Jądro komety -Comet nucleus

Jądro to solidna, centralna część komety , kiedyś nazywana brudną kulą śnieżną lub lodową kulą . Jądro komety składa się ze skał , pyłu i zamrożonych gazów . Po podgrzaniu przez Słońce gazy sublimują i wytwarzają atmosferę otaczającą jądro, znaną jako śpiączka . Siła wywierana na śpiączkę przez ciśnienie promieniowania słonecznego i wiatr słoneczny powoduje utworzenie ogromnego ogona, który jest skierowany z dala od Słońca. Typowe jądro komety ma albedo 0,04. Jest ciemniejszy niż węgiel i może być spowodowany warstwą kurzu.

Wyniki sondy Rosetta i Philae pokazują, że jądro 67P/Churyumov-Gerasimenko nie ma pola magnetycznego, co sugeruje, że magnetyzm mógł nie odgrywać roli we wczesnym powstawaniu planetozymali . Ponadto spektrograf ALICE na Rosetcie ustalił, że elektrony (w promieniu 1 km (0,62 mil) nad jądrem komety) wytworzone w wyniku fotojonizacji cząsteczek wody przez promieniowanie słoneczne , a nie fotony ze Słońca , jak sądzono wcześniej, są odpowiedzialne za degradację wody i cząsteczki dwutlenku węgla uwolnione z jądra komety do jej śpiączki . 30 lipca 2015 r. naukowcy poinformowali, że sonda Philae , która wylądowała na komecie 67P/Czuriumow-Gierasimienko w listopadzie 2014 r., wykryła co najmniej 16 związków organicznych , z których cztery (w tym acetamid , aceton , izocyjanian metylu i aldehyd propionowy ) wykryto jako pierwszy raz na komecie

Paradygmat

Jądra komet, oddalone od około 1 km do dziesiątek kilometrów, nie mogły zostać rozdzielone przez teleskopy. Nawet obecne gigantyczne teleskopy dawałyby zaledwie kilka pikseli na celu, zakładając, że jądra nie były przesłonięte komą, gdy znajdowały się w pobliżu Ziemi. Zrozumienie jądra w porównaniu ze zjawiskiem śpiączki musiało zostać wydedukowane na podstawie wielu linii dowodów.

„Latająca ławica”

Model „latającej ławicy”, zaproponowany po raz pierwszy pod koniec XIX wieku, przedstawia kometę jako rój ciał, a nie odrębny obiekt. Aktywność to utrata zarówno substancji lotnych, jak i członków populacji. Model ten był orędownikiem w połowie wieku przez Raymonda Lyttletona wraz z pochodzeniem. Gdy Słońce przechodziło przez mgławicę międzygwiezdną, materia gromadziła się w wirach budzących. Niektóre zostałyby utracone, ale niektóre pozostałyby na orbitach heliocentrycznych. Słabe uchwycenie wyjaśniło długie, ekscentryczne, nachylone orbity komet. Brakowało lodów jako takich ; substancje lotne były przechowywane przez adsorpcję na ziarnach.

„Brudna śnieżka”

Począwszy od lat pięćdziesiątych XX wieku Fred Lawrence Whipple opublikował swój model „lodowego konglomeratu”. Zostało to wkrótce spopularyzowane jako „brudna śnieżka”. Orbity komet zostały określone dość dokładnie, ale czasami komety były odzyskiwane „poza harmonogramem”, nawet o kilka dni. Wczesne komety można wytłumaczyć „ośrodkiem opornym” – takim jak „eter” lub kumulatywnym działaniem meteoroidów na przód komety (komet). Ale komety mogą powracać zarówno wcześnie, jak i późno. Whipple argumentował, że łagodny ciąg asymetrycznych emisji (obecnie „sił niegrawitacyjnych”) lepiej wyjaśnia synchronizację komety. Wymagało to, aby emiter miał siłę kohezji - pojedyncze, stałe jądro z pewną proporcją substancji lotnych. Lyttleton kontynuował publikowanie prac o latających ławicach aż do 1972 roku. Zwiastunem śmierci dla latających ławic była Kometa Halleya. Obrazy Vega 2 i Giotto pokazały pojedyncze ciało, emitujące przez niewielką liczbę dżetów.

„Lodowa kula brudu”

Minęło dużo czasu, odkąd jądra komet można było wyobrazić sobie jako zamarznięte kule śnieżne. Whipple postulował już oddzielną skórkę i wnętrze. Przed pojawieniem się Halleya w 1986 roku wydawało się, że odsłonięta powierzchnia lodu będzie miała określony czas życia, nawet poza śpiączką. Przewidywano , że jądro Halleya będzie ciemne, a nie jasne, ze względu na preferencyjne niszczenie / ucieczkę gazów i zatrzymywanie materiałów ogniotrwałych. Termin płaszcz pyłowy jest w powszechnym użyciu od ponad 35 lat.

Wyniki Halleya przekroczyły nawet te - komety są nie tylko ciemne, ale należą do najciemniejszych obiektów w Układzie Słonecznym. Co więcej, wcześniejsze szacunki pyłu były mocno zaniżone. Zarówno drobniejsze ziarna, jak i większe kamyki pojawiły się w detektorach statków kosmicznych, ale nie w teleskopach naziemnych. Frakcja lotna zawierała również substancje organiczne, a nie tylko wodę i inne gazy. Stosunek pyłu do lodu wydawał się znacznie bliższy niż sądzono. Uzyskano ekstremalnie niskie gęstości (0,1 do 0,5 g cm-3). Nadal zakładano, że jądro składa się w większości z lodu, być może w przeważającej mierze.

Nowoczesna teoria

Pomijając trzy misje rendez-vous, Halley był jednym z przykładów. Jego niekorzystna trajektoria spowodowała również krótkie przeloty w pobliżu z ekstremalną prędkością, w jednym czasie. Częstsze misje poszerzyły próbkę celów, wykorzystując bardziej zaawansowane instrumenty. Przypadkowo wydarzenia takie jak rozpad Shoemaker-Levy 9 i Schwassmann-Wachmann 3 przyczyniły się do naszego zrozumienia.

Gęstości potwierdzono jako dość niskie, ~0,6 g cm3. Komety były bardzo porowate i delikatne w mikro- i makroskali.

Stosunek materiału ogniotrwałego do lodu jest znacznie wyższy, co najmniej 3:1, prawdopodobnie ~5:1, ~6:1 lub więcej.

Jest to całkowite odwrócenie modelu brudnej kuli śnieżnej. Zespół naukowy z Rosetty ukuł termin „organiczne związki mineralne” dla minerałów i związków organicznych zawierających niewielką część lodu.

Komety i aktywne asteroidy w zewnętrznym pasie planetoid pokazują, że może istnieć cienka linia oddzielająca te dwie kategorie obiektów.

Pochodzenie

Mgławica Helix ma kometarny obłok Oorta

Komety lub ich prekursory powstały w zewnętrznych częściach Układu Słonecznego, prawdopodobnie miliony lat przed powstaniem planet. Dyskutuje się, jak i kiedy powstały komety, z wyraźnymi implikacjami dla formowania się, dynamiki i geologii Układu Słonecznego. Trójwymiarowe symulacje komputerowe wskazują, że główne cechy strukturalne obserwowane w jądrach komet można wyjaśnić parzystym przyrostem słabych komezymali o niskiej prędkości. Obecnie preferowanym mechanizmem tworzenia jest hipoteza mgławicy , która głosi, że komety są prawdopodobnie pozostałością po pierwotnych planetozymalnych „cegiełkach”, z których wyrosły planety.

Astronomowie uważają, że komety pochodzą z obłoku Oorta , dysku rozproszonego i zewnętrznego pasa głównego .

Rozmiar

Porównanie rozmiarów i kolorów największych znanych komet, w tym planety karłowatej Plutona i naturalnych satelitów Mimas i Phobos dla uzyskania większej skali.

Porównanie Tempel 1 i Hartley 2

Uważa się, że większość jąder komet ma średnicę nie większą niż około 16 kilometrów (10 mil). Największe komety, które weszły na orbitę Saturna to 95P/Chiron (≈200 km), C/2002 VQ94 (LINEAR) (≈100 km), Kometa 1729 (≈100 km), Hale – Bopp (≈60 km ), 29P (≈60 km), 109P/Swift – Tuttle (≈26 km) i 28P/Neujmin (≈21 km).

Jądro komety Halleya w kształcie ziemniaka (15 × 8 × 8 km) zawiera równe ilości lodu i pyłu.

Podczas przelotu we wrześniu 2001 roku sonda Deep Space 1 obserwowała jądro komety Borrelly'ego i stwierdziła, że jest ono mniej więcej o połowę mniejsze (8×4×4 km) od jądra komety Halleya. Jądro Borrelly'ego również miało kształt ziemniaka i miało ciemnoczarną powierzchnię. Podobnie jak kometa Halleya, kometa Borrelly uwalniała gaz tylko z małych obszarów, gdzie dziury w skorupie wystawiły lód na światło słoneczne.

C/2006 W3 (Chistensen) – emitujący gaz węglowy

Jądro komety Hale-Bopp oszacowano na 60 ± 20 km średnicy. Hale-Bopp wydawał się jasny gołym okiem, ponieważ jego niezwykle duże jądro wydzielało dużo pyłu i gazu.

Jądro P/2007 R5 ma prawdopodobnie tylko 100-200 metrów średnicy.

Szacuje się, że największe centaury (niestabilne, przecinające planety, lodowe asteroidy) mają średnicę od 250 km do 300 km. Trzy z największych obejmowałyby 10199 Chariklo (258 km), 2060 Chiron (230 km) i (523727) 2014 NW 65 (≈220 km).

Szacuje się, że znane komety mają średnią gęstość 0,6 g /cm ³ . Poniżej znajduje się lista komet, które miały oszacowane rozmiary, gęstości i masy.

Nazwa	Wymiary km	Gęstość g / cm ³	Masa kg
Kometa halleya	15 × 8 × 8	0,6	3 × 10¹⁴
Tempel 1	7,6 × 4,9	0,62	7,9 × 10¹³
19P/Borrelly	8×4×4	0,3	2 × 10¹³
81P/dziki	5,5×4,0×3,3	0,6	2,3 × 10¹³
67P/Czuriumow – Gierasimenko	Zobacz artykuł na temat 67P	0,4	(1,0 ± 0,1) × 10 ¹³

Kompozycja

Kiedyś sądzono, że głównym składnikiem jądra jest lód wodny. W modelu brudnej kuli śnieżnej pył jest wyrzucany, gdy lód się cofa. Na tej podstawie około 80% jądra komety Halleya stanowi lód wodny, a zamrożony tlenek węgla ( CO ) stanowi kolejne 15%. Pozostała część to zamrożony dwutlenek węgla, metan i amoniak. Naukowcy uważają, że inne komety są chemicznie podobne do komety Halleya. Jądro Komety Halleya jest również niezwykle ciemne. Naukowcy uważają, że powierzchnia komety i być może większości innych komet jest pokryta czarną skorupą pyłu i skał, która pokrywa większość lodu. Komety te uwalniają gaz tylko wtedy, gdy dziury w tej skorupie obracają się w kierunku Słońca, wystawiając wewnętrzny lód na działanie ocieplającego światła słonecznego.

To założenie okazało się naiwne, począwszy od Halleya. Skład śpiączki nie reprezentuje składu jądra, ponieważ aktywność wybiera substancje lotne i przeciw materiałom ogniotrwałym, w tym ciężkim frakcjom organicznym. Nasze rozumienie ewoluowało bardziej w kierunku głównie rocka; ostatnie szacunki pokazują, że woda stanowi prawdopodobnie tylko 20-30% masy w typowych jądrach. Zamiast tego komety składają się głównie z materiałów organicznych i minerałów.

Skład pary wodnej z komety Czuriumow-Gierasimienko , określony przez misję Rosetta , zasadniczo różni się od tego, który znajduje się na Ziemi. Określono , że stosunek deuteru do wodoru w wodzie z komety jest trzykrotnie większy niż w wodach lądowych. To sprawia, że jest mało prawdopodobne, aby woda na Ziemi pochodziła z komet, takich jak Churyumov-Gerasimenko.

Struktura

Powierzchnia jądra komety 67P widziana z odległości 10 km przez sondę Rosetta

Na komecie 67P/Churyumov-Gerasimenko część powstającej pary wodnej może wydostać się z jądra, ale 80% z niej ponownie skrapla się w warstwach pod powierzchnią. Ta obserwacja sugeruje, że cienkie, bogate w lód warstwy odsłonięte blisko powierzchni mogą być konsekwencją aktywności i ewolucji komet, a globalne nawarstwianie niekoniecznie występuje na wczesnym etapie historii formowania się komety.

Rozpadający się fragment B komety 73P/Schwassmann-Wachmann 3 widziany przez Kosmiczny Teleskop Hubble'a

Pomiary przeprowadzone przez lądownik Philae na komecie 67P/Churyumov-Gerasimenko wskazują, że warstwa pyłu może mieć nawet 20 cm grubości. Poniżej znajduje się twardy lód lub mieszanina lodu i pyłu. Porowatość wydaje się zwiększać w kierunku środka komety. Podczas gdy większość naukowców uważała, że wszystkie dowody wskazują, że struktura jąder komet to przetworzone stosy gruzu mniejszych lodowych planetozymali poprzedniej generacji, misja Rosetta obaliła pogląd, że komety są „stosami gruzu” odmiennego materiału. Misja Rosetta wykazała, że komety mogą być „stosami gruzu” z odmiennej materii. Dane nie są rozstrzygające, jeśli chodzi o środowisko zderzenia podczas formowania i zaraz po nim.

Rozdzielać

Jądro niektórych komet może być kruche, co potwierdza obserwacja rozpadu komet. Rozszczepiające się komety to 3D / Biela w 1846 r., Shoemaker – Levy 9 w 1992 r. I 73P / Schwassmann – Wachmann w latach 1995–2006. Grecki historyk Ephorus poinformował, że kometa rozdzieliła się już zimą 372–373 pne. Podejrzewa się, że komety pękają w wyniku stresu termicznego, wewnętrznego ciśnienia gazu lub uderzenia.

Komety 42P/Neujmin i 53P/Van Biesbroeck wydają się być fragmentami komety macierzystej. Całki numeryczne wykazały, że obie komety zbliżyły się dość blisko Jowisza w styczniu 1850 r., a przed 1850 r. obie orbity były prawie identyczne.

Albedo

Jądra komet należą do najciemniejszych znanych obiektów w Układzie Słonecznym. Sonda Giotto odkryła, że jądro komety Halleya odbija około 4% padającego na nią światła, a Deep Space 1 odkrył, że powierzchnia komety Borrelly odbija tylko 2,5–3,0% padającego na nią światła; dla porównania świeży asfalt odbija 7% padającego na niego światła. Uważa się, że materiałem o ciemnej powierzchni są złożone związki organiczne. Ogrzewanie słoneczne usuwa lotne związki, pozostawiając ciężkie, długołańcuchowe związki organiczne, które zwykle są bardzo ciemne, takie jak smoła lub ropa naftowa. Sama ciemność powierzchni komet pozwala im absorbować ciepło niezbędne do napędzania ich odgazowywania .

Uważa się , że około sześć procent asteroid bliskich Ziemi to wymarłe jądra komet (patrz Wymarłe komety ), które nie podlegają już odgazowywaniu. Dwie bliskie Ziemi asteroidy o tak niskim albedo to 14827 Hypnos i 3552 Don Kichot .

Odkrywanie i eksploracja

Pierwszą relatywnie bliską misją do jądra komety była sonda kosmiczna Giotto . To był pierwszy raz, kiedy jądro zostało sfotografowane z takiej odległości, zbliżając się do 596 km. Dane były objawieniem, pokazując po raz pierwszy dżety, powierzchnię o niskim albedo i związki organiczne .

Podczas przelotu Giotto został trafiony co najmniej 12 000 razy cząsteczkami, w tym 1-gramowym fragmentem, który spowodował tymczasową utratę komunikacji z Darmstadt. Obliczono, że Halley wyrzuca trzy tony materiału na sekundę z siedmiu odrzutowców, powodując jego kołysanie przez długi czas. Jądro komety Grigg-Skjellerup zostało odwiedzone po Halley, a Giotto zbliżał się do 100–200 km.

Wyniki sondy Rosetta i Philae pokazują, że jądro 67P/Churyumov-Gerasimenko nie ma pola magnetycznego, co sugeruje, że magnetyzm mógł nie odgrywać roli we wczesnym powstawaniu planetozymali . Ponadto spektrograf ALICE na Rosetcie ustalił, że elektrony (w promieniu 1 km (0,62 mil) nad jądrem komety) wytworzone w wyniku fotojonizacji cząsteczek wody przez promieniowanie słoneczne , a nie fotony ze Słońca , jak sądzono wcześniej, są odpowiedzialne za degradację wody i cząsteczki dwutlenku węgla uwolnione z jądra komety do jej śpiączki .