Halley's Comet. Bildekreditt: MPAE. Klikk for å forstørre.
Som professor emeritus ved Max Planck Institute har Dr. Kissel en livslang hengivenhet til studiet av kometer. "På begynnelsen av 1900-tallet fører komet-halene til postulering og senere til deteksjon av 'solvinden', en strøm av ioniserte atomer som stadig blåses bort fra solen. Etter hvert som astronomiske observasjoner ble kraftigere, kunne flere og flere bestanddeler identifiseres, både faststoffpartikler og gassformede molekyler, nøytrale og ioniserte. " Etter hvert som teknikkene våre for å studere disse ytre solsystemets besøkende ble mer raffinerte, så har teoriene våre om hva de kan være sammensatt av - og hvordan de ser ut. Kissel sier: "Mange modeller har blitt foreslått for å beskrive det dynamiske utseendet til en komet, som Fred Whipple tilsynelatende var den mest lovende. Den postulerte en kjerne som var laget av vann-is og støv. Under påvirkning av solen ville vannisen sublime og akselerere støvpartikler underveis. "
Likevel var de et mysterium - et mysterium som vitenskapen var ivrig etter å løse. "Ikke før Halley ble det kjent at mange kometer er en del av solsystemet vårt og går i bane rundt solen akkurat som planetene gjør, bare på andre baner av typen og med ytterligere effekter på grunn av utslipp av materialer." kommenterer Kissel. Men bare ved å komme nær og personlig med en komet, kunne vi oppdage langt mer. Med Halleys tilbakekomst til vårt indre solsystem var planene for å fange en komet og navnet Giotto.
Giottos oppgave var å skaffe fargefotografier av kjernen, bestemme elementær og isotopisk sammensetning av flyktige komponenter i den kometære koma, studere foreldremolekylene og hjelpe oss å forstå de fysiske og kjemiske prosessene som oppstår i den kometære atmosfæren og ionosfæren. Giotto ville være den første til å undersøke de makroskopiske systemene for plasmaflyter som følge av det interaktive vind-solvind-interaksjonen. Høyt på listen over prioriteringer var å måle gassproduksjonshastigheten og bestemme den grunnleggende og isotopiske sammensetningen av støvpartiklene. Kritisk for den vitenskapelige undersøkelsen var støvstrømmen - dens størrelse og massefordeling og det avgjørende støv-til-gass-forholdet. Da kameraene ombord avbildet kjernen fra 596 km unna - bestemte dens form og størrelse - overvåket den også strukturer i støv koma og studerte gassen med både nøytrale og ionemassespektrometre. Som vitenskapen mistenkte, fant Giotto-oppdraget at gassen hovedsakelig var vann, men den inneholdt karbonmonoksid, karbondioksid, forskjellige hydrokarboner, samt et spor av jern og natrium.
Som teamforsker for Giotto-oppdraget, husker Dr. Kissel: "Da de første næroppdragene til kometen 1P / Halley fulgte med, ble en kjerne tydelig identifisert i 1986. Det var også første gang at støvpartikler, kometen frigjorte gasser ble analysert in situ, dvs. uten menneskelig forstyrrelse eller transport tilbake til bakken. " Det var en spennende tid i kometær forskning, gjennom Giottos instrumentering kunne forskere som Kissel nå studere data som aldri før. ”Disse første analysene viste at partikler alle er en intim blanding av organisk materiale med høy masse og veldig små støvpartikler. Den største overraskelsen var absolutt den veldig mørke kjernen (som reflekterer bare 5% av lyset som skinner på den) og mengden og kompleksiteten til det organiske materialet. ”
Men var en komet virkelig noe mer eller bare en skitten snøball? "Frem til i dag er det - så vidt jeg vet - ingen målinger som viser eksistensen av fast vannis som er eksponert på en hovedflate." sier Kissel, "Vi fant imidlertid ut at vann (H2O) som en gass kunne frigjøres ved kjemiske reaksjoner som skjer når kometen stadig blir oppvarmet av solen. Årsaken kan være ‘latent varme’, dvs. energi lagret i det veldig kalde kometære materialet, som skaffet seg energien ved intens kosmisk stråling mens støvet beveget seg gjennom det interstellare rommet gjennom bindingsbrytning. Meget nær modellen som avdøde J. Mayo Greenberg har kranglet i årevis. ”
Vi vet nå at Comet Halley besto av det mest primitive materialet som er kjent for oss i solsystemet. Med unntak av nitrogen var de viste lyselementene ganske like i overflod som for vår egen sol. Flere tusen støvpartikler ble bestemt til å være hydrogen, karbon, nitrogen, oksygen - så vel som mineraldannende elementer som natrium, magnesium, silisium, kalsium og jern. Fordi de lettere elementene ble oppdaget langt borte fra kjernen, visste vi at de ikke var kometære ispartikler. Fra våre studier av kjemien til interstellar gass som omgir stjerner, har vi lært hvordan karbonkjedemolekyler reagerer på elementer som nitrogen, oksygen og i en veldig liten del, hydrogen. I den ekstreme kulden i rommet, kan de polymerisere - endre molekylarrangementet av disse forbindelsene til å danne nytt. De ville ha samme prosentvise sammensetning av originalen, men en større molekylvekt og forskjellige egenskaper. Men hva er disse egenskapene?
Takket være veldig nøyaktig informasjon fra sondens nære møte med kometen Halley, har Ranjan Gupta fra Inter-University Center of Astronomy and Astrophysics (IUCAA) og hans kolleger gjort noen veldig interessante funn med kometær støvsammensetning og spredende egenskaper. Siden oppdragene til kometer var "fly-bys", ble alt materialet som ble fanget analysert in-situ. Denne typen analyse viste at kometære materialer generelt er en blanding av silikater og karbon i amorf og krystallinsk struktur dannet i matrisen. Når vannet fordamper, varierer størrelsene på disse kornene fra under-mikron til mikron og er svært porøse i naturen - inneholder ikke-sfæriske og uregelmessige former.
Ifølge Gupta var de fleste av de tidlige modellene for lysspredning fra slike korn “basert på faste kuler med konvensjonell Mie-teori, og først de siste årene - når romoppdragene ga sterke bevis mot dette - har nye modeller blitt utviklet der ikke -Sfæriske og porøse korn er blitt brukt for å reprodusere det observerte fenomenet. I dette tilfellet produseres lineær polarisering av kometen fra det innfallende sollyset. Begrenset til et plan - i hvilken retning lyset er spredt - varierer det etter posisjon når kometen nærmer seg eller går tilbake fra sola. Som Gupta forklarer, "Et viktig trekk ved denne polariseringskurven mot spredningsvinkelen (referert til sol-jord-komet-geometrien) er at det er en viss grad av negativ polarisering."
Denne negativiteten, kjent som ‘ryggspredning’, oppstår når man overvåker en enkelt bølgelengde - monokromatisk lys. Mie-algoritmen modellerer alle de aksepterte spredningsprosessene forårsaket av en sfærisk form, og tar hensyn til ekstern refleksjon, flere interne refleksjoner, transmisjon og overflatebølger. Denne intensiteten av spredt lys fungerer som en funksjon av vinkelen, hvor 0? innebærer spredning fremover, vekk fra lysets opprinnelige retning, mens 180? innebærer spredning av ryggen - ryggen tildeler lyskilden.
I følge Gupta, "Back spredning er sett i de fleste av kometene generelt i de synlige båndene og for noen kometer i de nesten infra røde (NIR) bandene." For øyeblikket har modeller som prøver å reprodusere dette aspektet av negativ polarisering i høye spredningsvinkler, svært begrenset suksess.
Studien deres har brukt en modifisert DDA (diskret tilnærming av dipol) - der hvert støvkorn antas å være en rekke dipoler. Et stort utvalg av molekyler kan inneholde bindinger som er mellom ytterpunktene av ionisk og kovalent. Denne forskjellen mellom elektronegativitetene til atomene i molekylene er tilstrekkelig til at elektronene ikke blir delt likt - men er små nok til at elektronene ikke blir tiltrukket av bare et av atomene til å danne positive og negative ioner. Denne typen binding i molekyler er kjent som polar. fordi det har positive og negative ender - eller poler - og molekylene har et dipoløyeblikk.
Disse dipolene interagerer med hverandre for å produsere lysspredningseffektene som utryddelse - sfærer som er større enn bølgelengden til lys, vil blokkere monokromatisk og hvitt lys - og polarisering - spredningen av bølgen til det innkommende lyset. Ved å bruke en modell av sammensatte korn med en matrise av grafitt og silikatsfæroider, kan et veldig spesifikt kornstørrelsesområde være nødvendig for å forklare de observerte egenskapene i kometær støv. Vår modell er imidlertid ikke i stand til å gjengi den negative polarisasjonsgrenen som er observert i noen kometer. Ikke alle kometer viser dette fenomenet i NIR-båndet på 2,2 mikron. ”
Disse sammensatte kornmodellene utviklet av Gupta et al; må videreutvikles for å forklare den negative polarisasjonsgrenen, så vel som mengden polarisering i forskjellige bølgelengder. I dette tilfellet er det en fargeeffekt med høyere polarisering i rødt enn grønt lys. Mer omfattende laboratoriesimuleringer av komposittkorn kommer og "Studien av deres lysspredningsegenskaper vil hjelpe til med å foredle slike modeller."
Menneskehetens vellykkede begynnelse med å følge denne kometære støvløypa startet med Halley. Vega 1, Vega 2 og Giotto leverte modellene som trengs for å bedre forskningsutstyr. I mai 2000 ga Dr. Franz R. Krueger og Jochen Kissel fra Max Planck Institute publiserte sine funn som “First Direct Chemical Analysis of Interstellar Dust”. Dr. Kissel sier, "Tre av våre massespektrometre med støvpåvirkning (PIA ombord GIOTTO, og PUMA-1 og -2 ombord VEGA-1 og -2) møtte Comet Halley. Med dem var vi i stand til å bestemme den elementære sammensetningen av det kometære støvet. Molekylær informasjon var imidlertid bare marginell. ” Deep Space 1s nære møte med kometen Borrelly ga de beste bildene og andre vitenskapsdata som er mottatt så langt. På Borelly Team svarer Dr. Kissel: "Det nyere oppdraget til Borrelly (og STARDUST) viste fascinerende detaljer om kometoverflaten som bratte 200 meter høye skråninger og spir noen 20 meter brede og 200 meter høye."
Til tross for misjonens mange problemer, viste Deep Space 1 seg til å være en total suksess. I følge Dr. Mark Raymans misjonslogg 18. desember 2001, "vil vell av vitenskapelige og ingeniørdata som returneres av dette oppdraget bli analysert og brukt i mange år fremover. Testingen av avanserte teknologier med høy risiko betyr at mange viktige fremtidige oppdrag som ellers ville vært uoverkommelige eller til og med umulige nå er innenfor vårt grep. Og som alle makroskopiske lesere vet, gir den rike vitenskapelige høsten fra kometen Borrelly forskerne fascinerende ny innsikt i disse viktige medlemmene av solsystemfamilien. ”
Nå har Stardust tatt undersøkelsene våre bare et skritt videre. Samler disse primitive partiklene fra Comet Wild 2, vil støvkornene lagres trygt i airgel for å undersøke når sonden er tilbake. NASAs Donald Brownlee sier: "Kometstøv vil også bli studert i sanntid av et massespektrometer fra tid til flukt avledet fra PIA-instrumentet som ble ført til kometen Halley på Giotto-oppdraget. Dette instrumentet vil gi data om organiske partikkelmaterialer som kanskje ikke overlever fangst av airgel, og det vil gi et uvurderlig datasett som kan brukes til å evaluere mangfoldet blant kometer i sammenligning med Halley støvdata registrert med samme teknikk. "
Disse veldig partiklene kan inneholde et svar som forklarer hvordan interstellært støv og kometer kan ha frøset livet på jorden ved å tilveiebringe de fysiske og kjemiske elementene som er avgjørende for dens utvikling. I følge Browlee fanget "Stardust tusenvis av kometpartikler som vil bli returnert til jorden for analyse, i intim detalj, av forskere over hele verden." Disse støvprøvene vil tillate oss å se tilbake for rundt 4,5 milliarder år siden - og lære oss om grunnleggende karakter av interstellare korn og andre faste materialer - selve byggesteinene i vårt eget solsystem. Begge atomer som finnes på jorden og i våre egne kropper inneholder de samme materialene som frigitt av kometer.
Og det blir bare bedre. Nå underveis til Comet Comet 67 P / Churyumov-Gerasimenko, vil Rosetta fra ESA dykke dypere inn i kometenes mysterium når den forsøker en vellykket landing på overflaten. I følge ESA vil utstyr som “Grain Impact Analyzer and Dust Accumulator (GIADA) måle antall, masse, fart og hastighetsfordeling av støvkorn som kommer fra kometkjernen og fra andre retninger (reflektert av solstrålingstrykk) - mens Micro-Imaging Dust Analysis System (MIDAS) vil studere støvmiljøet rundt kometen. Det vil gi informasjon om partikkelpopulasjon, størrelse, volum og form. "
En enkelt kometær partikkel kan være en sammensatt av millioner av individuelle interstellare støvkorn, slik at vi får ny innsikt i galaktiske og nebulære prosesser som øker vår forståelse av både kometer og stjerner. Akkurat som vi har produsert aminosyrer under laboratorieforhold som simulerer hva som kan forekomme i en komet, er mesteparten av vår informasjon indirekte innhentet. Ved å forstå polarisering, bølgelengdeabsorpsjon, spredningsegenskaper og formen til et silikatfunksjon, får vi verdifull kunnskap om de fysiske egenskapene til det vi ennå ikke har utforsket. Rosettas mål vil være å føre en lander til en kometkjerne og distribuere den på overflaten. Lander-vitenskapen vil fokusere på in-situ-undersøkelse av kjernens sammensetning og struktur - en enestående studie av kometermateriale - som gir forskere som Dr. Jochen Kissel verdifull informasjon.
4. juli 2005 vil Deep Impact-oppdraget ankomme Comet Temple 1. Gravlagt under overflaten kan være enda flere svar. I et forsøk på å danne et nytt krater på kometen, vil en masse på 370 kg bli frigjort for å påvirke Tempel 1s sollys. Resultatet vil være den friske utkastet av is- og støvpartikler og vil øke vår forståelse om kometer ved å observere endringene i aktiviteten. Fly-by-fartøyet vil overvåke strukturen og sammensetningen av kraterets indre - videresende data tilbake til jordas kometære støvekspert, Kissel. “Deep Impact vil være den første til å simulere en naturlig hendelse, virkningen av en solid kropp på en kometkjerne. Fordelen er at påvirkningstiden er godt kjent og et romfartøy som er riktig utstyrt er rundt når påvirkningen oppstår. Dette vil definitivt gi informasjon om hva som er under overflatene vi har bilder fra de tidligere oppdragene fra. Mange teorier er formulert for å beskrive den termiske oppførselen til kometkjernen, noe som krever skorpe som er tykke eller tynne og eller andre funksjoner. Jeg er sikker på at alle disse modellene må kompletteres med nye etter Deep Impact. "
Etter en levetid med kometær forskning følger Dr. Kissel fremdeles støvløypa, “Det er fascinasjonen for kometforskning at etter hver nye måling er det nye fakta, som viser oss, hvor galt vi hadde gjort. Og det er fremdeles på et ganske globalt nivå. ” Når metodene våre forbedres, gjør også vår forståelse av disse besøkende fra Oort Cloud. Kissel sier: "Situasjonen er ikke enkel, og ettersom mange enkle modeller beskriver den globale økonomiske virksomheten ganske bra, mens det fremdeles må jobbes med detaljer, og modeller inkludert kjemieaspektene ennå ikke er tilgjengelige." For en mann som har vært der helt fra begynnelsen, fortsetter å jobbe med Deep Impact en utmerket karriere. "Det er spennende å være en del av det," sier Dr. Kissel, "og jeg er ivrig etter å se hva som skjer etter Deep Impact og er takknemlig for å være en del av det."
For aller første gang vil studier gå godt under overflaten av en komet, og avsløre dens uberørte materialer - uberørt siden dannelsen. Hva lå under overflaten? La oss håpe spektroskopi viser karbon, hydrogen, nitrogen og oksygen. Disse er kjent for å produsere organiske molekyler, startende med de basiske hydrokarboner, for eksempel metan. Vil disse prosessene ha økt i kompleksitet for å lage polymerer? Finner vi grunnlaget for karbohydrater, sakkarider, lipider, glyserider, proteiner og enzymer? Å følge støvsti kan veldig bra føre til grunnlaget for det mest spektakulære av alt organisk materiale - deoksyribonukleinsyre - DNA.
Skrevet av Tammy Plotner
