Кометата на Халей Кредит за изображение: MPAE. Щракнете за уголемяване
Като професор Emeritus от Института Макс Планк, д-р Кисел се посвещава цял живот на изучаването на комети. „В началото на 20 век опашките на кометата водят до постулацията и по-късно до откриването на„ слънчевия вятър “, поток от йонизирани атоми, постоянно издуван от слънцето. Тъй като астрономическите наблюдения стават все по-мощни, все повече и повече съставки могат да бъдат идентифицирани, както твърди частици, така и газообразни молекули, неутрални и йонизирани. " Тъй като нашите техники за изучаване на тези външни посетители на слънчевата система станаха все по-усъвършенствани, така и нашите теории за това, от какво биха могли да се състоят - и как изглеждат. Кисел казва: „Предложени са много модели, които да описват динамичния вид на комета, от който Фред Уипъл е очевидно най-обещаващият. Той постулира ядро, съставено от воден лед и прах. Под въздействието на слънцето водният лед ще възвишава и ускорява праховите частици по пътя си. "
Все пак те бяха мистерия - мистерия, която науката с нетърпение искаше да разреши. „Докато Хали не беше известно, че много комети са част от нашата слънчева система и обикалят около орбитата на слънцето, както планетите, само на орбитите от друг тип и с допълнителни ефекти поради емисиите на материали.“ коментари Кисел. Но само като се сближим и се обърнахме лично с комета, успяхме да открием далеч повече. С завръщането на Хали във вътрешната ни слънчева система бяха направени планове за улавяне на комета и нейното име беше Джото.
Мисията на Джото беше да получи цветни фотографии на ядрото, да определи елементарния и изотопния състав на летливите компоненти в кометната кома, да изследва родителските молекули и да ни помогне да разберем физическите и химичните процеси, които протичат в комерната атмосфера и йоносферата. Джото ще бъде първият, който изследва макроскопичните системи на плазмените потоци в резултат на взаимодействието между комето-слънчевия вятър. Високо в списъка му с приоритети беше измерването на скоростта на производство на газ и определянето на елементарния и изотопния състав на праховите частици. Критични за научното изследване бяха праховият поток - неговият размер и масово разпределение и решаващото съотношение прах към газ. Докато бордовите камери са изобразявали ядрото от 596 км от него - определяйки неговата форма и размер - той също е наблюдавал структурите в праховата кома и изследвал газа както с неутрални, така и с йонни масспектрометри. Както подозира науката, мисията на Джото установи, че газът е предимно вода, но съдържа въглероден окис, въглероден диоксид, различни въглеводороди, както и следа от желязо и натрий.
Като ръководител на екип в мисията на Джото, д-р Кисел припомня: „Когато се появиха първите затворени мисии до комета 1P / Halley, ядро беше ясно идентифицирано през 1986 г. Това беше и първият път, когато праховите частици, кометата освободените газове са анализирани in situ, т.е. без човешка намеса, нито транспортиране до земята. " Това беше вълнуващо време в кометарните изследвания, чрез инструментариите на Джото, изследователи като Кисел сега можеха да изучават данни, както никога досега. „Тези първи анализи показаха, че частиците са интимна смес от органичен материал с висока маса и много малки прахови частици. Най-голямата изненада със сигурност беше много тъмното ядро (отразяващо само 5% от светлината, която грее върху него) и количеството и сложността на органичния материал. “
Но наистина кометата беше нещо повече или просто мръсна снежна топка? „До днес няма - доколкото ми е известно - няма измерване, което да показва наличието на твърд воден лед, изложен на кометна повърхност.“ Кисел казва: „Въпреки това открихме, че водата (H2O) като газ може да се отделя при химически реакции, които протичат, когато кометата все повече се нагрява от слънцето. Причината може да бъде „латентна топлина“, т.е. енергия, съхранявана в много студения кометен материал, който придоби енергията чрез интензивно космическо излъчване, докато прахът пътува през междузвездното пространство чрез разрушаване на връзката. Много близо до модела, за който покойният Дж. Майо Грийнбърг спори от години. "
Вече знаем, че Комета Халей се състои от най-примитивния материал, познат ни в Слънчевата система. С изключение на азота, показаните светлинни елементи бяха доста сходни в изобилие като тези на собственото ни Слънце. Няколко хиляди прахови частици бяха определени като водород, въглерод, азот, кислород - както и образуващи минерали елементи като натрий, магнезий, силиций, калций и желязо. Тъй като по-леките елементи бяха открити далеч от ядрото, ние знаехме, че не са кометни ледени частици. От нашите проучвания за химията на междузвездния газ, обграждащи звезди, научихме как молекулите на въглеродните вериги реагират на елементи като азот, кислород и в много малка част водород. В силен студ на космоса те могат да полимеризират - променят молекулното разположение на тези съединения, за да образуват нови. Те биха имали същия процент на състава от оригинала, но по-голямо молекулно тегло и различни свойства. Но какви са тези свойства?
Благодарение на много точна информация от близката среща на сондата с Комета Халей, Ранджан Гупта от Междууниверситетския център по астрономия и астрофизика (IUCAA) и неговите колеги направиха няколко много интересни констатации относно състава на коменния прах и разпръскващите свойства. Тъй като в началото мисиите до кометите бяха „полети“, целият заснет материал беше анализиран на място. Този тип анализ показа, че комерните материали обикновено са смес от силикати и въглерод в аморфна и кристална структура, образувана в матрицата. След като водата се изпари, размерите на тези зърна варират от субмикрон до микрон и са силно порести по природа - съдържат несферични и неправилни форми.
Според Гупта повечето от ранните модели на разсейване на светлината от такива зърна са „базирани на твърди сфери с конвенционална теория на Мие и едва през последните години - когато космическите мисии са давали силни доказателства срещу това - имали нови модели, които са се развивали там, където не -сферични и порести зърна са използвани за възпроизвеждане на наблюдаваното явление ”. В този случай линейната поляризация се произвежда от кометата от падащата слънчева светлина. Ограничен в равнина - посоката, от която се разпръсва светлината - тя варира в зависимост от положението, когато кометата се приближава или отстъпва от Слънцето. Както обяснява Гупта, „Важна характеристика на тази крива на поляризация спрямо ъгъла на разсейване (отнасяща се до геометрията слънце-земя-комета) е, че има известна степен на отрицателна поляризация.“
Известен като „обратно разсейване“, този негатив се появява при наблюдение на една дължина на вълната - монохроматична светлина. Алгоритъмът Mie моделира всички приети процеси на разсейване, предизвикани от сферична форма, като се вземат предвид външното отражение, множеството вътрешни отражения, предаването и повърхностните вълни. Този интензитет на разсеяна светлина работи като функция на ъгъла, където 0? предполага разпръскване напред, далеч от светлините оригиналната посока, докато 180? предполага обратно разсейване - назад връща източника на светлината.
Според Гупта „Обратното разсейване се наблюдава в повечето от кометите като цяло във видимите ивици, а при някои комети в близко инфрачервените (NIR) ленти.“ Понастоящем моделите, които се опитват да възпроизведат този аспект на отрицателна поляризация при големи ъгли на разсейване, имат много ограничен успех.
В тяхното проучване е използван модифициран DDA (дискретно диполно приближение) - където всяко прахово зърно се приема като масив от диполи. Голяма гама от молекули може да съдържа връзки, които са между крайностите на йонните и ковалентните. Тази разлика между електроотрицателността на атомите в молекулите е достатъчна, че електроните не се споделят еднакво - но са достатъчно малки, че електроните не са привлечени само от един от атомите, за да образуват положителни и отрицателни йони. Този тип връзка в молекулите е известен като полярна. защото има положителни и отрицателни краища - или полюси - и молекулите имат диполен момент.
Тези диполи взаимодействат помежду си, за да произведат ефектите на разсейване на светлината като изчезване - сфери, по-големи от дължината на вълната на светлината, ще блокират монохроматичната и бялата светлина - и поляризацията - разсейването на вълната на входящата светлина. Чрез използване на модел на композитни зърна с матрица от графитни и силикатни сфероиди може да се изисква много специфичен диапазон на размерите на зърното, за да се обяснят наблюдаваните свойства в кометовия прах. „Въпреки това, нашият модел също не е в състояние да възпроизведе отрицателния клон на поляризацията, който се наблюдава в някои комети. Не всички комети показват това явление в диапазона NIR от 2,2 микрона. "
Тези съставни зърнени модели, разработени от Gupta et al; ще трябва да бъде прецизирано допълнително, за да се обясни отрицателният клон на поляризацията, както и количеството на поляризацията в различни дължини на вълната. В този случай това е цветен ефект с по-висока поляризация в червена, отколкото зелена светлина. Предстоят по-обширни лабораторни симулации на композитни зърна и „Проучването на свойствата им на разсейване на светлината ще помогне за усъвършенстване на такива модели.“
Успешните стартирания на човечеството в следването на тази прашна пътека за комета започна от Хейли. Vega 1, Vega 2 и Giotto предоставиха нужните модели за по-добро оборудване за изследване. През май 2000 г. д-р. Франц Р. Крюгер и Йохен Кисел от Института „Макс Планк“ публикуват своите открития като „Първи директен химичен анализ на междузвездния прах“. Казва д-р Кисел, „Три от нашите спектрометри за удар от прах (PIA на борда на GIOTTO и PUMA-1 и -2 на борда VEGA-1 и -2) се натъкнаха на Комета Халей. С тези успяхме да определим елементарния състав на комарния прах. Молекулярната информация обаче беше само незначителна. “ Близката среща на Deep Space 1 с Комета Борели върна най-добрите изображения и други научни данни, получени до момента. От екипа на Borelly, д-р Кисел отговаря: „По-скорошната мисия до Borrelly (и STARDUST) показа увлекателни детайли на повърхността на кометата, като стръмни склонове с височина 200 m и шипове, широки 20 m и високи 200 m.“
Въпреки многото проблеми на мисията, Deep Space 1 се оказа пълен успех. Според дневника на мисията на д-р Марк Рейман от 18 декември 2001 г. „Богатството от научни и инженерни данни, върнати от тази мисия, ще бъдат анализирани и използвани за следващите години. Тестването на високорискови, напреднали технологии означава, че много важни бъдещи мисии, които в противен случай биха били неприемливи или дори невъзможни сега, са в нашето разбиране. И както всички макроскопични читатели знаят, богатата научна реколта от кометата Борели предоставя на учените нови увлечения за тези важни членове на семейството на Слънчевата система. "
Сега Stardust предприе разследванията ни само с една крачка напред. Събирайки тези примитивни частици от Comet Wild 2, праховите зърна ще се съхраняват безопасно в аерогел за изследване при завръщането на сондата. Доналд Браунли от НАСА казва: „Кометовият прах също ще се изучава в реално време чрез масспектрометър за полет, получен от инструмента PIA, пренесен на кометата Хали при мисията Джото. Този инструмент ще предостави данни за материалите от органични частици, които може да не преживеят улавяне на аерогели, и ще предостави безценен набор от данни, които могат да бъдат използвани за оценка на многообразието между кометите, в сравнение с данните на праха на Халей, записани със същата техника.
Тези частици могат да съдържат отговор, обясняващ как междузвездният прах и кометите може да са засели живот на Земята, като предоставят физическите и химическите елементи, които са от решаващо значение за неговото развитие. Според Браули „Stardust е уловил хиляди частици комета, които ще бъдат върнати на Земята за анализ, в интимни подробности, от изследователи по целия свят.“ Тези прахови проби ще ни позволят да погледнем назад преди около 4,5 милиарда години - ни научи за фундаменталния характер на междузвездни зърна и други твърди материали - самите градивни елементи на нашата собствена слънчева система. И двата атома, открити на Земята и в собствените ни тела, съдържат същите материали, които се освобождават от кометите.
И просто продължава да се подобрява. Сега по пътя към Комета Комета 67 Р / Чурюмов-Герасименко, Розетата на ESA ще се задълбочи в дълбоко тайната на кометите, когато се опитва успешно кацане на повърхността. Според ESA, оборудване като "анализатор на зърно и акумулатор на прах (GIADA) ще измерва разпределението на броя, масата, инерцията и скоростта на прахови зърна, идващи от ядрото на кометата и от други посоки (отразени от налягането на слънчевата радиация) - докато Системата за анализ на прах с микро изобразяване (MIDAS) ще изучава прашната среда около кометата. Той ще предостави информация за популацията на частиците, размера, обема и формата. “
Една единствена кометна частица може да бъде състав от милиони индивидуални междузвездни прахови зърна, което ни позволява ново вникване в галактическите и мъгляви процеси, повишаващо нашето разбиране за комети и звезди. Точно както ние произвеждаме аминокиселини в лабораторни условия, които симулират това, което може да възникне в комета, по-голямата част от нашата информация е получена косвено. Разбирайки поляризацията, усвояването на дължината на вълната, свойствата на разсейване и формата на силикатна характеристика, ние получаваме ценни знания за физическите свойства на това, което тепърва ще изследваме. Целта на Rosetta ще бъде да пренесе земя в ядрото на кометата и да я разположи на повърхността. Науката за кацането ще се съсредоточи върху in situ проучване на състава и структурата на ядрото - несравнимо проучване на кометен материал, което ще предостави на изследователи като д-р Йохен Кисел ценна информация.
На 4 юли 2005 г. мисията „Дълбоко въздействие“ ще пристигне в храма на Комета 1. Погребана под нейната повърхност може да има още повече отговори. В опит да се формира нов кратер върху повърхността на кометата, ще бъде освободена маса от 370 кг, която ще удари слънцето на Tempel 1. Резултатът ще бъде прясното изхвърляне на частици лед и прах и ще разшири нашето разбиране за кометите, като наблюдаваме промените в активността. Летящият кораб ще следи структурата и състава на вътрешността на кратера - предаване на данни обратно на земния експерт по коменна прах, Kissel. „Дълбокото въздействие ще бъде първото, което симулира естествено събитие, въздействието на твърдо тяло върху ядрото на кометата. Предимството е, че времето на удара е добре известно и космическият кораб е подходящо оборудван, когато ударът се случи. Това определено ще предостави информация какво се намира под повърхностите, от които имаме снимки от предишните мисии. Много теории са формулирани, за да опишат топлинното поведение на ядрото на кометата, което изисква корички дебели или тънки и / или други характеристики. Сигурен съм, че всички тези модели ще трябва да бъдат допълнени от нови след дълбокото въздействие. “
След цял живот на кометни изследвания, д-р Кисел все още следва прашната следа: „Очарованието на изследванията на кометите е, че след всяко ново измерване има нови факти, които ни показват колко грешихме. И това все още е на доста глобално ниво. " С подобряването на нашите методи подобрява и разбирането ни за тези посетители от облака на Оорт. Кисел казва: „Ситуацията не е проста и тъй като много прости модели описват глобално комерсиалните дейности доста добре, докато подробности тепърва ще се работи, а модели, включително аспектите на химията, все още не са налични.“ За човек, който е там от самото начало, работата с Deep Impact продължава отлична кариера. "Вълнуващо е да бъда част от това", казва д-р Кисел, "и нетърпелив съм да видя какво ще стане след дълбокото въздействие и съм благодарен, че съм част от него."
За първи път проучванията ще преминат много под повърхността на комета, разкривайки нейните девствени материали - недокоснати от момента на нейното формиране. Какво лежи под повърхността? Да се надяваме, че спектроскопията показва въглерод, водород, азот и кислород. Известно е, че те произвеждат органични молекули, започвайки с основните въглеводороди, като метан. Ще се увеличат ли тези процеси по сложност за създаване на полимери? Ще намерим ли основата за въглехидратите, захаридите, липидите, глицеридите, протеините и ензимите? Следването на прах може да доведе до основата на най-ефектното от всички органични вещества - дезоксирибонуклеиновата киселина - ДНК.
Написано от Тами Плотнър
