comete, din care aparent Fred Whipple a fost cel mai promițător. Postula un nucleu format din apă-gheață și praf. Sub influența soarelui, gheața de apă ar sublima și va accelera particulele de praf de-a lungul drumului său. "
Totuși, erau un mister - un mister pe care știința era dornică să-l rezolve. „Până la Halley nu a fost cunoscut faptul că multe comete fac parte din sistemul nostru solar și orbitează la soare, așa cum fac planetele, doar pe alte orbite de tip și cu efecte suplimentare datorate emisiilor de materiale.” comentează Kissel. Dar numai prin apropierea și personalul cu o cometă am fost în stare să descoperim mult mai multe. Odată cu revenirea lui Halley la sistemul nostru solar interior, planurile au fost făcute pentru a prinde o cometă, iar numele său era Giotto.
Misiunea lui Giotto a fost să obținem fotografii color ale nucleului, să determinăm compoziția elementară și izotopică a componentelor volatile în coma cometară, să studiem moleculele părinte și să ne ajute să înțelegem procesele fizice și chimice care apar în atmosfera cometară și ionosferă. Giotto ar fi primul care a investigat sistemele macroscopice ale fluxurilor plasmatice rezultate din interacțiunea vânt cometar-solar. Pe lista sa de priorități, a fost măsurarea ratei de producție de gaze și determinarea compoziției elementare și izotopice a particulelor de praf. Critica pentru investigația științifică a fost fluxul de praf - dimensiunea și distribuția masei sale și raportul crucial praf / gaz. Întrucât camerele de bord au imaginat nucleul de la 596 km distanță - determinând forma și dimensiunea acestuia - a fost, de asemenea, monitorizarea structurilor în coma prafului și studierea gazului atât cu spectrometre de masă neutră cât și ionice. După cum bănuia știința, misiunea Giotto a constatat că gazul era predominant apă, dar conținea monoxid de carbon, dioxid de carbon, diverse hidrocarburi, precum și o urmă de fier și sodiu.
În calitate de lider de cercetare a echipei pentru misiunea Giotto, dr. Kissel reamintește: „Când au apărut primele misiuni de apropiere pentru cometa 1P / Halley, un nucleu a fost clar identificat în 1986. De asemenea, a fost prima dată când particule de praf, cometa gazele eliberate au fost analizate in situ, adică fără interferențe omenești și nici transport înapoi la sol. " A fost o perioadă interesantă în cercetarea cometară, prin instrumentația lui Giotto, cercetători precum Kissel puteau acum să studieze date ca niciodată. „Aceste prime analize au arătat că particulele sunt toate un amestec intim de material organic cu masă mare și particule de praf foarte mici. Cea mai mare surpriză a fost cu siguranță nucleul foarte întunecat (care reflectă doar 5% din lumina care strălucește asupra lui) și cantitatea și complexitatea materialului organic. "
Dar o cometă a fost cu adevărat ceva mai mult sau doar un bulgăre de zăpadă murdară? „Până în ziua de azi, nu există - după cunoștința mea - nici o măsurare care să arate existența gheții de apă solidă expusă pe o suprafață cometară.” spune Kissel, „Cu toate acestea, am descoperit că apa (H2O) ca gaz ar putea fi eliberată prin reacțiile chimice care se petrec atunci când cometa este din ce în ce mai încălzită de soare. Motivul ar putea fi „căldură latentă”, adică energia stocată în materialul cometar foarte rece, care a dobândit energia prin radiații cosmice intense în timp ce praful călătorea prin spațiul interstelar prin ruperea legăturilor. Foarte aproape de modelul pentru care regretatul J. Mayo Greenberg s-a certat ani de zile. ”
Știm acum Cometa Halley a fost constituită din materialul cel mai primitiv cunoscut de noi în sistemul solar. Cu excepția azotului, elementele de lumină arătate au fost destul de similare în abundență cu cele ale propriului nostru Soare. Câteva mii de particule de praf au fost determinate a fi hidrogen, carbon, azot, oxigen - precum și elemente care formează minerale precum sodiu, magneziu, siliciu, calciu și fier. Deoarece elementele mai ușoare au fost descoperite departe de nucleu, știam că nu sunt particule de gheață cometare. Din studiile noastre asupra chimiei stelelor înconjurătoare de gaz interstelar, am aflat cum reacționează moleculele de lanț de carbon la elemente precum azot, oxigen și, într-o parte foarte mică, hidrogenul. În frigul extrem al spațiului, ei pot polimeriza - schimbând aranjamentul molecular al acestor compuși pentru a forma noi. Aceștia ar avea aceeași compoziție procentuală a originalului, dar o greutate moleculară mai mare și proprietăți diferite. Dar care sunt acele proprietăți?
Mulțumită unor informații foarte exacte din întâlnirea strânsă a sondei cu Comet Halley, Ranjan Gupta de la Centrul Interuniversitar de Astronomie și Astrofizică (IUCAA) și colegii săi au făcut câteva descoperiri foarte interesante cu compoziția cometară a prafului și proprietățile de împrăștiere. Încă misiunile de început pentru comete au fost „fly-bys”, tot materialul capturat a fost analizat in situ. Acest tip de analiză a arătat că materialele cometare sunt în general un amestec de silicați și carbon în structura amorfă și cristalină formată în matrice. Odată ce apa se evaporă, mărimile acestor boabe variază de la sub-micron la micron și sunt de natură extrem de poroasă - conțin forme neferice și neregulate.
Potrivit lui Gupta, majoritatea modelelor timpurii de împrăștiere a luminii din astfel de boabe au fost „bazate pe sfere solide cu teoria convențională Mie și abia în ultimii ani - când misiunile spațiale au furnizat dovezi puternice împotriva acestui lucru - au fost dezvoltate noi modele acolo unde nu -pentru a reproduce fenomenul observat s-au folosit boabe păstăioase și poroase ”. În acest caz, polaritatea liniară este produsă de cometă din lumina solară incidentă. Limitat la un plan - direcția din care este împrăștiată lumina - variază în funcție de poziția pe măsură ce cometa se apropie sau se retrage de la Soare. După cum explică Gupta, „O caracteristică importantă a acestei curbe de polarizare față de unghiul de împrăștiere (referit la geometria soare-pământ-cometă) este că există un anumit grad de polarizare negativă.”
Cunoscută drept „împrăștiere în spate”, această negativitate apare la monitorizarea unei singure lungimi de undă - lumina monocromatică. Algoritmul Mie modelează toate procesele de împrăștiere acceptate cauzate de o formă sferică, ținând cont de reflecția externă, reflecțiile interne multiple, transmisia și undele de suprafață. Această intensitate a luminii împrăștiate funcționează ca o funcție a unghiului, unde 0? implică împrăștiere înainte, departe de direcția inițială a luminilor, în timp ce 180? implică împrăștiere în spate - premiază înapoi sursa de lumină.
Potrivit lui Gupta, „împrăștierea spatelui este văzută în majoritatea cometelor în general în benzile vizibile și pentru unele comete în benzile aproape infraroșii (NIR).” În prezent, modelele care încearcă să reproducă acest aspect al polarizării negative în unghiuri de împrăștiere ridicate au un succes foarte limitat.
Studiul lor a utilizat o DDA modificată (aproximare dipolă discretă) - în care se presupune că fiecare bob de praf este o serie de dipoli. O gamă mare de molecule poate conține legături care se află între extremitățile ionice și covalente. Această diferență între electronegativitățile atomilor din molecule este suficientă încât electronii să nu fie partajați în mod egal - dar sunt suficient de mici încât electronii nu sunt atrași doar de unul dintre atomi pentru a forma ioni pozitivi și negativi. Acest tip de legătură în molecule este cunoscut sub numele de polar. deoarece are capete pozitive și negative - sau poli - iar moleculele au un moment dipol.
Acești dipoli interacționează între ei pentru a produce efecte de împrăștiere a luminii precum extincția - sfere mai mari decât lungimea de undă a luminii vor bloca lumina monocromatică și albă - și polarizarea - împrăștierea undei luminii care intră. Prin utilizarea unui model de boabe compozite cu o matrice de grafite și sferoizi de silicat, poate fi necesară o gamă de mărimi de grăunte foarte specifică pentru a explica proprietățile observate în praful cometar. „Cu toate acestea, modelul nostru nu este în măsură să reproducă ramura negativă a polarizării care este observată în unele comete. Nu toate cometele arată acest fenomen în banda NIR de 2,2 microni. ”
Aceste modele de cereale compuse dezvoltate de Gupta și colab. va trebui să fie perfecționat în continuare pentru a explica ramura de polarizare negativă, precum și cantitatea de polarizare în diferite lungimi de undă. În acest caz, este un efect de culoare cu polarizare mai mare în roșu decât lumina verde. Sunt viitoare simulări mai ample de laborator a boabelor compozite și „Studiul proprietăților lor de împrăștiere a luminii va ajuta la perfecționarea acestor modele.”
Începuturile de succes ale omenirii în urma acestui traseu cometar de praf au început cu Halley. Vega 1, Vega 2 și Giotto au furnizat modelele necesare pentru a îmbunătăți echipamentele de cercetare. În mai 2000, Drs. Franz R. Krueger și Jochen Kissel de la Institutul Max Planck și-au publicat concluziile ca „Prima analiză chimică directă a prafului interstelar”. Dr. Kissel, „Trei spectrometre de masă cu impact împotriva prafului (PIA la GIOTTO, și PUMA-1 și -2 la bord VEGA-1 și -2) au întâlnit Comet Halley. Cu aceia am putut determina compoziția elementară a prafului cometar. Informațiile moleculare, cu toate acestea, au fost doar marginale. ” Întâlnirea strânsă a Deep Space 1 cu Cometa Borrelly a întors cele mai bune imagini și alte date științifice primite până acum. În echipa Borelly, Dr. Kissel răspunde: „Misiunea cea mai recentă în Borrelly (și STARDUST) a arătat detalii fascinante ale suprafeței cometei, cum ar fi pantele abrupte de 200 m înălțime și spirele cu o lățime de 20 m și 200 m înălțime.”
În ciuda numeroaselor probleme ale misiunii, Deep Space 1 s-a dovedit a fi un succes total. Conform jurnalului de misiune al Dr. Mark Rayman, din 18 decembrie 2001, „Bogăția de date științifice și inginerești returnate de această misiune va fi analizată și folosită pentru anii următori. Testarea tehnologiilor avansate cu risc ridicat înseamnă că multe misiuni viitoare importante, care altfel ar fi fost inacordabile sau chiar imposibile acum, sunt în interesul nostru. Și după cum știu toți cititorii macroscopici, recolta bogată științifică a cometei Borrelly oferă oamenilor de știință perspective fascinante noi asupra acestor membri importanți ai familiei sistemului solar. ”
Acum, Stardust a făcut investigațiile noastre cu un pas mai departe. Colectând aceste particule primitive din Comet Wild 2, boabele de praf vor fi depozitate în siguranță în airgel pentru studiu, la întoarcerea sondei. Donald Brownlee de la NASA spune că „Praful de cometă va fi studiat în timp real și de un spectrometru de masă din timp de zbor derivat din instrumentul PIA transportat cometei Halley în misiunea Giotto. Acest instrument va furniza date despre materialele organice de particule care nu pot supraviețui captării aerului și va oferi un set de date neprețuit care poate fi utilizat pentru a evalua diversitatea dintre comete prin comparație cu datele de praf Halley înregistrate cu aceeași tehnică. "
Aceste particule ar putea conține un răspuns, care să explice modul în care praful interstelar și cometele pot avea viață însămânțată pe Pământ, oferind elementele fizice și chimice cruciale pentru dezvoltarea sa. Potrivit lui Browlee, „Stardust a capturat mii de particule de cometă care vor fi returnate pe Pământ pentru analiză, în detaliu intim, de cercetători din întreaga lume.” Aceste probe de praf ne vor permite să privim în urmă cu aproximativ 4,5 miliarde de ani în urmă - învățându-ne despre natura fundamentală a boabelor interstelare și a altor materiale solide - chiar blocurile de construcție ale sistemului nostru solar. Atât atomii găsiți pe Pământ, cât și în propriile noastre corpuri conțin aceleași materiale ca și eliberate de comete.
Și continuă să se îmbunătățească. Acum, se îndreaptă spre Cometa Cometă 67 P / Churyumov-Gerasimenko, Rosetta ESA se va adânci în misterul cometelor, în timp ce încearcă o aterizare cu succes la suprafață. Potrivit ESA, echipamente precum „Grain Impact Analyzer and Dust Accumulator (GIADA) vor măsura numărul, masa, impulsul și distribuția vitezei granulelor de praf care provin din nucleul cometei și din alte direcții (reflectate de presiunea radiației solare) - în timp ce Sistemul de analiză a prafului microimagistic (MIDAS) va studia mediul de praf din jurul cometei. Acesta va furniza informații despre populația de particule, dimensiunea, volumul și forma. "
O singură particulă cometară ar putea fi un compus de milioane de boabe de praf interstelare individuale, permițându-ne o perspectivă nouă asupra proceselor galactice și nebulare sporind înțelegerea noastră atât a cometelor cât și a stelelor. La fel cum am produs aminoacizi în condiții de laborator care simulează ceea ce poate apărea într-o cometă, majoritatea informațiilor noastre au fost obținute indirect. Înțelegând polarizarea, absorbția lungimii de undă, proprietățile de împrăștiere și forma unei caracteristici de silicat, obținem cunoștințe valoroase cu privire la proprietățile fizice ale ceea ce avem încă de explorat. Scopul Rosetta va fi acela de a transporta un lander în nucleul unei comete și de a-l desfășura la suprafață. Știința funciară se va concentra pe studiul in situ al compoziției și structurii nucleului - un studiu inegalabil al materialului cometar - oferind cercetătorilor precum Dr. Jochen Kissel informații valoroase.
Pe 4 iulie 2005, misiunea Deep Impact va ajunge la Templul Comet 1. Înmormântarea de sub suprafața sa poate fi și mai multe răspunsuri. În efortul de a forma un nou crater pe suprafața cometei, o masă de 370 kg va fi eliberată pentru a influența partea luminată de soare a Tempelului 1. Rezultatul va fi expulzarea proaspătă a particulelor de gheață și praf și va îmbunătăți înțelegerea noastră despre comete prin observarea schimbărilor în activitate. Ambarcațiunea zburătoare va monitoriza structura și compoziția interioară a craterului - transmiterea datelor înapoi la expertul cometar al prafului de pe Pământ, Kissel. „Impactul profund va fi primul care va simula un eveniment natural, impactul unui corp solid asupra unui nucleu al cometei. Avantajul este că timpul de impact este bine cunoscut și o navă spațială echipată corespunzător este în jur, când apare impactul. Acest lucru va oferi cu siguranță informații despre ceea ce este sub suprafețele de pe care avem imagini prin misiunile anterioare. Multe teorii au fost formulate pentru a descrie comportamentul termic al nucleului cometei, necesitând cruste groase sau subțiri și alte caracteristici. Sunt sigur că toate aceste modele vor trebui să fie completate de altele noi după Deep Impact. ”
După o viață de cercetare cometară, dr. Kissel urmează în continuare urmele de praf, „E fascinația cercetării cometelor că după fiecare nouă măsurare există fapte noi, care ne arată, cât de greșite am fost. Și aceasta este încă la un nivel destul de global. ” Pe măsură ce metodele noastre se îmbunătățesc, la fel și înțelegerea acestor vizitatori din cloud Oort. „Situația nu este simplă și multe modele simple descriu destul de bine activitățile cometare globale, în timp ce detaliile încă trebuie lucrate, iar modelele care includ aspectele chimice nu sunt încă disponibile.” Pentru un bărbat care a fost acolo încă de la început, lucrul cu Deep Impact continuă o carieră distinsă. „Este interesant să fac parte din ea”, spune dr. Kissel, „și sunt nerăbdător să văd ce se întâmplă după impactul profund și recunosc să fac parte din el.”
Pentru prima dată, studiile vor ieși bine sub suprafața unei comete, dezvăluind materialele sale verzi - neatinse de la formarea sa. Ce se află sub suprafață? Să sperăm că spectroscopia arată carbon, hidrogen, azot și oxigen. Se știe că acestea produc molecule organice, începând cu hidrocarburile de bază, cum ar fi metanul. Aceste procese au crescut în complexitate pentru a crea polimeri? Vom găsi baza pentru carbohidrați, zaharide, lipide, gliceride, proteine și enzime? Urmarea urmelor de praf poate duce foarte bine la fundamentarea celei mai spectaculoase dintre toate materiile organice - acidul dezoxiribonucleic - ADN.
Scris de Tammy Plotner
