astronomi

kometer adskiller sig fra asteroider primært i deres iskolde sammensætning, en forskel, der får dem til at lyse dramatisk, når de nærmer sig Solen og danner en midlertidig atmosfære. I nogle tidlige kulturer blev disse såkaldte “hårede stjerner” betragtet som tegn på katastrofe. I dag frygter vi ikke længere kometer, men forventer ivrigt dem, der kommer tæt nok på os til at sætte et godt himmeludstilling.

udseende af kometer

en komet er en er relativt lille del af iskoldt materiale (typisk et par kilometer på tværs), der udvikler en atmosfære, når den nærmer sig Solen. Senere kan der være en meget svag, tåget hale, der strækker sig flere millioner kilometer væk fra kometens hovedkrop. Kometer er blevet observeret fra de tidligste tider: beretninger om kometer findes i historierne om stort set alle gamle civilisationer. Den typiske komet er imidlertid ikke spektakulær i vores himmel, men har i stedet udseendet af et ret svagt, diffust lyspunkt noget mindre end månen og mange gange mindre strålende. (Kometer syntes mere spektakulære for folk før opfindelsen af kunstig belysning, hvilket kompromitterer vores syn på nattehimlen.)

ligesom månen og planeterne ser kometer ud til at vandre blandt stjernerne og langsomt skifte deres positioner på himlen fra nat til nat. I modsætning til planeterne, imidlertid, de fleste kometer vises på uforudsigelige tidspunkter, hvilket måske forklarer, hvorfor de ofte inspirerede frygt og overtro i tidligere tider. Kometer forbliver typisk synlige i perioder, der varierer fra et par uger til flere måneder. Vi vil sige mere om, hvad de er lavet af, og hvordan de bliver synlige, når vi diskuterer deres bevægelser.

Bemærk, at stillbilleder af kometer giver indtryk af, at de bevæger sig hurtigt over himlen, som en lys meteor eller stjerneskud. Når man kun ser på sådanne billeder, er det let at forvirre kometer og meteorer. Men set på den virkelige himmel er de meget forskellige: meteoren brænder op i vores atmosfære og er væk på få sekunder, mens kometen kan være synlig i uger i næsten samme del af himlen.

kometbaner

Figur 1: Kometen Halley. Denne sammensætning af tre billeder (et i rødt, et i grønt, et i blåt) viser kometen Halley set med et stort teleskop i Chile i 1986. I løbet af den tid, de tre billeder blev taget i rækkefølge, flyttede kometen blandt stjernerne. Teleskopet blev flyttet for at holde billedet af kometen stabilt, hvilket fik stjernerne til at vises i tre eksemplarer (en gang i hver farve) i baggrunden. (kredit: ændring af arbejde af ESO)

undersøgelsen af kometer som medlemmer af solsystemet stammer fra Isaac Nyton, der først foreslog, at de kredsede om Solen på ekstremt langstrakte ellipser. Edmund Halley (se Edmund Halley: Astronomiens renæssancemand) udviklede disse ideer, og i 1705 offentliggjorde han beregninger af 24 kometbaner. Især bemærkede han, at banerne for de lyse kometer, der havde optrådt i årene 1531, 1607 og 1682, var så ens, at de tre godt kunne være den samme komet, der vendte tilbage til perihelion (nærmeste tilgang til solen) med gennemsnitlige intervaller på 76 år. I så fald forudsagde han, at objektet næste gang skulle vende tilbage omkring 1758. Selvom Halley var død, da kometen dukkede op, som han forudsagde, fik den navnet komet Halley (rimer med “valley”) til ære for astronomen, der først anerkendte den som et permanent medlem af vores solsystem, der kredsede rundt om Solen. Dens aphelion (længst punkt fra Solen) er uden for Neptuns bane.

vi ved nu fra historiske optegnelser, at kometen Halley faktisk er blevet observeret og registreret på hver passage nær Solen siden 239 fvt med intervaller fra 74 til 79 år. Perioden for dens tilbagevenden varierer noget på grund af orbitale ændringer produceret af træk af de gigantiske planeter. I 1910 blev jorden børstet af kometens hale og forårsagede meget unødvendig offentlig bekymring. Kometen Halley dukkede sidst op i vores himmel i 1986 (Figur 1), da den blev mødt af flere rumfartøjer, der gav os et væld af oplysninger om dens makeup; det vender tilbage i 2061.

Edmund Halley: astronomiens renæssancemand

Figur 2: Edmund Halley (1656-1742). Halley var en produktiv bidragyder til videnskaben. Hans undersøgelse af kometer ved begyndelsen af det attende århundrede hjalp med at forudsige kometens bane, der nu bærer hans navn.

Edmund Halley (figur 2), en strålende astronom, der leverede bidrag inden for mange områder inden for videnskab og statistik, var efter alt at dømme en generøs, varm og udadvendt person. I dette var han det modsatte af sin gode ven Isaac Nyton, hvis store arbejde, Principia (se baner og tyngdekraft), Halley opmuntrede, redigerede og hjalp med at betale for at offentliggøre. Halley offentliggjorde selv sin første videnskabelige artikel i en alder af 20, mens han stadig var på college. Som et resultat fik han en kongelig kommission til at tage til Saint Helena (en fjern ø ud for Afrikas kyst, hvor Napoleon senere ville blive forvist) for at foretage den første teleskopiske undersøgelse af den sydlige himmel. Efter hjemkomsten modtog han svarende til en kandidatgrad og blev valgt til det prestigefyldte Royal Society i England, alle i en alder af 22 år.

ud over sit arbejde med kometer var Halley den første astronom, der erkendte, at de såkaldte “faste” stjerner bevæger sig i forhold til hinanden ved at bemærke, at flere lyse stjerner havde ændret deres positioner siden Ptolemaios offentliggørelse af de antikke græske kataloger. Han skrev et papir om muligheden for et uendeligt univers, foreslog, at nogle stjerner kan være variable, og diskuterede arten og størrelsen af nebulae (glødende skylignende strukturer synlige i teleskoper). Mens han var i Saint Helena, observerede Halley planeten Merkur gå over solens overflade og udviklede matematikken om, hvordan sådanne transitter kunne bruges til at bestemme solsystemets størrelse.

på andre områder offentliggjorde Halley den første tabel over menneskelige forventede levealder (forløberen for livsforsikringsstatistikker); skrev papirer om monsuner, passatvind og tidevand (kortlægning af tidevandet i den engelske kanal for første gang); lagde grundlaget for den systematiske undersøgelse af Jordens magnetfelt; studerede fordampning og hvordan indre farvande bliver salt; og endda designet en undervandsdykkeklokke. Han tjente som en britisk diplomat, rådgav kejseren i Østrig og sprængte den fremtidige tsar i Rusland omkring England (ivrig diskuterer, får vi at vide, både videnskabens betydning og kvaliteten af lokal brandy).

i 1703 blev Halley professor i geometri, og i 1720 blev han udnævnt til Astronom Royal of England. Han fortsatte med at observere jorden og himlen og offentliggøre sine ideer i yderligere 20 år, indtil døden hævdede ham i en alder af 85 år.

kun få kometer vender tilbage i en tid, der kan måles i menneskelige termer (kortere end et århundrede), som kometen Halley gør; disse kaldes korttidskometerene. Mange kortvarige kometer har fået deres baner ændret ved at komme for tæt på en af de gigantiske planeter—oftest Jupiter (og de kaldes således undertiden Jupiter-familie kometer). De fleste kometer har lange perioder og vil tage tusinder af år at vende tilbage, hvis de overhovedet vender tilbage. Som vi vil se senere i dette kapitel, kommer de fleste Jupiter-familie kometer fra en anden kilde end de langvarige kometer (dem med orbitalperioder længere end omkring et århundrede).

observationsposter findes for tusinder af kometer. Vi blev besøgt af to lyse kometer i de seneste årtier. Først i marts 1996 kom kometen Hyakutake, med en meget lang hale. Et år senere dukkede kometen Hale-Bopp op; den var lige så lys som de lyseste stjerner og forblev synlig i flere uger, selv i byområder (se billedet, der åbner dette kapitel).

tabel 1 viser nogle kendte kometer, hvis historie eller udseende er af særlig interesse.

kometens kerne

når vi ser på en aktiv komet, er alt, hvad vi normalt ser, dens midlertidige atmosfære af gas og støv oplyst af sollys. Denne atmosfære kaldes kometens hoved eller koma. Da tyngdekraften af sådanne små kroppe er meget svag, undslipper atmosfæren hurtigt hele tiden, den skal genopfyldes af nyt materiale, som skal komme fra et sted. Kilden er den lille, faste kerne indeni, kun få kilometer på tværs, normalt skjult af gløden fra den meget større atmosfære, der omgiver den. Kernen er den virkelige komet, fragmentet af gammelt iskoldt materiale, der er ansvarlig for atmosfæren og halen (figur 3).

figur 3: dele af en komet. Denne skematiske illustration viser de vigtigste dele af en komet. Bemærk, at de forskellige strukturer ikke skaleres.

den moderne teori om kometernes fysiske og kemiske natur blev først foreslået af Harvard-astronomen Fred Pipple i 1950. Før Pipples arbejde troede mange astronomer, at en komets kerne kunne være en løs aggregering af faste stoffer, slags en kredsende “grusbank”, foreslog Pipple i stedet, at kernen er et solidt objekt et par kilometer på tværs, sammensat i en væsentlig del af vandis (men også med andre is) blandet med silikatkorn og støv. Dette forslag blev kendt som” dirty snebold ” – modellen.

Figur 4: Fanget Kometstøv. Denne partikel (set gennem et mikroskop) menes at være et lille fragment af kometstøv, opsamlet i Jordens øvre atmosfære. Det måler omkring 10 mikron, eller 1/100 af en millimeter, på tværs. (kredit: NASA / JPL)

vanddampen og andre flygtige stoffer, der slipper ud fra kernen, når den opvarmes, kan detekteres i kometens hoved og hale, og derfor kan vi bruge spektre til at analysere, hvilke atomer og molekyler kerneisen består af. Vi er dog noget mindre sikre på den ikke-iskolde komponent. Vi har aldrig identificeret et fragment af fast stof fra en komet, der har overlevet passage gennem Jordens atmosfære. Imidlertid har rumfartøjer, der har nærmet sig kometer, båret støvdetektorer, og noget kometstøv er endda blevet returneret til Jorden (se figur 4). Det ser ud til, at meget af “snavs” i den beskidte snebold er mørke, primitive kulbrinter og silikater, snarere som det materiale, der menes at være til stede på de mørke, primitive asteroider.

da kometernes kerner er små og mørke, er de vanskelige at studere fra jorden. Rumfartøjer opnåede imidlertid direkte målinger af en kometkerne i 1986, da tre rumfartøjer fejede forbi kometen Halley på tæt hold (se figur 5). Efterfølgende har andre rumfartøjer fløjet tæt på andre kometer. I 2005 bar NASA Deep Impact-rumfartøjet endda en sonde til en højhastighedspåvirkning med kernen i kometen Tempel 1. Men langt den mest produktive undersøgelse af en komet har været ved Rosetta-missionen i 2015, som vi snart vil diskutere.

figur 5: nærbillede af kometen Halley. Dette historiske fotografi af den sorte, uregelmæssigt formede kerne af kometen Halley blev opnået af ESA Giotto rumfartøjet fra en afstand på omkring 1000 kilometer. De lyse områder er stråler af materiale, der undslipper fra overfladen. Længden af kernen er 10 kilometer, og detaljer så små som 1 kilometer kan udarbejdes. (kredit: ændring af ESA ‘ s arbejde)

kometens atmosfære

den spektakulære aktivitet, der giver os mulighed for at se kometer, er forårsaget af fordampning af kometiske is opvarmet af sollys. Ud over asteroidebæltet, hvor kometer tilbringer det meste af deres tid, er disse is fastfrosset. Men når en komet nærmer sig Solen, begynder den at varme op. Hvis vand (H2O) er den dominerende is, fordampes betydelige mængder, da sollys opvarmer overfladen over 200 K. Dette sker for den typiske komet noget ud over Mars bane. Den fordampende H2O frigiver igen støvet, der blev blandet med isen. Da kometens kerne er så lille, kan dens tyngdekraft ikke holde hverken gassen eller støvet tilbage, som begge strømmer væk i rummet med hastigheder på cirka 1 kilometer i sekundet.

kometen fortsætter med at absorbere energi, når den nærmer sig Solen. En stor del af denne energi går ind i fordampningen af dens is såvel som til opvarmning af overfladen. Nylige observationer af mange kometer indikerer imidlertid, at fordampningen ikke er ensartet, og at det meste af gassen frigives i pludselige sporer, måske begrænset til nogle få områder af overfladen. 1 kilometer i sekundet, kan kometens atmosfære nå en enorm størrelse. Diameteren af en komets hoved er ofte så stor som Jupiter, og det kan undertiden nærme sig en diameter på en million kilometer (figur 6).

figur 6: leder af kometen Halley. Her ser vi skyen af gas og støv, der udgør hovedet eller koma af kometen Halley i 1986. På denne skala ville kernen (skjult inde i skyen) være en prik for lille til at se. (kredit: ændring af arbejde af NASA / V. Liller)

Figur 7: Kometbane og hale. Orienteringen af en typisk komethale ændres, når kometen passerer perihelion. Nærmer sig Solen, halen er bag det indkommende komethoved, men på vej ud går halen foran hovedet.

de fleste kometer udvikler også haler, når de nærmer sig Solen. En komets hale er en forlængelse af dens atmosfære, der består af den samme gas og støv, der udgør hovedet. Allerede i det sekstende århundrede indså observatører, at komethaler altid peger væk fra solen (Figur 7), ikke tilbage langs kometens bane. Komethaler er dannet af en frastødende kraft af sollys, der driver partikler væk fra hovedet—en ide tæt på vores moderne syn.

de to forskellige komponenter, der udgør halen (støv og gas), virker noget anderledes. Den lyseste del af halen kaldes støvhalen for at skelne den fra en svagere, lige hale lavet af ioniseret gas, kaldet ionhalen. Ionhalen bæres udad af strømme af ioner (ladede partikler) udsendt af solen. Som du kan se i figur 8, kurver den glattere støvhale lidt, da individuelle støvpartikler spredes ud langs kometens bane, mens den lige ion skubbes mere direkte udad fra solen af vores stjernes vind af ladede partikler

Figur 8: Komet Haler. (a) Når en komet nærmer sig Solen, bliver dens træk mere synlige. I denne illustration fra NASA, der viser kometen Hale-Bopp, kan du se en komets to haler: den lettere synlige støvhale, der kan være op til 10 millioner kilometer lang, og den svagere gashale (eller ionhale), der er op til hundreder af millioner kilometer lang. Kornene, der udgør støvhalen, er størrelsen af røgpartikler. (B) kometen Mrkos blev fotograferet i 1957 med et bredfeltteleskop ved Palomar Observatory og viser også en klar skelnen mellem den lige gashale og den buede støvhale. (credit a: ændring af arbejdet af ESO / E. Slavik; credit b: ændring af arbejdet af Charles Kearns, George O. Abell og Byron Hill)

Rosetta-Kometmissionen

i 1990 ‘ erne besluttede europæiske forskere at designe en meget mere ambitiøs mission, der ville matche baner med en indkommende komet og følge den, da den nærmede sig Solen. De foreslog også, at et mindre rumfartøj faktisk ville forsøge at lande på kometen. Det 2 ton store rumfartøj blev navngivet Rosetta, der bærer et dusin videnskabelige instrumenter, og dets 100 kg lander med ni flere instrumenter blev navngivet Philae.

Rosetta-missionen blev lanceret i 2004. Forsinkelser med lanceringsraketten fik den til at gå glip af sin oprindelige målkomet, så en alternativ destination blev valgt, kometen Churyumov-Gerasimenko (opkaldt efter de to opdagere, men generelt betegnet 67P). Denne komets revolutionsperiode er 6,45 år, hvilket gør den til en Jupiter-familie komet.

da den Europæiske Rumorganisation ikke havde adgang til de plutoniumdrevne atomkraftkilder, der blev brugt af NASA til dybe rummissioner, måtte Rosetta være soldrevet og krævede især store solcellepaneler. Selv disse var ikke nok til at holde fartøjet i drift, da det matchede baner med 67P nær kometens aphelion. Den eneste løsning var at slukke for alle rumfartøjssystemerne og lade det kyst i flere år mod solen, ude af kontakt med controllere på jorden, indtil solenergi var stærkere. Missionens succes var afhængig af en automatisk timer for at tænde for strømmen igen, da den nærmede sig Solen. Heldigvis fungerede denne strategi.

i August 2014 begyndte Rosetta en gradvis tilgang til kometkernen, som er et underligt misdannet objekt omkring 5 kilometer på tværs, helt forskelligt fra det glatte udseende af Halleys kerne (men lige så mørkt). Dens rotationsperiode er 12 timer. Den 12. November 2014 blev Philae-landeren droppet og faldt langsomt ned i 7 timer, før den forsigtigt ramte overfladen. Det hoppede og rullede og kom til hvile under et overhæng, hvor der ikke var nok sollys til at holde batterierne opladet. Efter at have arbejdet i et par timer og sendt data tilbage til orbiteren, gik Philae stille. Det vigtigste Rosetta-rumfartøj fortsatte imidlertid driften, da niveauet af kometaktivitet steg med dampere af gasstråling fra overfladen. Da kometen nærmede sig perihelion i September 2015, støttede rumfartøjet sig for at sikre dets sikkerhed.

omfanget af Rosetta-billederne (og data fra andre instrumenter) overstiger langt alt, hvad astronomer tidligere havde set fra en komet. Den bedste billedopløsning var næsten en faktor på 100 større end i de bedste Halley-billeder. På denne skala ser kometen overraskende ru ud med skarpe vinkler, dybe grober og overhæng (figur 9).

figur 9: Comet 67P s mærkelige form og overflade funktioner. (a) dette billede fra Rosetta-kameraet blev taget fra en afstand af 285 kilometer. Opløsningen er 5 meter. Du kan se, at kometen består af to sektioner med en forbindende “hals” mellem dem. (B) Dette nærbillede af kometen Churyumov-Gerasimenko er fra Philae-landeren. En af landerens tre fødder er synlig i forgrunden. Landeren selv er for det meste i skygge. (kredit a: ændring af arbejde foretaget af ESA / Rosetta / MPS for Osiris Team MPS / UPD / LAM / IAA / SSO / INTA / UPM / DASP / IDA; kredit b: ændring af arbejde af ESA / Rosetta/Philae / CIVA)

den dobbeltlobede form af 67P ‘ s kerne er foreløbigt tilskrevet kollisionen og fusionen af to uafhængige kometkerner for længe siden. Rumfartøjet bekræftede, at kometens mørke overflade var dækket af organiske carbonrige forbindelser blandet med sulfider og jern-nikkelkorn. 67P har en gennemsnitlig massefylde på kun 0,5 g/cm3 (recall vand i disse enheder har en massefylde på 1 g / cm3.) Denne lave densitet indikerer, at kometen er ret porøs, det vil sige, der er en stor mængde tomt rum blandt dets materialer.

vi vidste allerede, at fordampningen af komet-is var sporadisk og begrænset til små jetfly, men i komet 67P blev dette ført til en ekstrem. På et hvilket som helst tidspunkt er mere end 99% af overfladen inaktiv. De aktive ventilationskanaler er kun få meter på tværs, med materialet begrænset til smalle stråler, der vedvarer i blot et par minutter (Figur 10). Aktivitetsniveauet er stærkt afhængig af solvarme, og mellem juli og August 2015 steg det med en faktor på 10. Isotopisk analyse af deuterium i det vand, der udstødes af kometen, viser, at det er forskelligt fra det vand, der findes på jorden. Således bidrog tilsyneladende kometer som 67P ikke til oprindelsen af vores oceaner eller vandet i vores kroppe, som nogle forskere havde troet.

Figur 10: gasstråler på kometen 67P. (a) denne aktivitet blev fotograferet af Rosetta rumfartøjet nær perihelion. Du kan se en jet pludselig dukke op; den var aktiv i kun et par minutter. (B) dette spektakulære billede, taget nær perihelion, viser den aktive komet omgivet af flere stråler af gas og støv. (Kredit a, b: ændring af arbejde foretaget af ESA / Rosetta/ parlamentsmedlemmer; kredit c: ændring af arbejde af ESA / Rosetta / NAVCAM)

ordliste

komet: en lille krop af iskoldt og støvet stof, der drejer sig om Solen; når en komet kommer nær Solen, fordamper noget af dets materiale og danner et stort hoved af svag gas og ofte en hale

nucleus (af en komet): den faste del af is og støv i hovedet på en komet

hale: (af en komet) en hale bestående af to dele: støvhalen er lavet af støv løsnet ved sublimering af is i en komet, der derefter skubbes af fotoner fra solen ind i en buet strøm; ionhalen er en strøm af ioniserede partikler fordampet fra en komet og derefter fejet væk fra solen af solvinden