Halley's Comet. Billedkredit: MPAE. Klik for at forstørre.
Som professor emeritus ved Max Planck Institute har Dr. Kissel en livslang hengivenhed til studiet af kometer. ”I begyndelsen af det 20. århundrede fører komethalerne til postulationen og senere til detekteringen af 'solvinden', en strøm af ioniserede atomer, der konstant sprænges væk fra solen. Efterhånden som astronomiske observationer blev mere magtfulde, kunne flere og flere bestanddele identificeres, både faststofpartikler og gasformige molekyler, neutrale og ioniserede. ” Efterhånden som vores teknikker til at studere disse ydre solsystembesøgere blev mere raffinerede, så har vores teorier om, hvad de måtte være sammensat af - og hvordan de ser ud. Siger Kissel, ”Mange modeller er blevet foreslået for at beskrive det kometiske dynamiske udseende, hvorfra Fred Whipple tilsyneladende var den mest lovende. Den postulerede en kerne bestående af vandis og støv. Under påvirkning af solen ville vandisen sublimere og accelerere støvpartikler undervejs. ”
Stadig var de et mysterium - et mysterium, som videnskaben var ivrig efter at løse. ”Først efter Halley blev det kendt, at mange kometer er en del af vores solsystem og kredser rundt om solen, ligesom planeterne gør, bare på andre baner af typen og med yderligere effekter på grund af emission af materialer.” kommentarer Kissel. Men kun ved at komme tæt på og personlig med en komet var vi i stand til at opdage langt mere. Da Halley vendte tilbage til vores indre solsystem, blev planerne lavet til at fange en komet, og dens navn var Giotto.
Giottos mission var at få farvefotografier af kernen, bestemme den elementære og isotopiske sammensætning af flygtige komponenter i det kometære koma, studere forældremolekylerne og hjælpe os med at forstå de fysiske og kemiske processer, der forekommer i den kometære atmosfære og ionosfæren. Giotto ville være den første til at undersøge de makroskopiske systemer af plasma-strømme, der er resultatet af den kometære-solvind-interaktion. Højt på listen over prioriteter var måling af gasproduktionshastigheden og bestemmelse af støvpartiklernes elementære og isotopiske sammensætning. Kritisk for den videnskabelige undersøgelse var støvfluxen - dens størrelse og massefordeling og det afgørende støv-til-gas-forhold. Da de indbyggede kameraer fotograferede kernen fra 596 km væk - bestemte dens form og størrelse - overvågede det også strukturer i støvkoma og undersøgte gassen med både neutrale og ionmassespektrometre. Som videnskaben mistænkte, fandt Giotto-missionen, at gassen overvejende var vand, men den indeholdt kulilte, kuldioxid, forskellige kulbrinter samt et spor af jern og natrium.
Som teamforskningsleder for Giotto-missionen minder Dr. Kissel om, ”Da de første close-up-missioner til kometen 1P / Halley kom med, blev en kerne tydeligt identificeret i 1986. Det var også første gang, at støvpartikler, kometen frigjorte gasser blev analyseret in situ, dvs. uden menneskelig forstyrrelse eller transport tilbage til jorden. ” Det var en spændende tid inden for kometær forskning, gennem Giottos instrumentering kunne forskere som Kissel nu studere data som aldrig før. ”Disse første analyser viste, at partikler alle er en intim blanding af organisk materiale med høj masse og meget små støvpartikler. Den største overraskelse var bestemt den meget mørke kerne (der kun reflekterede 5% af lyset skinner på det) og mængden og kompleksiteten af det organiske materiale. ”
Men var en komet virkelig noget mere eller bare en beskidt snebold? ”Indtil i dag er der - efter min viden - ingen måling, der viser eksistensen af fast vandis, der er eksponeret på en pengeoverflade.” siger Kissel, ”Vi fandt imidlertid, at vand (H2O) som en gas kunne frigives ved kemiske reaktioner, der foregår, når kometen i stigende grad opvarmes af solen. Årsagen kan være 'latent varme', dvs. energi, der er lagret i det meget koldt kometære materiale, som erhvervede energien ved intens kosmisk stråling, mens støvet rejste gennem det interstellare rum gennem bindingsbrydning. Meget tæt på den model, som afdøde J. Mayo Greenberg har argumenteret for i årevis. ”
Vi ved nu, at Comet Halley bestod af det mest primitive materiale, vi kender i solsystemet. Med undtagelse af nitrogen var de viste lyselementer ret ens i overflod som vores egen sol. Flere tusinde støvpartikler blev bestemt til at være brint, kulstof, nitrogen, ilt - såvel som mineraldannende elementer som natrium, magnesium, silicium, calcium og jern. Fordi de lettere elementer blev opdaget langt væk fra kernen, vidste vi, at de ikke var kometære ispartikler. Fra vores undersøgelser af kemi med interstellar gas omkring stjerner har vi lært, hvordan kulstofkædemolekyler reagerer på elementer som nitrogen, ilt og i en meget lille del, brint. I den ekstreme kulde af rummet kan de polymerisere - ændre molekylarrangementet af disse forbindelser til at danne nyt. De ville have den samme procentvise sammensætning af originalen, men en større molekylvægt og forskellige egenskaber. Men hvad er disse egenskaber?
Takket være nogle meget nøjagtige oplysninger fra sondens nære møde med kometen Halley, har Ranjan Gupta fra Inter-University Center for Astronomy and Astrophysics (IUCAA) og hans kolleger gjort nogle meget interessante fund med kometær støvsammensætning og spredningsegenskaber. Siden begyndelsesmissionerne til kometer var "fly-bys", blev alt det fangede materiale analyseret in-situ. Denne type analyse viste, at kometære materialer generelt er en blanding af silikater og kulstof i amorf og krystallinsk struktur dannet i matrixen. Når vandet fordamper, varierer størrelserne på disse korn fra under-mikron til mikron og er meget porøs i naturen - indeholdende ikke-sfæriske og uregelmæssige former.
Ifølge Gupta var de fleste af de tidlige modeller af lysspredning fra sådanne korn “baseret på faste kugler med konventionel Mie-teori, og først i de senere år - når rumopgaverne gav stærke bevis mod dette - er nye modeller blevet udviklet, hvor ikke -sfæriske og porøse kerner er blevet brugt til at gengive det observerede fænomen ”. I dette tilfælde produceres lineær polarisering af kometen fra det indfaldende sollys. Begrænset til et plan - i hvilken retning lyset er spredt - varierer det efter position, når kometen nærmer sig eller går tilbage fra solen. Som Gupta forklarer, "Et vigtigt træk ved denne polariseringskurve versus spredningsvinklen (henvist til sol-jord-komet-geometrien) er, at der er en vis grad af negativ polarisering."
Denne negativitet, der er kendt som 'rygspredning', opstår ved overvågning af en enkelt bølgelængde - monokromatisk lys. Mie-algoritmen modellerer alle de accepterede spredningsprocesser forårsaget af en sfærisk form under hensyntagen til ekstern reflektion, flere interne reflektioner, transmission og overfladebølger. Denne intensitet af spredt lys fungerer som en funktion af vinklen, hvor 0? indebærer fremadrettet spredning væk fra lysets oprindelige retning, mens 180? indebærer spredning af ryggen - tilbage tildeler lyskilden.
Ifølge Gupta ses "Rygspredning i de fleste kometer generelt i de synlige bånd og for nogle kometer i de næsten infra røde (NIR) bånd." På nuværende tidspunkt har modeller, der forsøger at gengive dette aspekt af negativ polarisering ved høje spredningsvinkler, meget begrænset succes.
Deres undersøgelse har brugt en modificeret DDA (diskret tilnærmelse af dipol) - hvor hvert støvkorn antages at være en række dipoler. Et stort spektrum af molekyler kan indeholde bindinger, der er mellem yderpunkterne af ionisk og kovalent. Denne forskel mellem elektronegativiteten af atomerne i molekylerne er tilstrækkelig til, at elektronerne ikke deles lige - men er små nok til, at elektronerne ikke kun tiltrækkes af et af atomerne til at danne positive og negative ioner. Denne type binding i molekyler er kendt som polær. fordi det har positive og negative ender - eller poler - og molekylerne har et dipolmoment.
Disse dipoler interagerer med hinanden for at producere lysspredningseffekter som udryddelse - kugler, der er større end bølgelængden for lys, vil blokere monokromatisk og hvidt lys - og polarisering - spredningen af bølgen i det indkommende lys. Ved at bruge en model af sammensatte kerner med en matrix af grafit og silikatsfæroider kan et meget specifikt kornstørrelsesområde kræves for at forklare de observerede egenskaber i kometært støv. ”Imidlertid er vores model heller ikke i stand til at gengive den negative polarisationsgren, som er observeret i nogle kometer. Ikke alle kometer viser dette fænomen i NIR-båndet på 2,2 mikron. ”
Disse sammensatte kornmodeller udviklet af Gupta et al; skal forbedres yderligere for at forklare den negative polarisationsgren såvel som mængden af polarisering i forskellige bølgelængder. I dette tilfælde er det en farveeffekt med højere polarisering i rødt end grønt lys. Mere omfattende laboratoriesimuleringer af sammensatte kerner kommer og "Undersøgelsen af deres lysspredningsegenskaber vil hjælpe med at foredle sådanne modeller."
Menneskets succesrige begyndelse med at følge denne kometære støvspor begyndte med Halley. Vega 1, Vega 2 og Giotto leverede de modeller, der var nødvendige for bedre forskningsudstyr. I maj 2000 drs. Franz R. Krueger og Jochen Kissel fra Max Planck Institute offentliggjorde deres konklusioner som ”First Direct Chemical Analysis of Interstellar Dust”. Siger Dr. Kissel, ”Tre af vores støvpåvirkningsmassespektrometre (PIA ombord på GIOTTO og PUMA-1 og -2 ombord VEGA-1 og -2) stødte på Comet Halley. Med dem var vi i stand til at bestemme den elementære sammensætning af det kometære støv. Molekylær information var imidlertid kun marginal. ” Deep Space 1s tætte møde med Comet Borrelly gav de bedste billeder og andre videnskabelige data hidtil modtaget. På Borelly Team svarer Dr. Kissel: "Den nyere mission til Borrelly (og STARDUST) viste fascinerende detaljer om kometoverfladen, såsom stejle 200 m høje skråninger og spir, der er 20 m brede og 200 m høje."
På trods af missionens mange problemer viste Deep Space 1 sig at være en total succes. I henhold til Dr. Mark Raymans mission den 18. december 2001, "Rigdom videnskabs- og ingeniørdata, der returneres af denne mission, vil blive analyseret og brugt i årene fremover. Test af avancerede teknologier med høj risiko betyder, at mange vigtige fremtidige missioner, der ellers ville have været uoverkommelige eller endda umulige nu, er inden for vores rammer. Og som alle makroskopiske læsere ved, giver den rige videnskabelige høst fra kometen Borrelly forskere fascinerende ny indsigt i disse vigtige medlemmer af solsystemets familie. ”
Nu har Stardust taget vores undersøgelser kun et skridt videre. Ved opsamling af disse primitive partikler fra Comet Wild 2, vil støvkornene opbevares sikkert i airgel til undersøgelse efter sondens tilbagevenden. NASAs Donald Brownlee siger, ”Kometstøv vil også blive undersøgt i realtid af et massespektrometer, der kommer fra PIA-instrumentet, ført til kometen Halley på Giotto-missionen. Dette instrument vil levere data om de organiske partikelmaterialer, der muligvis ikke overlever opsamling af airgel, og det vil give et uvurderligt datasæt, der kan bruges til at evaluere mangfoldigheden blandt kometer i sammenligning med Halley-støvdata registreret med samme teknik. ”
Disse meget partikler kan muligvis indeholde et svar, der forklarer, hvordan interstellært støv og kometer kan have podet liv på Jorden ved at tilvejebringe de fysiske og kemiske elementer, der er afgørende for dens udvikling. Ifølge Browlee, "Stardust fangede tusinder af kometpartikler, der vil blive returneret til Jorden til analyse i intime detaljer af forskere over hele verden." Disse støvprøver vil give os mulighed for at se tilbage for omkring 4,5 milliarder år siden - og lære os om grundlæggende karakter af interstellare kerner og andre faste materialer - selve byggestenene i vores eget solsystem. Begge atomer, der findes på Jorden og i vores egne kroppe, indeholder de samme materialer, som frigives af kometer.
Og det bliver bare ved at blive bedre. Nu undervejs til Comet Comet 67 P / Churyumov-Gerasimenko, vil ESAs Rosetta gå dybere ned i kometernes mysterium, når det forsøger en vellykket landing på overfladen. Ifølge ESA vil udstyr som “Grain Impact Analyzer and Dust Accumulator (GIADA) måle antallet, massen, momentum og hastighedsfordelingen af støvkorn, der kommer fra kometkernen og fra andre retninger (reflekteret af solstrålingstryk) - mens Micro-Imaging Støvanalysesystem (MIDAS) vil undersøge støvmiljøet omkring kometen. Det giver information om partikelpopulation, størrelse, volumen og form. ”
En enkelt kometær partikel kan være en sammensætning af millioner af individuelle interstellare støvkorn, hvilket giver os ny indsigt i galaktiske og nebulære processer, der øger vores forståelse af både kometer og stjerner. Ligesom vi har produceret aminosyrer under laboratorieforhold, der simulerer, hvad der kan forekomme i en komet, er de fleste af vores oplysninger indirekte indhentet. Ved at forstå polarisering, bølgelængdeabsorption, spredningsegenskaber og formen på et silikatfunktion får vi værdifuld viden om de fysiske egenskaber ved det, vi endnu ikke har udforsket. Rosettas mål vil være at transportere en lander til kometens kerne og indsætte den på overfladen. Lander-videnskaben vil fokusere på in-situ-undersøgelse af nukleusens sammensætning og struktur - en enestående undersøgelse af kometermateriale - hvilket giver forskere som Dr. Jochen Kissel værdifuld information.
Den 4. juli 2005 ankommer Deep Impact-missionen til Comet Temple 1. Begravet under dens overflade kan være endnu flere svar. I et forsøg på at danne et nyt krater på kometens overflade frigives en masse på 370 kg for at påvirke Tempel 1's sollys. Resultatet vil være den friske udkast af is- og støvpartikler og vil øge vores forståelse af kometer ved at observere ændringerne i aktivitet. Fly-by-fartøjet vil overvåge strukturen og sammensætningen af kraterets indre - videresende data tilbage til Jordens kometære støvekspert, Kissel. ”Deep Impact vil være den første til at simulere en naturlig begivenhed, virkningen af en solid krop på en kometkernen. Fordelen er, at påvirkningstiden er velkendt, og at et rumfartøj, der er korrekt udstyret, er omkring, når påvirkningen opstår. Dette vil bestemt give information om, hvad der er under overfladerne, hvorfra vi har billeder fra de tidligere missioner. Der er formuleret mange teorier for at beskrive den termiske opførsel af kometkernen, hvilket kræver skorpe, der er tykke eller tynde og eller andre træk. Jeg er sikker på, at alle disse modeller skal komplimenteres af nye efter Deep Impact. ”
Efter en levetid med kometær forskning følger Dr. Kissel stadig støvsporet, ”Det er fascinationen af kometforskning, at der efter hver nye måling er nye fakta, der viser os, hvor forkert vi var. Og det er stadig på et ret globalt niveau. ” Når vores metoder forbedres, gør vores forståelse af disse besøgende fra Oort Cloud også. Kissel siger, "Situationen er ikke enkel, og da mange enkle modeller beskriver de globale økonomiske aktiviteter temmelig godt, mens detaljer stadig skal arbejdes, og modeller, der inkluderer kemiske aspekter, er endnu ikke tilgængelige." For en mand, der har været der helt fra begyndelsen, fortsætter arbejdet med Deep Impact en fremtrædende karriere. "Det er spændende at være en del af det," siger Dr. Kissel, "og jeg er ivrig efter at se, hvad der sker efter Deep Impact og taknemmelig for at være en del af det."
For første gang vil undersøgelser gå godt under overfladen af en komet og afsløre dets uberørte materialer - uberørt siden dannelsen. Hvad lå under overfladen? Lad os håb spektroskopi viser kulstof, brint, nitrogen og ilt. Disse er kendt for at producere organiske molekyler, startende med de basiske carbonhydrider, såsom methan. Vil disse processer være steget i kompleksitet til at skabe polymerer? Finder vi grundlaget for kulhydrater, saccharider, lipider, glycerider, proteiner og enzymer? At følge støvspor kan meget vel føre til grundlaget for det mest spektakulære af alt organisk stof - deoxyribonukleinsyre - DNA.
Skrevet af Tammy Plotner
