Комета Галлея. Изображение предоставлено: MPAE. Нажмите, чтобы увеличить.
Будучи почетным профессором Института Макса Планка, доктор Киссел на протяжении всей жизни посвятил себя изучению комет. «В начале 20-го века хвосты комет привели к постулированию, а затем к обнаружению« солнечного ветра », потока ионизированных атомов, постоянно сдуваемых с Солнца. По мере того как астрономические наблюдения становились все более мощными, можно было идентифицировать все больше и больше компонентов, как твердых частиц, так и газообразных молекул, нейтральных и ионизированных ». По мере того, как наши методы изучения посетителей внешней солнечной системы становились все более изощренными, развивались и наши теории того, из чего они могут состоять - и как они выглядят. Кисель говорит: «Многие модели были предложены для описания динамического внешнего вида кометы, из которой Фред Уиппл был, по-видимому, наиболее перспективным. Он постулировал ядро, состоящее из водяного льда и пыли. Под воздействием солнца водяной лед возвысит и ускорит частицы пыли на своем пути ».
Тем не менее, они были загадкой - загадкой, которую наука хотела решить. «До тех пор, пока Галле не стало известно, что многие кометы являются частью нашей солнечной системы и вращаются вокруг Солнца так же, как планеты, только на орбитах другого типа и с дополнительными эффектами из-за эмиссии материалов». комментарии кисель. Но только приблизившись к комете, мы смогли открыть для себя гораздо больше. С возвращением Галлея в нашу внутреннюю солнечную систему были разработаны планы ловли кометы, и ее звали Джотто.
Миссия Джотто состояла в том, чтобы получить цветные фотографии ядра, определить элементный и изотопный состав летучих компонентов кометной комы, изучить родительские молекулы и помочь нам понять физические и химические процессы, которые происходят в атмосфере кометы и ионосфере. Джотто был бы первым, кто исследовал макроскопические системы плазменных потоков, возникающих в результате взаимодействия кометного и солнечного ветра. Первым в списке приоритетов было измерение скорости добычи газа и определение элементного и изотопного состава частиц пыли. Важнейшим для научного исследования был поток пыли - его размер и распределение по массе, а также критическое соотношение пыли и газа. Поскольку бортовые камеры отображали ядро на расстоянии 596 км, определяя его форму и размер, он также наблюдал за структурами в пылевой коме и изучал газ с помощью нейтральных и ионных масс-спектрометров. Как подозревала наука, миссия Джотто обнаружила, что газом является преимущественно вода, но в нем содержится окись углерода, двуокись углерода, различные углеводороды, а также следы железа и натрия.
Как руководитель исследовательской группы по миссии Джотто, доктор Киссел вспоминает: «Когда появились первые крупные миссии с кометой 1P / Halley, ядро было четко идентифицировано в 1986 году. Это был также первый случай, когда частицы пыли, комета выпущенные газы были проанализированы на месте, то есть без вмешательства человека или транспортировки обратно на землю ». Это было захватывающее время в исследованиях комет, благодаря инструментам Джотто, такие исследователи, как Киссель, теперь могли изучать данные, как никогда раньше. «Эти первые анализы показали, что все частицы представляют собой плотную смесь органического материала с высокой массой и очень мелких частиц пыли. Самым большим сюрпризом, безусловно, было очень темное ядро (отражающее только 5% света, падающего на него), а также количество и сложность органического материала ».
Но была ли комета действительно чем-то большим или просто грязным снежком? «До сегодняшнего дня, насколько мне известно, нет измерений, показывающих наличие твердого водяного льда, выставленного на поверхности кометы». Киссель говорит: «Однако мы обнаружили, что вода (H2O) в виде газа может выделяться в результате химических реакций, происходящих, когда комета все больше нагревается солнцем. Причиной может быть «скрытое тепло», то есть энергия, запасенная в очень холодном кометном материале, который приобретал энергию посредством интенсивного космического излучения, в то время как пыль проходила через межзвездное пространство через разрыв связи. Очень близко к модели, о которой покойный Дж. Майо Гринберг спорил годами ».
Теперь мы знаем, что комета Галлея состояла из самого примитивного материала, известного нам в Солнечной системе. За исключением азота, показанные световые элементы были в достаточной степени похожи на наше Солнце. Было определено, что несколько тысяч частиц пыли являются водородом, углеродом, азотом, кислородом, а также минеральными элементами, такими как натрий, магний, кремний, кальций и железо. Поскольку более легкие элементы были обнаружены далеко от ядра, мы знали, что это не частицы кометного льда. Из наших исследований химического состава звезд, окружающих межзвездный газ, мы узнали, как молекулы углеродных цепей реагируют на такие элементы, как азот, кислород и, в очень небольшой части, водород. В экстремальных холодах космоса они могут полимеризоваться, изменяя молекулярное расположение этих соединений с образованием новых. Они будут иметь такой же процентный состав исходного, но с большей молекулярной массой и разными свойствами. Но что это за свойства?
Благодаря некоторой очень точной информации, полученной в результате близкого знакомства зонда с кометой Галлея, Ранджан Гупта из Межуниверситетского центра астрономии и астрофизики (IUCAA) и его коллеги сделали некоторые очень интересные выводы о составе кометной пыли и рассеивающих свойствах. Поскольку начальные миссии к кометам были «облетами», весь захваченный материал был проанализирован на месте. Этот тип анализа показал, что кометные материалы, как правило, представляют собой смесь силикатов и углерода в аморфной и кристаллической структуре, образованной в матрице. Как только вода испаряется, размеры этих зерен варьируются от субмикронных до микронных и имеют высокую пористость по своей природе, содержащие несферические и неправильные формы.
По словам Гупты, большинство ранних моделей рассеяния света от таких зерен «основывались на твердых сферах с обычной теорией Ми и только в последние годы - когда космические миссии дали убедительные доказательства против этого - были разработаны новые модели, где не было - сферические и пористые зерна были использованы для воспроизведения наблюдаемого явления ». В этом случае линейная поляризация создается кометой от падающего солнечного света. Ограниченный плоскостью - направлением, из которого рассеивается свет, - он изменяется в зависимости от положения, когда комета приближается или удаляется от Солнца. Как объясняет Гупта: «Важной особенностью этой кривой поляризации в зависимости от угла рассеяния (относится к геометрии Солнце-Земля-комета) является то, что существует некоторая степень отрицательной поляризации».
Этот отрицательный эффект, известный как «обратное рассеяние», возникает при мониторинге одной длины волны - монохроматического света. Алгоритм Ми моделирует все принятые процессы рассеяния, вызванные сферической формой, с учетом внешнего отражения, множественных внутренних отражений, прохождения и поверхностных волн. Эта интенсивность рассеянного света работает как функция угла, где 0? подразумевает рассеяние вперед, вдали от источников света в первоначальном направлении, в то время как 180? подразумевает обратное рассеяние - задний источник света.
По словам Гупты, «обратное рассеяние наблюдается у большинства комет, как правило, в видимых полосах, а у некоторых комет в ближней инфракрасной (NIR) полосах». В настоящее время модели, пытающиеся воспроизвести этот аспект отрицательной поляризации при больших углах рассеяния, имеют весьма ограниченный успех.
В их исследовании использовался модифицированный DDA (приближение дискретных диполей), где предполагается, что каждое зерно пыли представляет собой массив диполей. Большой спектр молекул может содержать связи, которые находятся между крайними ионными и ковалентными. Это различие между электроотрицательностью атомов в молекулах достаточно для того, чтобы электроны не распределялись поровну - они настолько малы, что электроны не притягиваются только к одному из атомов, образуя положительные и отрицательные ионы. Этот тип связи в молекулах известен как полярный. потому что он имеет положительные и отрицательные концы - или полюсы - и молекулы имеют дипольный момент.
Эти диполи взаимодействуют друг с другом, создавая эффекты рассеяния света, такие как угасание - сферы больше длины волны света будут блокировать монохроматический и белый свет - и поляризацию - рассеяние волны входящего света. При использовании модели составных зерен с матрицей из графита и силикатных сфероидов может потребоваться очень специфический диапазон размеров зерен для объяснения наблюдаемых свойств в кометной пыли. «Однако наша модель также не может воспроизвести отрицательную ветвь поляризации, которая наблюдается в некоторых кометах. Не все кометы демонстрируют это явление в диапазоне NIR 2,2 микрона ».
Эти составные модели зерна, разработанные Гупта и др .; потребуется уточнение, чтобы объяснить отрицательную ветвь поляризации, а также величину поляризации на различных длинах волн. В этом случае это цветовой эффект с большей поляризацией красного, чем зеленого света. Предстоит более обширное лабораторное моделирование составных зерен, и «изучение их светорассеивающих свойств поможет в уточнении таких моделей».
Успешное начало человечества в следовании этому следу кометной пыли началось с Галлея. Vega 1, Vega 2 и Giotto предоставили модели, необходимые для улучшения исследовательского оборудования. В мае 2000 года доктор Франц Р. Крюгер и Йохен Киссел из Института Макса Планка опубликовали свои выводы как «Первый прямой химический анализ межзвездной пыли». Д-р Киссель говорит: «Три наших масс-спектрометра для ударного воздействия пыли (PIA на борту GIOTTO и PUMA-1 и -2 на борту VEGA-1 и -2) столкнулись с кометой Галлея. С их помощью нам удалось определить элементарный состав кометной пыли. Молекулярная информация, однако, была лишь незначительной ». Близкое знакомство Deep Space 1 с кометой Боррелли вернуло лучшие изображения и другие научные данные, полученные до сих пор. В команде Borelly доктор Киссель отвечает: «Более поздняя миссия в Боррелли (и STARDUST) показала захватывающие детали поверхности кометы, такие как крутые склоны высотой 200 м и шпили шириной около 20 м и высотой 200 м».
Несмотря на многочисленные проблемы миссии, Deep Space 1 оказался полным успехом. Согласно журналу миссии Марка Рэймана от 18 декабря 2001 года: «Богатство научных и технических данных, полученных этой миссией, будет анализироваться и использоваться в течение многих лет. Испытание передовых технологий высокого риска означает, что многие важные будущие миссии, которые в противном случае были бы недоступны или даже невозможны сейчас, находятся в наших руках. И, как знают все читатели макроскопических исследований, богатый научный урожай кометы Боррелли дает ученым захватывающее новое представление об этих важных членах семейства Солнечной системы ».
Теперь Stardust продвинула наши исследования на один шаг вперед. Собрав эти примитивные частицы из кометы Wild 2, частицы пыли будут безопасно храниться в аэрогеле для изучения после возвращения зонда. Дональд Браунли из НАСА говорит: «Кометная пыль будет также изучаться в режиме реального времени с помощью масс-спектрометра во время полета, полученного из прибора PIA, доставленного комете Галлея во время миссии Джотто. Этот инструмент предоставит данные о материалах органических частиц, которые могут не выжить при захвате аэрогеля, и предоставит бесценный набор данных, который можно использовать для оценки разнообразия среди комет по сравнению с данными пыли Галлея, записанными с использованием той же технологии ».
Эти самые частицы могли бы содержать ответ, объясняющий, как межзвездная пыль и кометы могли сеять жизнь на Земле, предоставляя физические и химические элементы, необходимые для ее развития. По словам Браули, «Звездная пыль захватила тысячи частиц кометы, которые будут возвращены на Землю для подробного анализа исследователями по всему миру». Эти образцы пыли позволят нам оглянуться назад примерно на 4,5 миллиарда лет назад, рассказав нам о фундаментальной природе межзвездных зерен и других твердых материалов - самих строительных блоков нашей собственной солнечной системы. Оба атома, найденные на Земле и в наших собственных телах, содержат те же материалы, что и кометы.
И это становится все лучше. Теперь на пути к комете Комета 67 P / Чурюмов-Герасименко, Розетта ЕКА будет углубляться в тайну комет, когда она попытается успешно приземлиться на поверхности. Согласно ESA, такое оборудование, как «Анализатор зернистости и накопитель пыли (GIADA)» будет измерять количество, массу, импульс и распределение частиц пыли, исходящих из ядра кометы и из других направлений (отраженных давлением солнечной радиации) - в то время как Система анализа пыли микроизображения (MIDAS) будет изучать пылевую среду вокруг кометы. Он предоставит информацию о населенности, размере, объеме и форме частиц ».
Одна кометная частица может представлять собой совокупность миллионов отдельных межзвездных пылевых частиц, что позволяет нам по-новому взглянуть на галактические и туманные процессы, улучшая наше понимание как комет, так и звезд. Так же, как мы производили аминокислоты в лабораторных условиях, которые имитируют то, что может происходить в комете, большая часть нашей информации была получена косвенно. Понимая поляризацию, поглощение на длине волны, рассеивающие свойства и форму силикатного элемента, мы получаем ценные знания о физических свойствах того, что нам еще предстоит исследовать. Цель Розетты будет заключаться в том, чтобы доставить посадочный аппарат к ядру кометы и развернуть его на поверхности. Наземная наука сосредоточится на изучении состава и структуры ядра на месте - беспрецедентного исследования кометного материала - предоставляя таким исследователям, как доктор Йохен Киссел, ценную информацию.
4 июля 2005 года миссия Deep Impact прибудет в Храм Кометы 1. Под землей может быть еще больше ответов. В попытке сформировать новый кратер на поверхности кометы, будет выпущена масса 370 кг, чтобы воздействовать на солнечную сторону Tempel 1. Результатом будет свежий выброс частиц льда и пыли и будет способствовать нашему пониманию о кометах, наблюдая за изменениями в активности. Летающий корабль будет следить за структурой и составом внутренней части кратера, передавая данные специалисту по земной кометной пыли Кисселю. «Глубокое воздействие будет первым, чтобы смоделировать естественное событие - воздействие твердого тела на ядро кометы. Преимущество состоит в том, что время удара хорошо известно, и когда происходит удар, космический корабль правильно оборудован. Это определенно предоставит информацию о том, что находится ниже поверхностей, с которых у нас есть фотографии предыдущих миссий. Многие теории были сформулированы для описания термического поведения ядра кометы, требующего толстых или тонких корок и / или других особенностей. Я уверен, что все эти модели должны будут дополняться новыми после Deep Impact ».
После целой жизни исследований комет доктор Киссел все еще идет по следу пыли: «Исследование комет очаровывает тем, что после каждого нового измерения появляются новые факты, которые показывают нам, насколько мы были неправы. И это все еще на глобальном уровне ». По мере совершенствования наших методов улучшается наше понимание этих посетителей из Облака Оорта. Кисель говорит: «Ситуация непростая, и так как многие простые модели достаточно хорошо описывают глобальную кометную деятельность, в то время как детали еще предстоит проработать, а модели, включающие химические аспекты, пока недоступны». Для человека, который был там с самого начала, работа с Deep Impact продолжает выдающуюся карьеру. «Я рад быть частью этого, - говорит д-р Кисель, - и я очень хочу посмотреть, что произойдет после глубокого воздействия, и благодарен за то, что являюсь его частью».
В первый раз исследования пойдут хорошо под поверхностью кометы, раскрывая ее нетронутые материалы - нетронутые с момента ее образования. Что лежит под поверхностью? Надеемся, что спектроскопия показывает углерод, водород, азот и кислород. Известно, что они производят органические молекулы, начиная с основных углеводородов, таких как метан. Будут ли эти процессы усложнены для создания полимеров? Найдем ли мы основу для углеводов, сахаридов, липидов, глицеридов, белков и ферментов? След следов пыли может очень хорошо привести к основанию самого захватывающего из всех органических веществ - дезоксирибонуклеиновой кислоты - ДНК.
Автор Тэмми Плотнер
