Halley's Comet. Bildkredit: MPAE. Klicka för att förstora.
Som professor emeritus vid Max Planck-institutet har Dr. Kissel en livslång hängivenhet för studiet av kometer. ”I början av 1900-talet leder kometens svansar till postuleringen och senare till upptäckten av" solvinden ", en ström av joniserade atomer som hela tiden blåses bort från solen. När astronomiska observationer blev mer kraftfulla, kunde fler och fler beståndsdelar identifieras, både fast tillståndspartiklar och gasformiga molekyler, neutrala och joniserade. " När våra tekniker för att studera dessa yttre solsystem besökare blev mer förfinade, så har våra teorier om vad de kan bestå av - och hur de ser ut. Säger Kissel, ”Många modeller har föreslagits för att beskriva en komets dynamiska utseende, varifrån Fred Whipple tydligen var den mest lovande. Den postulerade en kärna som består av vatten-is och damm. Under påverkan av solen skulle vattenisen sublima och påskynda dammpartiklar längs vägen. ”
Fortfarande var de ett mysterium - ett mysterium som vetenskapen var angelägen om att lösa. "Inte förrän Halley var det känt att många kometer är en del av vårt solsystem och kretsar runt solen precis som planeterna gör, bara på andra typer av banor och med ytterligare effekter på grund av utsläpp av material." kommentarer Kissel. Men bara genom att komma nära och personlig med en komet kunde vi upptäcka mycket mer. När Halley återvände till vårt inre solsystem, planerades att fånga en komet och dess namn var Giotto.
Giottos uppdrag var att få färgfotografier av kärnan, bestämma den elementära och isotopiska sammansättningen av flyktiga komponenter i kometär koma, studera modermolekylerna och hjälpa oss att förstå de fysiska och kemiska processerna som förekommer i den kometära atmosfären och jonosfären. Giotto skulle vara den första att undersöka de makroskopiska systemen för plasmaflöden som härrör från den interaktiva kometär-solvinden. Högt på sin lista över prioriteringar var att mäta gasproduktionshastigheten och bestämma elementär och isotopisk sammansättning av dammpartiklarna. Kritiskt för den vetenskapliga undersökningen var dammflödet - dess storlek och massfördelning och det avgörande damm-till-gas-förhållandet. När kamerorna ombord avbildade kärnan från 596 km bort - bestämde dess form och storlek - övervakade den också strukturer i dammkoma och studerade gasen med både neutrala och jonmasspektrometrar. Som vetenskapen misstänkte fann Giotto-uppdraget att gasen huvudsakligen var vatten, men den innehöll kolmonoxid, koldioxid, olika kolväten samt ett spår av järn och natrium.
Som teamforskare för Giotto-uppdraget påminner Dr. Kissel: "När de första närbilden till kometen 1P / Halley kom, identifierades en kärna tydligt 1986. Det var också första gången som dammpartiklar, kometen frisläppna gaser analyserades på plats, dvs utan att människor gjorde störningar eller transporterar tillbaka till marken. ” Det var en spännande tid inom kometär forskning, genom Giottos instrumentering kunde forskare som Kissel nu studera data som aldrig tidigare. ”Dessa första analyser visade att partiklar alla är en intim blandning av organiskt material med hög massa och mycket små dammpartiklar. Den största överraskningen var verkligen den mycket mörka kärnan (som endast speglar 5% av ljuset som skiner på den) och mängden och komplexiteten hos det organiska materialet. ”
Men var en komet verkligen något mer eller bara en smutsig snöboll? "Fram till idag finns det - såvitt jag vet - ingen mätning som visar att det finns en fast vattenis exponerad på en kunglig yta." säger Kissel, ”Men vi fann att vatten (H2O) som gas kunde frigöras genom kemiska reaktioner som pågår när kometen alltmer värms upp av solen. Anledningen kan vara "latent värme", dvs energi lagrad i det mycket kalla kometära materialet, som förvärvade energin genom intensiv kosmisk strålning medan dammet färdades genom det interstellära utrymmet genom bindning. Mycket nära den modell som avdøde J. Mayo Greenberg har argumenterat i åratal. ”
Vi vet nu att Comet Halley bestod av det mest primitiva material som vi känner till i solsystemet. Med undantag av kväve var de visade ljuselementen ganska lika i överflöd som vår egen sol. Flera tusen dammpartiklar fastställdes vara väte, kol, kväve, syre - liksom mineralbildande element såsom natrium, magnesium, kisel, kalcium och järn. Eftersom de lättare elementen upptäcktes långt borta från kärnan, visste vi att de inte var kometära ispartiklar. Från våra studier av kemi med interstellär gas som omger stjärnor, har vi lärt oss hur kolkedjemolekyler reagerar på element som kväve, syre och i en väldigt liten del väte. I den extrema kylan i rymden kan de polymerisera - ändra molekylarrangemanget av dessa föreningar för att bilda nytt. De skulle ha samma procentuella sammansättning av originalet, men en större molekylvikt och olika egenskaper. Men vad är dessa egenskaper?
Tack vare mycket exakt information från sondens nära möte med kometen Halley har Ranjan Gupta från Inter University University of Astronomy and Astrophysics (IUCAA) och hans kollegor gjort några mycket intressanta resultat med kometär dammkomposition och spridningsegenskaper. Sedan de första uppdragen till kometerna var "fly-bys", analyserades allt material som fångats in in situ. Denna typ av analys visade att kometära material i allmänhet är en blandning av silikater och kol i amorf och kristallin struktur som bildas i matrisen. När vattnet förångas sträcker sig storleken på dessa korn från sub-mikron till mikron och är mycket porösa till sin natur - innehållande icke-sfäriska och oregelbundna former.
Enligt Gupta var de flesta av de tidiga modellerna av ljusspridning från sådana korn "baserade på fasta sfärer med konventionell Mie-teori och först under de senaste åren - när rymduppdragen gav starka bevis mot detta - har nya modeller utvecklats där icke -Sfäriska och porösa korn har använts för att reproducera det observerade fenomenet. I detta fall produceras linjär polarisering av kometen från det infallande solskenet. Begränsad till ett plan - i vilken riktning ljuset sprids - varierar det beroende på position när kometen närmar sig eller går tillbaka från solen. Som Gupta förklarar, "En viktig egenskap i denna polariseringskurva kontra spridningsvinkeln (hänvisad till sol-jord-kometgeometri) är att det finns en viss grad av negativ polarisation."
Känd som "ryggspridning" inträffar denna negativitet när man övervakar en enda våglängd - monokromatiskt ljus. Mie-algoritmen modellerar alla de accepterade spridningsprocesserna orsakade av en sfärisk form med hänsyn till yttre reflektion, flera interna reflektioner, transmission och ytvågor. Denna intensitet av spritt ljus fungerar som en funktion av vinkeln, där 0? innebär framåt-spridning, bort från ljusens ursprungliga riktning, medan 180? implicerar ryggspridning - rygg tilldelar ljusets källa.
Enligt Gupta kan "backspredning ses i de flesta kometer i allmänhet i de synliga band och för vissa kometer i de nästan infra röda bandet (NIR)." För närvarande har modeller som försöker återge denna aspekt av negativ polarisering vid höga spridningsvinklar mycket begränsad framgång.
Deras studie har använt en modifierad DDA (diskret approximation av dipol) - där varje dammkorn antas vara en matris med dipoler. Ett stort antal molekyler kan innehålla bindningar som ligger mellan extremerna av joniska och kovalenta. Denna skillnad mellan atomernas elektronegativiteter i molekylerna är tillräckligt för att elektronerna inte ska delas lika - men är tillräckligt små för att elektronerna inte bara dras till en av atomerna för att bilda positiva och negativa joner. Denna typ av bindning i molekyler kallas polär. eftersom det har positiva och negativa ändar - eller poler - och molekylerna har ett dipolmoment.
Dessa dipoler interagerar med varandra för att producera ljusspridningseffekter som utrotning - sfärer som är större än ljusets våglängd kommer att blockera monokromatiskt och vitt ljus - och polarisering - spridningen av det inkommande ljusets våg. Genom att använda en modell av kompositkorn med en matris av grafit och silikatsfäroider, kan ett mycket specifikt kornstorleksintervall krävas för att förklara de observerade egenskaperna i kometär damm. ”Men vår modell kan inte heller återge den negativa polarisationsgrenen som observeras i vissa kometer. Inte alla kometer visar detta fenomen i NIR-bandet på 2,2 mikron. ”
Dessa kompositkornmodeller utvecklade av Gupta et al; kommer att behöva förfinas ytterligare för att förklara den negativa polarisationsgrenen, liksom mängden polarisering i olika våglängder. I detta fall är det en färgeffekt med högre polarisering i rött än grönt ljus. Mer omfattande laboratoriesimuleringar av kompositkorn kommer att komma och "Studien av deras ljusspridningsegenskaper kommer att hjälpa till att förfina sådana modeller."
Mänsklighetens framgångsrika början med att följa denna kometära dammspår började med Halley. Vega 1, Vega 2 och Giotto tillhandahöll de modeller som behövdes för att förbättra forskningsutrustningen. I maj 2000 drs. Franz R. Krueger och Jochen Kissel från Max Planck Institute publicerade sina resultat som "First Direct Chemical Analysis of Interstellar Dust". Säger Dr. Kissel, ”Tre av våra dammpåverkande masspektrometrar (PIA ombord GIOTTO och PUMA-1 och -2 ombord VEGA-1 och -2) stötte på Comet Halley. Med dem kunde vi bestämma den elementära sammansättningen av det kometära dammet. Molekylär information var dock bara marginell. ” Deep Space 1: s nära möte med kometen Borrelly gav de bästa bilderna och annan vetenskaplig information hittills. På Borelly Team svarar Dr. Kissel: "Det nyare uppdraget till Borrelly (och STARDUST) visade fascinerande detaljer om kometytan, som branta 200 m höga backar och spiror som är 20 m breda och 200m höga."
Trots uppdragets många problem visade Deep Space 1 sig vara en total framgång. Enligt Dr. Mark Raymans uppdragslogg den 18 december 2001, "Den rikedom av vetenskapliga och tekniska data som returneras av detta uppdrag kommer att analyseras och användas under många år framöver. Testningen av avancerad teknik med hög risk innebär att många viktiga framtida uppdrag som annars skulle ha varit obekväm eller till och med omöjliga nu inom vårt grepp. Och som alla makroskopiska läsare vet, ger den rika vetenskapliga skörden från kometen Borrelly forskare fascinerande nya insikter om dessa viktiga medlemmar i solsystemfamiljen. ”
Nu har Stardust tagit våra undersökningar bara ett steg längre. Genom att samla dessa primitiva partiklar från Comet Wild 2 kommer dammkornen att lagras säkert i airgel för att undersöka efter sondens återkomst. NASA: s Donald Brownlee säger, "Kometdamm kommer också att studeras i realtid av en mass-spektrometer från tid till flyg som härrör från PIA-instrumentet som transporteras till kometen Halley på Giotto-uppdraget. Detta instrument kommer att tillhandahålla data om organiska partikelmaterial som kanske inte överlever airgel-fångst, och det kommer att ge en ovärderlig datauppsättning som kan användas för att utvärdera mångfalden bland kometer i jämförelse med Halley-dammdata registrerade med samma teknik. ”
Dessa mycket partiklar kan innehålla ett svar som förklarar hur interstellärt damm och kometer kan ha sådd liv på jorden genom att tillhandahålla de fysiska och kemiska elementen som är avgörande för dess utveckling. Enligt Browlee fångade "Stardust tusentals kometpartiklar som kommer att returneras till jorden för analys, i intim detalj, av forskare över hela världen." Dessa dammprover tillåter oss att se tillbaka för cirka 4,5 miljarder år sedan - lära oss om grundläggande karaktär av interstellära korn och andra fasta material - själva byggstenarna i vårt eget solsystem. Båda atomerna som finns på jorden och i våra egna kroppar innehåller samma material som släpptes av kometer.
Och det blir bara bättre. Nu på väg till Comet Comet 67 P / Churyumov-Gerasimenko, kommer ESAs Rosetta att fördjupa djupare i kometernas mysterium när den försöker en framgångsrik landning på ytan. Enligt ESA kommer utrustning som “Grain Impact Analyzer and Dust Accumulator (GIADA) att mäta antalet, massan, momentum och hastighetsfördelningen av dammkorn som kommer från kometkärnan och från andra riktningar (återspeglas av solstrålningstrycket) - medan Micro-Imaging Dust Analysis System (MIDAS) kommer att studera dammmiljön runt kometen. Det kommer att ge information om partikelpopulation, storlek, volym och form. ”
En enda kometär partikel kan vara en sammansättning av miljoner enskilda interstellära dammkorn, vilket ger oss ny insikt om galaktiska och nebulära processer som ökar vår förståelse för både kometer och stjärnor. Precis som vi har producerat aminosyror under laboratorieförhållanden som simulerar vad som kan uppstå i en komet, har de flesta av våra information indirekt erhållits. Genom att förstå polarisering, våglängdsabsorption, spridningsegenskaper och formen på en silikatfunktion, får vi värdefull kunskap om de fysiska egenskaperna för det vi ännu inte har utforskat. Rosettas mål kommer att vara att transportera en lander till kometens kärna och distribuera den på ytan. Lander-vetenskapen kommer att fokusera på in-situ-studie av sammansättningen och strukturen i kärnan - en enastående studie av kometärt material - som ger forskare som Dr. Jochen Kissel värdefull information.
Den 4 juli 2005 kommer Deep Impact-uppdraget att komma till Comet Temple 1. Begravda under ytan kan vara ännu fler svar. I ett försök att bilda en ny krater på kometens yta kommer en 370 kg massa att släppas för att påverka Tempel 1s solbelysta sida. Resultatet blir den friska utstötningen av is- och dammpartiklar och kommer att öka vår förståelse om kometer genom att observera förändringarna i aktivitet. Fly-by-fartyget kommer att övervaka strukturen och sammansättningen av kraterets inre - vidarebefordra data tillbaka till jordens kometära dammekspert, Kissel. ”Deep Impact kommer att vara den första som simulerar en naturlig händelse, effekten av en fast kropp på en kometkärna. Fördelen är att slagtiden är välkänd och ett rymdskepp är ordentligt utrustat när stöten inträffar. Detta kommer definitivt att ge information om vad som ligger under ytorna från vilka vi har bilder från tidigare uppdrag. Många teorier har formulerats för att beskriva kometkärnans termiska beteende, vilket kräver skorpor som är tjocka eller tunna och eller andra särdrag. Jag är säker på att alla dessa modeller måste kompletteras med nya efter Deep Impact. "
Efter en livstid av kometär forskning följer Dr. Kissel fortfarande dammspåret, ”Det är fascinationen av kometforskningen att efter varje ny mätning finns det nya fakta, som visar oss, hur fel vi hade gjort. Och det är fortfarande på en ganska global nivå. ” När våra metoder förbättras så gör vår förståelse för dessa besökare från Oort Cloud också. Säger Kissel, "Situationen är inte enkel och eftersom många enkla modeller beskriver den globala ekonomiska verksamheten ganska bra, medan detaljer fortfarande måste arbetas, och modeller inklusive kemiska aspekter ännu inte finns tillgängliga." För en man som har varit där redan från början fortsätter arbetet med Deep Impact en framstående karriär. "Det är spännande att vara en del av det", säger Dr. Kissel, "och jag är angelägen om att se vad som händer efter Deep Impact och tacksam för att vara en del av det."
För första gången kommer studier att gå väl under ytan på en komet, och avslöja dess orörda material - orörda sedan bildandet. Vad låg under ytan? Låt oss hoppspektroskopi visar kol, väte, kväve och syre. Dessa är kända för att producera organiska molekyler, börjar med de basiska kolvätena, såsom metan. Kommer dessa processer att öka i komplexitet för att skapa polymerer? Finner vi grunden för kolhydrater, sackarider, lipider, glycerider, proteiner och enzymer? Följande dammspår kan mycket väl leda till grunden till det mest spektakulära av allt organiskt material - deoxiribonukleinsyra - DNA.
Skrivet av Tammy Plotner
