Halleyn komeetta. Kuvan luotto: MPAE. Klikkaa suurentaaksesi.
Tohtori Kissel on Max Planck -instituutin emeritusprofessorina elinikäisen omistautumisensa komeettojen tutkimiseen. ”1900-luvun alkupuolella komeetan hännät johtavat postulaatioon ja myöhemmin” aurinkotuulen ”havaitsemiseen, ionisoituneiden atomien virta, jota puhallettiin jatkuvasti auringosta. Kun tähtitieteelliset havainnot tulivat voimakkaammiksi, yhä enemmän aineosia voitiin tunnistaa, sekä kiinteät olosuhteet että kaasumaiset molekyylit, neutraalit ja ionisoituneet. " Kun tekniikkamme tutkia näitä ulkoisia aurinkokunnan vierailijoita hienostuneemmaksi, samoin ole teorioimme siitä, mistä he voisivat koostua - ja miltä ne näyttävät. Kissel sanoo: ”Monia malleja on ehdotettu kuvaamaan komeetan dynaamista ulkonäköä, josta Fred Whipplen oli ilmeisesti lupaavin. Se postuloi ydin, joka koostui vesi-jäästä ja pölystä. Auringon vaikutuksesta vesijää sublimoi ja kiihdyttää pölyhiukkasia matkallaan. "
Silti ne olivat mysteeri - mysteeri, jonka tiede oli innokas ratkaisemaan. "Vasta Halleyn saakka tiedettiin, että monet komeetat ovat osa aurinkokuntamme ja kiertävät aurinkoa aivan kuten planeetatkin, aivan muun tyyppisillä kiertoradalla ja materiaalien päästöistä johtuvilla lisävaikutuksilla." kommentoi Kissel. Mutta vain noustamalla lähelle ja henkilökohtaisesti komeetalla pystyimme löytämään paljon enemmän. Kun Halley palasi sisäiseen aurinkokuntamme, suunniteltiin komeetta pyydystää ja sen nimi oli Giotto.
Giotton tehtävänä oli saada värivalokuvat ytimestä, määrittää komeetta-koomassa olevien haihtuvien komponenttien alkuaine- ja isotooppinen koostumus, tutkia kantamolekyylejä ja auttaa meitä ymmärtämään komeettisessa ilmakehässä ja ionosfäärissä tapahtuvat fysikaaliset ja kemialliset prosessit. Giotto tutkisi ensimmäisenä komeetta-aurinko-tuulen vuorovaikutuksesta johtuvien plasmavirtojen makroskooppisia järjestelmiä. Korkeana prioriteettiluettelossaan mitattiin kaasuntuotantonopeutta ja määritettiin pölyhiukkasten alkuaine- ja isotooppikoostumus. Kriittinen tieteellisessä tutkimuksessa oli pölyvuoto - sen koko ja massajakauma sekä ratkaiseva pöly-kaasusuhde. Kun ajoneuvon kamerat kuvansivat ytimen 596 km: n etäisyydeltä - määrittäen sen muodon ja koon -, se seurasi myös pölykomassa olevia rakenteita ja tutkittiin kaasua sekä neutraalilla että ionimassaspektrometrillä. Kuten tiede epäili, Giotto-operaation mukaan kaasu oli pääosin vettä, mutta se sisälsi hiilimonoksidia, hiilidioksidia, erilaisia hiilivetyjä, samoin kuin jälkiä raudasta ja natriumista.
Giotto-operaation ryhmäntutkimuksen johtajana Dr. Kissel muistelee: ”Kun ensimmäiset komeetta 1P / Halley-lähestymismatkat tulivat mukana, ydin tunnistettiin selvästi vuonna 1986. Se oli myös ensimmäinen kerta, kun pölyhiukkaset, komeetta vapautuneet kaasut analysoitiin in situ, ts. ilman ihmisen aiheuttamaa häiriötä tai kuljetusta takaisin maahan. " Komeelin kaltaiset tutkijat, Kisselin kaltaiset tutkijat, pystyivät nyt tutkimaan tietoja kuin koskaan ennen. ”Nämä ensimmäiset analyysit osoittivat, että hiukkaset ovat kaikki intiimi sekoitus suuren massan orgaanista materiaalia ja hyvin pieniä pölyhiukkasia. Suurin yllätys oli varmasti hyvin tumma ydin (heijastaa vain 5% siihen loistavasta valosta) ja orgaanisen materiaalin määrä ja monimutkaisuus. "
Mutta oliko komeetta todella jotain enemmän vai vain likainen lumipallo? "Tähän päivään saakka - tiedoni mukaan - ei ole mittauksia, jotka osoittaisivat komeettapintaan paljastuneen kiinteän vesijään olemassaoloa." Kissel sanoo, ”Havaitsimme kuitenkin, että vesi (H2O) kaasuna voi vapautua kemiallisilla reaktioilla, jotka tapahtuvat, kun komeetta kuumenee yhä enemmän auringon kautta. Syynä voi olla ”piilevä lämpö”, ts. Energia, joka on varastoitunut erittäin kylmään komeettisessa materiaalissa, joka hankki energian voimakkaalla kosmisella säteilyllä, kun pöly matkusti tähtienvälisen avaruuden läpi sidosmurtumien kautta. Hyvin lähellä mallia, jota myöhäinen J. Mayo Greenberg on väittänyt vuosia. ”
Tiedämme nyt, että komeetta Halley koostui alkeimmista materiaaleista, jotka meille tiedämme aurinkojärjestelmässä. Typpeä lukuun ottamatta esitetyt valoelementit olivat melko samankaltaisia kuin oman aurinkomme. Useiden tuhansien pölyhiukkasten määritettiin olevan vety, hiili, typpi, happi - samoin kuin mineraaleja muodostavat elementit, kuten natrium, magnesium, pii, kalsium ja rauta. Koska kevyemmät elementit löydettiin kaukana ytimestä, tiesimme, että ne eivät olleet komeettisia jäähiukkasia. Tähtien ympäröivien tähteiden välisen kaasun kemiaa koskevista tutkimuksistamme olemme oppineet, kuinka hiiliketjun molekyylit reagoivat alkuaineisiin, kuten typpeen, happea ja hyvin pieneen osaan vedyyn. Avaruuden äärimmäisessä kylmässä ne voivat polymeroitua - muuttamalla näiden yhdisteiden molekyylikokoonpanoa uusiksi. Heillä olisi sama prosentuaalinen koostumus alkuperäisestä, mutta suurempi molekyylipaino ja erilaiset ominaisuudet. Mutta mitä nuo ominaisuudet ovat?
Koettimen erittäin tarkan tiedon ansiosta, joka on läheisessä kohtaamisessa Komeetan Halleyn, yliopistojen välisen tähtitieteen ja astrofysiikan keskuksen (IUCAA) Ranjan Guptan ja hänen kollegoidensa kanssa, on tehty erittäin mielenkiintoisia havaintoja komeetan pölykoostumuksella ja sirontaominaisuuksilla. Alusta lähtien komeetatarkastukset olivat ”ohi”, kaikki vangittu materiaali analysoitiin paikan päällä. Tämäntyyppinen analyysi osoitti, että komeedimateriaalit ovat yleensä silikaattien ja hiilen seosta amorfisessa ja kiteisessä rakenteessa, joka on muodostettu matriisiin. Kun vesi haihtuu, näiden jyvien koot vaihtelevat mikronista mikroneihin ja ovat luonteeltaan erittäin huokoisia - sisältäen ei-pallomaisia ja epäsäännöllisiä muotoja.
Guptan mukaan suurin osa tällaisten viljojen valonsironnan varhaisista malleista "perustui perinteisiin Mie-teoriaan perustuviin kiinteisiin palloihin ja vasta viime vuosina - kun avaruusoperaatiot tarjosivat vahvoja todisteita tätä vastaan - on kehitetty uusia malleja, joissa ei -pallomaisia ja huokoisia jyviä on käytetty havaitun ilmiön jäljentämiseen ”. Tässä tapauksessa komeetta tuottaa lineaarisen polarisaation tulevasta auringonvalosta. Rajoitettuna tasoon - suuntaan, josta valo on sironnut -, se vaihtelee aseman mukaan komeetta lähestyy tai poistuu auringosta. Kuten Gupta selittää, "Tämän polarisaatiokäyrän tärkeä ominaisuus verrattuna sirontakulmaan (viitataan aurinko-maa-komeetan geometriaan) on, että siinä on jonkin verran negatiivista polarisaatiota."
Tämä negatiivisuus, joka tunnetaan nimellä "takaisin sironta", tapahtuu, kun tarkkaillaan yhtä aallonpituutta - yksiväristä valoa. Mie-algoritmi mallii kaikki pallomaisen muodon aiheuttamat hyväksytyt sirontaprosessit ottaen huomioon ulkoinen heijastus, useita sisäisiä heijastuksia, siirto- ja pinta-aaltoja. Tämä sironneen valon intensiteetti toimii kulman funktiona, missä 0? tarkoittaa eteenpäin hajoamista, kaukana valojen alkuperäisestä suunnasta, kun taas 180? tarkoittaa takahajontaa - taaksepäin palkitaan valonlähde.
Guptan mukaan "Takaisinsironta nähdään useimmissa komeetoissa yleensä näkyvissä vyöhykkeissä ja joihinkin komeetoissa lähi-infrapuna (NIR) kaistoissa." Tällä hetkellä malleilla, jotka yrittävät toistaa tämän negatiivisen polarisaation näkökohdan suurilla sirontakulmilla, on hyvin rajallinen menestys.
Heidän tutkimuksessaan on käytetty modifioitua DDA: ta (diskreetti dipolilähestyminen) - jossa jokaisen pölyjyvän oletetaan olevan joukko dipoleja. Suuri valikoima molekyylejä voi sisältää sidoksia, jotka ovat ionisen ja kovalenttisen äärimmäisyyden välillä. Tämä ero molekyylien atomien elektronegatiivisuuksien välillä on riittävän suuri, jotta elektronit eivät ole jakautuneet tasaisesti - mutta ovat riittävän pienet, jotta elektronit eivät ole houkutelleet vain yhtä atomista positiivisten ja negatiivisten ionien muodostamiseksi. Tämän tyyppinen sidos molekyyleissä tunnetaan polaarisena. koska sillä on positiiviset ja negatiiviset päät - tai navat - ja molekyyleillä on dipolimomentti.
Nämä dipolit vuorovaikutuksessa toistensa kanssa tuottavat valon sirontavaikutuksia, kuten ekstinktion - valon aallonpituutta suuremmat pallot estävät yksivärisiä ja valkoisia valoja - ja polarisaatio - tulevan valon aallon sironta. Käyttämällä komposiittijyvämallia grafiitti- ja silikaattiferoidimatriisin kanssa voidaan tarvita erityinen raekokoalue selittämään komeetan pölyssä havaitut ominaisuudet. ”Malli ei kuitenkaan kykene myöskään toistamaan negatiivista polarisaatiohaaraa, jota havaitaan joissain komeetoissa. Kaikissa komeetoissa ei esiinny tätä ilmiötä NIR-alueella, joka on 2,2 mikronia. "
Nämä komposiittijyvämallit, jotka ovat kehittäneet Gupta et al; on tarkennettava edelleen selittämään negatiivisen polarisaation haara, samoin kuin polarisaation määrä eri aallonpituuksilla. Tässä tapauksessa se on väritehoste, jolla on suurempi polarisaatio punaisella kuin vihreällä valolla. Laajemmat laboratoriosimulaatiot komposiittijyvistä ovat tulossa ja "niiden valonsirontaominaisuuksien tutkiminen auttaa tällaisten mallien hienosäätössä".
Ihmiskunnan menestyvä alku tämän komeettapölyn seuraamiseen alkoi Halleysta. Vega 1, Vega 2 ja Giotto toimittivat tutkimuslaitteiden parantamiseksi tarvittavat mallit. Toukokuussa 2000, Drs. Franz R. Krueger ja Jochen Kissel Max Planck -instituutista julkaisivat havaintonsa nimellä ”Interstellar pölyn ensimmäinen suora kemiallinen analyysi”. Dr. Kissel sanoo: ”Kolme pölymättömistä massaspektrometreistämme (PIA GIOTTO-aluksella ja PUMA-1 ja -2 VEGA-1: n ja -2: n laivalla) kohtasivat komeetta Halleyn. Niiden kanssa pystyimme määrittämään komeettapölyn alkuainekoostumuksen. Molekyyli-informaatio oli kuitenkin vain marginaalista. ” Deep Space 1: n tiivis kohtaaminen komeetta Borrellyn kanssa palautti tähän mennessä parhaat kuvat ja muut tieteelliset tiedot. Borelly-joukkueessa Dr. Kissel vastaa: "Viimeisimmässä matkalla Borrellyyn (ja STARDUST) nähtiin kiehtovia yksityiskohtia komeetan pinnasta, kuten jyrkät 200 m korkeat rinteet ja tornit, joiden leveys oli noin 20 m ja 200 m."
Operaation monista ongelmista huolimatta Deep Space 1 osoittautui täydelliseksi menestykseksi. Dr. Mark Raymanin 18. joulukuuta 2001 lähettämästä lähetyslokin mukaan ”Tämän tehtävän palauttamaa tieteen ja tekniikan tietojen runsautta analysoidaan ja käytetään tulevina vuosina. Korkean riskin, edistyneiden tekniikoiden testaaminen tarkoittaa, että monet tärkeät tulevaisuuden tehtävät, jotka muuten olisivat olleet nyt kohtuuttomia tai jopa mahdottomia, ovat nyt käsillä. Ja kuten kaikki makroskooppiset lukijat tietävät, komeetta Borrellyn rikas tieteellinen sato tarjoaa tutkijoille kiehtovia uusia näkemyksiä näistä aurinkokunnan perheen tärkeistä jäsenistä. "
Nyt Stardust on ottanut tutkimuksemme vain askeleen eteenpäin. Keräämällä nämä alkeelliset hiukkaset Comet Wild 2: sta, pölyjyvät varastoidaan turvallisesti ilmageelissä tutkimusta varten koettimen palatessa. NASA: n Donald Brownlee sanoo: "Komeetan pölyä tutkitaan reaaliajassa myös lentoajan massaspektrometrillä, joka saadaan PIA-instrumentista, jota kuljetetaan Halley-komeetta Giotto-operaation aikana. Tämä instrumentti tarjoaa tietoja orgaanisista hiukkasista, jotka eivät välttämättä selviä ilmageelin kaappaamisesta, ja se tarjoaa arvokkaan tietokokonaisuuden, jota voidaan käyttää komeetatietojen monimuotoisuuden arviointiin verrattuna samalla tekniikalla tallennettuihin Halley-pölytietoihin. "
Nämä hyvin hiukkaset saattavat sisältää vastauksen, joka selittää kuinka tähteiden välinen pöly ja komeetat ovat siemenneet elämää maapallolla tarjoamalla fysikaalisia ja kemiallisia elementtejä, jotka ovat tärkeitä sen kehitykselle. Browlee mukaan "Stardust vangitsi tuhansia komeetan hiukkasia, jotka tutkijat ympäri maailmaa palauttavat maan päälle analysoimaan intiimejä yksityiskohtia." Nämä pölynäytteet antavat meille mahdollisuuden katsoa taaksepäin noin 4,5 miljardia vuotta sitten - opettaen meille tähtien välisten jyvien ja muiden kiinteiden materiaalien perustavaa laatua - oman aurinkokunnan järjestelmämme rakennuspalikoita. Molemmat maapallosta ja omissa kehoissamme olevat atomit sisältävät samat materiaalit kuin komeettojen vapauttamat.
Ja se vain paranee. Nyt matkalla komeetta Comet 67 P / Churyumov-Gerasimenkoon, ESAn Rosetta tuntee syvemmälle komeettojen mysteeriä yrittäessään onnistunutta laskeutumista pinnalle. ESA: n mukaan sellaiset laitteet kuin ”Viljan vaikutuksenanalysaattori ja pölyakkumulaattori (GIADA) mittaavat komeetan ytimestä ja muista suunnista tulevien pölyjyvien määrää, massaa, liikettä ja nopeuden jakautumista (heijastuvat auringon säteilypaineesta) - samalla kun MIDAS (Micro Imaging Dust Analysis System) tutkii komeetta ympäröivää pölyympäristöä. Se tarjoaa tietoja hiukkasten populaatiosta, koosta, tilavuudesta ja muodosta. "
Yksi komeettinen hiukkanen voisi olla yhdistelmä miljoonia yksittäisiä tähtienvälisiä pölyjyviä, mikä antaa meille uuden käsityksen galaktisista ja sumuisista prosesseista, mikä lisää ymmärrystämme sekä komeetoista että tähtiistä. Aivan kuten olemme tuottaneet aminohappoja laboratorio-olosuhteissa, jotka simuloivat sitä, mitä komeetassa voi tapahtua, suurin osa tiedoistamme on saatu epäsuorasti. Ymmärtämällä polarisaatio, aallonpituuden absorptio, sirontaominaisuudet ja silikaattiominaisuuden muoto saadaan arvokasta tietoa fysikaalisista ominaisuuksista, joita olemme vielä tutkineet. Rosetan tavoitteena on kuljettaa laskuri komeetan ytimeen ja sijoittaa se pinnalle. Laskeutumistekniikka keskittyy ytimen koostumuksen ja rakenteen paikan päällä tapahtuvaan tutkimukseen - vertaansa vailla olevaan komeettisten aineiden tutkimukseen -, joka tarjoaa tutkijoille, kuten tohtori Jochen Kisselille, arvokasta tietoa.
Deep Impact -operaatio saapuu 4. heinäkuuta 2005 Komeetan temppeliin 1. Sen pinnan alle haudattu voi olla vielä enemmän vastauksia. Yrittääkseen muodostaa uuden kraatterin komeetan pinnalle vapautuu 370 kg: n painoinen massa, joka vaikuttaa Tempel 1: n auringonvaloon. Tuloksena on tuoreen jää- ja pölyhiukkasten poisto ja se lisää ymmärrystämme komeetoista tarkkailemalla aktiivisuuden muutoksia. Lentokone tarkkailee kraatterin sisätilojen rakennetta ja koostumusta - välittää tietoja takaisin maan komeetta komeettiselle pölyasiantuntijalle Kisselille. ”Syvä isku on ensimmäinen, joka simuloi luonnollista tapahtumaa, kiinteän ruumiin vaikutusta komeetan ytimeen. Etuna on se, että törmäysaika on hyvin tiedossa ja asianmukaisesti varustettu avaruusalus on lähellä, kun törmäys tapahtuu. Tämä antaa ehdottomasti tietoa siitä, mikä on niiden pintojen alapuolella, joista meillä on kuvia aiemmissa virkamatkoissa. Useita teorioita on muotoiltu kuvaamaan komeetan ytimen lämpökäyttäytymistä, edellyttäen paksuja tai ohuita kuoreja ja / tai muita ominaisuuksia. Olen varma, että kaikkia näitä malleja on täydennettävä uusilla, syvän iskun jälkeen. "
Elinikäisen komeettatutkimuksen jälkeen tohtori Kissel jatkaa edelleen pölypolkua: ”Komeettatutkimuksen kiehtoo on, että jokaisen uuden mittauksen jälkeen on uusia tosiasioita, jotka osoittavat meille, kuinka väärässä olimme. Ja se on edelleen melko globaalilla tasolla. " Menetelmämme parantuessa samoin ymmärrys näistä vieraista Oort Cloudista. Kissel sanoo: "Tilanne ei ole yksinkertainen ja koska monet yksinkertaiset mallit kuvaavat maailmanlaajuista komeettokäyttäytymistä melko hyvin, kun taas yksityiskohtia on vielä valmisteltava, eikä kemiallisia näkökohtia sisältäviä malleja ole vielä saatavilla." Miehelle, joka on ollut siellä alusta alkaen, Deep Impact -työ jatkaa erinomaista uraa. "On mielenkiintoista olla osa sitä", sanoo tohtori Kissel, "ja olen innokas näkemään, mitä tapahtuu Syvän iskun jälkeen, ja kiitollinen siitä olemisesta."
Ensimmäistä kertaa tutkimukset menevät hyvin komeetan pinnan alle paljastaen sen koskemattomat materiaalit - koskemattomia sen muodostumisen jälkeen. Mikä makaa pinnan alla? Oletetaan, että spektroskopia näyttää hiiltä, vetyä, typpeä ja happea. Näiden tiedetään tuottavan orgaanisia molekyylejä, alkaen emäksisistä hiilivedyistä, kuten metaanista. Onko näiden prosessien monimutkaisuus lisääntynyt polymeerien luomiseksi? Löydämmekö perustan hiilihydraateille, sakkarideille, lipideille, glyserideille, proteiineille ja entsyymeille? Pölyreitin seuraaminen voi hyvinkin johtaa kaikkien silmäilevämpien orgaanisten aineiden - deoksiribonukleiinihapon - DNA: n perustamiseen.
Kirjoittanut Tammy Plotner
