Doc. RNDr. Ján Svoreň, DrSc. Astronomický ústav SAV ...ncpvat.cvtisr.sk/buxus/docs/Vedecka_cukraren/2015/VC-2015-9-Svoren...Kométy vo svetle najnovších objavov Doc. RNDr. Ján

Kométy vo svetle najnovších objavov

Doc. RNDr. Ján Svoreň, DrSc.

Astronomický ústav SAV

Tatranská Lomnica

Bratislava – Vedecká cukráreň 22.9.2015

1. Kométy ako atmosférické javy

História kometárnej astronómie sa prirodzene delí na niekoľko období. Pred rokom 1600 boli kométy považované za nebeské výstrahy a neboli zreteľne spájané s astronomickými, ale viac s meteoro-logickými javmi. Najstaršie záznamy o kométach pochádzajú z obdobia okolo roku 1000 pred n.l. z Číny a z Chaldejska (na území dnešného Iraku).

História

Slovo kométa, používané teraz s malými odchýlkami vo všetkých európskych jazykoch pochádza z gréčtiny ( kometes = „vlasatá“).

Prvý názor na kométy, ktorý nevychádzal len zo strachu, ale snažil sa zistiť podstatu javu – starí Chaldejci – považovali kométu za vzduchový vír, ktorý rotuje vo veľkej výške v zemskej atmosfére, kde sa trením zapálil a žiari.

Aristoteles (Meteorológia - zhruba 330 pred n.l.) –kométy ako o suché a horúce exhaláty vo vysokej atmosfére. Vďaka jeho autorite, tento pomerne primitívny názor pretrval až do 16. storočia.

Napr. Ptolemaios vo svojom Almageste kométy vôbec nespomína, keďže ich nepovažoval za nebeské telesá.

Halleyova kométa - rok 1066

2. Éra výpočtov dráh

Definitívne – kométy medzi nebeskými telesami – na základe pozorovania jasnej kométy z roku 1577.

Tycho Brahe a Tadeáš Hájek z Hájku, pozorovali kométu z rôznych, dosť vzdialených miest na Zemi, pričom nezistili žiadnu paralaxu – kométa sa premietala na oblohu medzi tie isté hviezdy => kométa je v priestore ďalej ako Mesiac.

kométa, ktorej

vzdialenosť určujeme

hviezdne pozadie

Zem 1 Zem 2

paralaktický

uhol

Newton (Principia 1687), aplikoval ním sformulovaný gravitačný zákon na pohyb kométy z roku 1680 – zistil, pohyb po eliptickej dráhe, málo odlišný od paraboly.

Halley výpočet (r. 1705) dráh všetkých komét pozorovaných v minulosti na dostatočne dlhom oblúku. Zistil: jasné kométy z roku 1531, 1607 a 1682 sa pohybujú po veľmi podobných dráhach => opakované návraty jedného telesa a predpovedal jeho návrat na r. 1758.

Kométa sa skutočne vrátila a dnes má meno 1P/Halley, čo znamená, že je to prvá známa periodická kométa.

Edmond

Hal ley

Halleyova kométa

Halleyova kométa

3. Fyzikálny výskum komét

Od objavu periodicity Halleyovej kométy do r. 1835 – najmä meranie polôh komét a výpočet ich dráh.

1835 - ďalší návrat Halleyovej kométy – začiatok éry fyzikálneho výskumu komét. F.W. Bessel na základe pozorovaní nepravidelného rozloženia svietiacej hmoty v kome Halleyovej kométy sformuloval možnosť negravitačných efektov usmerneného úniku hmoty z kometárneho jadra a vytvoril tiež fontánovú teóriu kometárnych chvostov. Teória správne hovorila o úniku častíc z jadra kométy v smere k Slnku a následnom vypudení neznámou silou do kometárneho chvosta. Model bol dopracovaný v roku 1910 A. Eddingtonom, keď v roku 1900 s. Arrhenius navrhol ako možnú repulzívnu silu, tlak slnečného žiarenia.

Ďalší významný krok v pochopení podstaty komét urobil G. Schiaparelli (1867), ktorý zistil, že dráhy meteorických rojov Perzeíd a Leoníd sú veľmi podobné dráham komét P/Swift-Tuttle (1862 III) and P/Tempel-Tuttle (1866 I).

Predpoklad o súvise komét a meteorických rojov potvrdila sama príroda. R. 1845 – P/Biela (1852 III) – rozdelenie na 2 časti, ktoré sa od seba vzďaľovali. V r. 1852 prešli perihéliom s odstupom 15 dní. Pri ďalších návratoch už neboli pozorovateľné, zato sa v dráhe kométy objavil v rokoch 1872 a 1885 mohutný meteorický roj Andromedíd.

1950 – F. Whipple – model pevného kometárneho jadra ako konglomerátu ľadu a prachu (4:1).

Jadro – zmes ľadov, z ktorých sú sublimáciou uvoľňované plyny do komy so vzrastajúcou intenzitou s približovaním sa k Slnku a meteorického prachu, ktorý je unášaný prúdiacim plynom.

Priame meranie jadra Halleyovej kométy sondou Giotto v roku 1986 – potvrdenie modelu.

4. Objavy polovice 20. storočia

Jadro Halleyovej kométy

1950 - druhý významný objav, ktorý významne ovplyvnil kometárnu astronómiu.

J.H. Oort – objav vzdialeného rezervoáru komét (Oortov oblak). Napriek neskoršej revízii nášho pohľadu na dynamický vývoj komét, je Oortov oblak aj dnes chápaný ako významný zdroj neperiodických komét.

K týmto míľnikom kometárnej astronómie možno priradiť aj tretí objav z rovnakého obdobia.

1951 – L. Biermann – vysvetlenie pohybov v plazmových chvostoch komét interakciou so slnečným vetrom. Je zaujímavé, že priame meranie slnečného vetra uskutočnili umelé družice Zeme až o desaťročie neskôr.

Kométa Hale-Bopp

5. Moderná éra

Od r. 1983 – začiatok príprav na International Halley Watch - koordinovanie zberu, spracovania a archivácie údajov. Zdvojnásobenie našich dovtedajších vedomostí o kométach. Pozemské programy zamerané na astrometriu, fotometriu a polarimetriu, skúmanie blízkojadrových a veľkoškálových javov a meteorický prúd Halleyovej kométy, (η–Akvaridy a Orionidy). Kométu skúmalo 6 sond – najúspešnejšia západoeurópska sonda GIOTTO (608 km od jadra).

Periodická kométa Shoemaker-Levy 9

Kométy v blízkosti Slnka

Kométa Wild 2 – sonda Stardust

7. Kometárne jadro

8. Chvosty komét

Hoci považovaný za charakteristický jav pre kométy, významnejší chvost sa vyskytuje sa len u malého počtu komét. Priemer chvostov sa rozširuje lineárne so vzdialenosťou od komy a môže dosiahnuť až 106 km. Chvosty delíme na: plazmové, prachové, sodíkové a protichvosty.

Kométa Bennett fotografovaná na

Skalnatom plese 10. apríla 1970.

Rekordné dĺžky chvostov:

kométa dĺžka chvosta [AU]

1680 (Kirch) 2,00

1843 I 1,67

1882 II 0,67

1811 Flaugergues 0,60

1858 VI (Donati) 0,47

Kométa Hale-Bopp fotografovaná na

Skalnatom plese dňa 3. apríla 1997

Kométa Hyakutake

Kométa West

Kométa Arend-Roland –

anomálny chvost

kométa Mc Naught

Kometárne chvosty sú mimoriadne riedke. Možno povedať, že hustota chvosta je nižšia než vákuum pripravené v pozemských laboratórnych podmienkach.

9. Vodíkové halo

halo, pozorovateľné v ultrafialovej čiare L, ktoré je oveľa väčšia než normálna koma: jeho veľkosť môže byť až 10 mil. km.

Vodíkové halo vzniká rozkladom molekúl vody z jadra – pri fotodisociácii získa atóm vodíka (H) a molekula hydroxylu (OH) kinetickú energiu. V dôsledku zachovania momentu hybnosti odletí atóm H až do vzdialenosti miliónov kilometrov. Ťažšia molekula OH neodletí tak ďaleko a vytvorí menšiu OH-komu.

Skúmanie komét patrí od založenia observatória

na Skalnatom plese pred 72 rokmi medzi

ťažiskové programy

Oblasti výskumu komét:

– astrometria

– výpočty a analýzy dráh

– fyzikálny vývoj komét

Halleyova

kométa

10.1.1986

Skalnaté pleso

CCD-snímka málo-jasnej kométy

Úspechy Astronomického ústavu SAV

vo výskume komét vo svetovom meradle:

– objav 18 nových komét

– vytvorenie uznávanej vedeckej školy prof. Kresáka zameranej

na vývoj a vzájomné interakcie medziplanetárnej hmoty

– úspešný podiel na medzinárodnom programe výskumu Halleyovej kométy – International Halley Watch

Kométa Mrkos - r. 1957

a

Lovci komét

Vesmírna sonda Európskej kozmickej agentúry Rosetta letela viac ako 10 rokov Slnečnou sústavou k svojmu cieľu – periodickej kométe 67P/Churyumov-Gerasimenko. Kľúčový moment veľkého ambiciózneho projektu – pristátie na kometárnom jadre.

Projekt ESA – vesmírna sonda Rosetta

Vesmírna sonda Rosetta

Kometárna hmota sa najmenej zmenila od čias jej kondenzácie z proto-slnečnej hmloviny a dokonca sú v nej zachované aj protosolárne zrná. Preto ju môžeme považovať za najprimitívnejší materiál v Slnečnej sústave.

Kométa 67 P na snímke ESA


Kľúčovou úlohou sondy ESA Rosetta je pokus získať pôvodný nezmenený materiál z jadra kométy 67P/Čurjumov-Gerasimenko. Rosetta sa postupne priblížila ku kometárnemu jadru počas jeho obehu okolo Slnka. Počas tejto dlhej cesty sonda vykonávala nielen komplexný diaľkový prieskum Zeme a analýzu materiálu z jadra a kómy, ale uvoľnila tiež pristávací modul na povrch kométy, aby vykonal vôbec prvé meranie in situ v nedotknutom materiáli pri nízkej teplote a v prostredí mikrogravitácie.

ľad na

povrchu jadra


Rosetta študuje jadro kométy a jeho okolie sprevádzajúc kométu mnoho mesiacov na pred- a po-perihéliovom oblúku dráhy kométy. Vedecké prístroje na sonde získavajú údaje z meraní „in situ“ z blízkej obežnej dráhy okolo jadra začínajúc v heliocentrickej vzdialenosti 3,5 AU a pokračujúc cez perihélium (1,25 AU) až do heliocentrickej vzdialenosti asi 2 AU. Pristávací modul Philae zostúpil na povrch jadra v čase, keď na jadre bola len malá aktivita pre značnú vzdialenosť kométy od Slnka. Analýza takejto čistej kometárnej látky „in situ“ mala byť vôbec prvou v histórii výskumu komét.

Predstava pristávacieho modulu Philae na povrchu kometárneho jadra


Rosetta bola vypustená 2. marca 2004 na heliocentrickú dráhu, ktorá ju doviedla späť k Zemi takmer presne o rok neskôr. Tesný prelet popri Zemi vo vzdialenosti len 1 955 km umožnil prvú významnú zmenu dráhy s využitím zemskej gravitácie. V auguste 2005 bola Rosetta uložená na svoj prvý zimný spánok. Režim hibernácie bol navrhnutý tak, aby sa maximálne predĺžila životnosť kľúčových kozmických systémov.


Ďalšou dôležitou aktivitou bola druhá zmena dráhy tentoraz pomocu gravitácie Marsu 25. februára 2007 preletom len 250 km nad jeho povrchom. Dalšia zmena dráhy pomocou gravitácie Zeme bola úspešne vykonaná 13. novembra 2007 vo vzdialenosti 5301 km od zemského povrchu.


Dňa 5. septembra 2008 absolvovala Rosetta blízke stretnutie s asteroidom 2867 Steins s relatívnou rýchlosťou približne 9 km/sekundu. Tretím a zároveň posledným gravitačným usmernením sondy pomocou gravitácie Zeme 13. novembra 2009 (vzdialenosť 2480 km) získala sonda zložky rýchlosti potrebné pre priblíženie ku kométe. Ešte pred stretnutím s kométou preletela Rosetta 10. júla 2010 okolo asteroidu 29 Lutetia . Po tomto stretnutí sa sonda uložila na druhý zimný spánok, z ktorého bola prebudená 23. januára 2014.


22. mája 2014 začala záverečná fáza prípravy na stretnutie s kométou. V tom čase bola sonda 4 AU od Slnka a 3,3 AU od Zeme a jadro kométy 67P/Churyumov-Gerasimenko bolo viditeľné navigačnými zariadeniami sondy a kamerami.

Kométa 67P - 27. marca 2014 na prvej snímke sondy Rosetta


Na obežnú dráhu kométy sa dostala v auguste 2014 vo vzdialenosti 3,4 AU od Slnka a 2,8 AU od Zeme. Rosetta začala globálne pozorovanie a mapovanie jadra, počas ktorého sa sonda priblížila na vzdialenosť niekoľko kilometrov od povrchu. V novembri 2014, vo vzdialenosti zhruba 3 AU od Slnka, pristál modul Philae na povrchu jadra kométy. Plánovaný koniec misie bol 30. 12. 2015, po opätovnom prebudení Philae je misia predĺžená do 30.9.2016.

možné miesta

pristátia Philae



kométa 7.6.2015

kométa 5.6.2015



jadro z výšky 10 km


jadro z výšky 8,9 km

balvan Cheops

priemeru 45 m


Ľadové bloky na

povrchu jadra kométy

67P. Príklad zhluku

svetlých škvŕn

nájdených v oblasti

Khepri (hore)

a individuálneho

balvanu s jasnými

škvrnami na jeho

povrchu v oblasti

Hatmehit (dole).

V oboch prípadoch ide

o expozície vodného

ľadu. Snímky sú zo

vzdialenosti 20 km od

stredu kométy..


morfologicky i vývojovo rôzne oblasti na povrchu jadra


Jama na povrchu nasnímaná 28. 8. 2014 zo vzdialenosti 60 km. Po

zvýšení kontrastu (obr. vpravo) vidno jemné štruktúry v tieni jamy,

ktoré sú pravdepodobne zárodky prúdov plynu unikajúcich z jadra.


Dva horné obrázky

ukazujú, že oblasť

krku dostáva najmenej

slnečného žiarenia, dva

dolné, že aj po

započítaní odrazeného

žiarenia je oblasť krku

najchladnejšia.


Časť krku jadra kométy 67P s rozsiahlou trhlinou, pozdĺž ktorej

môže dôjsť k rozdeleniu jadra na dve časti.


ZAUJÍMAVOSTI 1. Rosetta dostala meno po úžasnej Rosettskej doske, ktorá bola kľúčom k rozlúšteniu egyptských hieroglyfov. Astronómovia dúfajú, že sonda Rosetta bude rovnako kľúčom k pochopeniu vzniku Slnečnej sústavy. Pristávací modul Philae je pomenovaný po nílskom ostrove, kde bola doska s nápismi objavená.


ZAUJÍMAVOSTI 2. Pôvodne mala byť Rosetta vypustená v januári 2003, pričom cieľom v tom čase bola periodická kométa 46P/Wirtanen s plánovaným stretnutím v roku 2011. Problémy s nosnou raketou Ariane znamenali posun projektu a následne si vynútili aj zmenu cieľového objektu.

Kométa Wirtanen


ZAUJÍMAVOSTI 3. V novembri 2007, počas druhého priblíženia k Zemi bola Rosetta chybne považovaná za novo objavený asteroid, pričom dostala aj označenie 2007 VN84. „Objav“ sa uskutočnil v rámci štandardného vyhľadávacieho programu (Catalina Sky Survey), pričom bol zaradený do zoznamu objektov nebezpečných pre Zem. Až po niekoľkých dňoch si Denis Denisenko všimol podobnosť dráh, čo viedlo k zisteniu, že nejde o asteroid, ale o sondu, ktorá sa k Zemi blíži celkom plánovane.

Chrám Philae na ostrove Agilkia


Vedecké experimenty Experimenty na skúmanie periodickej kométy 67P/Churyumov-Gerasimenko môžeme rozdeliť do troch oblastí - skúmanie kometárneho jadra, skúmanie plynnej a prachovej komy a skúmanie interakcií kométy so slnečným vetrom.

Výskum kometárneho jadra Na výskum jadra sú pripravené 3 spektrálne zriadenia, mikrovlnný rádiový systém a radar:


Celkový pohľad mriežka

detektor

ALICE (ultrafialový zobrazovací spektrograf). Ultrafialový spektrograf zisťuje množstvo inertných plynov (hélium, neón, argón, kryptón, xenón a radón) v kometárnom jadre. Na základe získaných hodnôt je možné odhadnúť teplotu počas formovania sa kométy. Detekcia sa vykonáva pomocou bromidu draselného a jodidu cézia. Prístroj potrebuje na prevádzku len 2,9 watov, dodala ho NASA a vylepšená verzia je na kozmickej sonde New Horizons, ktorá bude budúce leto skúmať trpaslíčiu planétu Pluto. Prístroj pracuje v ďalekej ultrafialovej oblasti medzi 70 a 205 nm.


kamera

číp a kotúč filtrov

OSIRIS (optický, spektroskopický a infračervený diaľkový zobrazovací systém). Kamerový systém má štandardný objektív (700 mm) a širokouhlý objektív (140 mm), s CCD čípom 2048x2048 pixelov, dodalo ho Nemecko.


celkový pohľad

testovacie snímky

VIRTIS (tepelný zobrazovací spektrometer pre viditeľnú a infračervenú oblasť). Bude poskytovať obrazy jadra v IR oblasti a vyhľadávať IR spektrá molekúl v kóme. Prístroj bol vyrobený v Taliansku a vylepšené verzie boli použité pre kozmické sondy Dawn a Venus Express.

.


MIRO (mikrovlnný prístroj pre orbitálnu časť Rosetty). Je schopný zisťovať množstvo a teplotu prchavých látok, ako je voda, amoniak a oxid uhličitý. 30 centimetrová rádiová anténa bola postavená v Nemecku, zvyšok prístroja v USA.


CONSERT (skúmanie jadra rádiovými vlnami). Tento experiment poskytne informácie o vnútorných častiach kometárneho jadra pomcou radaru. Radar mal vykonávať tomografiu jadra meraním šírenia elektromagnetických vĺn medzi pristávacím modulom Philae a orbitálnou časťou Rosetty cez jadro kométy. To malo umožniť určiť vnútornú štruktúru kométy a odvodiť informácie o zložení jadra. Elektronika bola vyvinutá vo Francúzsku a obe antény boli vyrobené v Nemecku.

RSI (výskum v rádiovej oblasti). RSI využíva komunikačný systém sondy na fyzikálne skúmanie jadra a vnútornej komy kométy. Ide o vedľajší produkt, hlavnou úlohou komunikačného systému je zabezpečenie komunikácie a telemetrie medzi orbitálnou časťou a pristávacím modulom Philae.

RSI anténa


Výskum plynnej a prachovej komy • ROSINA (spektrometre na orbitálnej časti pre meranie nabitých a neutrálnych častíc). Prístroj obsahuje 2 hmotové spektrometre - DFMS s vysokým rozlíšením pre molekuly až do hmotnosti približne 300 Daltonov (1 Dalton je atómová hmotnostná jednotka o veľkosti približne jedného nukleónu, presne je to jedna dvanástina hmotnosti atómu uhlíka C12) a RTOF, ktorý je veľmi citlivý na neutrálne molekuly a ióny.

RTOF spektrometer senzor na meranie tlaku


MIDAS (mikrozobrazovací analyzátor prachu). Mikroskop s vysokým rozlíšením bude vyšetrovať fyzikálne parametre prachových častíc. .

otvor pre vstup prachových častíc


COSIMA (analyzátor kometárnych iónov). Prístroj analyzuje zloženie kometárnych častíc, pričom je schopný analyzovať ióny až do hmotnosti 4000 Daltonov.

celkový pohľad laboratórny model


GIADA (analyzátor dopadu prachových častíc). Prístroj slúži okrem zisťovania dopadov prachových častíc aj ako zberač prachu.


Výskum interakcií kométy so slnečným vetrom RPC (Rosetta Plazma Consorcium). Obsahuje viacero experimentov na výskum interakcií kometárnej plazmy s medziplanetárnym prostredím a elektricky nabitými časticami slnečného vetra.


RPC (Rosetta Plazma Consorcium)

ICA - meranie molekulárnych a ťažkých iónov

IES - senzor nabitých častíc

MAG – magnetometer

Oddelenie kozmickej fyziky ÚEF SAV sa podieľalo na realizácii jednotky ESS (Electric Support System) v rámci vedecko-technickej spolupráce s Laboratóriom kozmických technológií Írskej národnej univerzity (STIL - NUIM) v Maynooth, Írsko.

ESS zabezpečovala oddelenie orbitálneho a pristávacieho modulu a tiež zabezpečuje obojstrannú dátovú komunikáciu medzi nimi.


http://space.saske.sk/projects/ess/?lang=1

http://space.saske.sk/projects/ess/photo.jpg

kométa Mc Naught

Ďakujem za pozornosť

Documents

Doc. RNDr. Ján Svoreň, DrSc. Astronomický ústav SAV ...ncpvat.cvtisr.sk/buxus/docs/Vedecka_cukraren/2015/VC-2015-9-Svoren...Kométy vo svetle najnovších objavov Doc. RNDr. Ján