csillagászat

az üstökösök elsősorban jeges összetételükben különböznek az aszteroidáktól, ez a különbség drámai módon ragyog, amikor megközelítik a napot, ideiglenes légkört alkotva. Egyes korai kultúrákban ezeket az úgynevezett “szőrös csillagokat” katasztrófa előjeleinek tekintették. Ma már nem félünk az üstökösöktől, hanem lelkesen várjuk azokat, akik elég közel állnak hozzánk, hogy jó égboltot mutassanak.

üstökösök megjelenése

az üstökös egy viszonylag kis darab jeges anyag (jellemzően néhány kilométer átmérőjű), hogy alakul ki a légkör, ahogy közeledik a nap. Később lehet egy nagyon halvány, ködös farok, amely több millió kilométerre húzódik az üstökös fő testétől. Az üstökösöket a legkorábbi időktől figyelték meg: az üstökösök beszámolói gyakorlatilag minden ősi civilizáció történetében megtalálhatók. A tipikus üstökös azonban nem látványos az égbolton, ehelyett egy meglehetősen halvány, diffúz fényfolt jelenik meg, amely valamivel kisebb, mint a Hold, és sokszor kevésbé ragyogó. (Az üstökösök látványosabbnak tűntek az emberek számára a mesterséges megvilágítás feltalálása előtt, ami veszélyezteti az éjszakai égboltra vonatkozó nézetünket.

mint a Hold és a bolygók, úgy tűnik, hogy az üstökösök a csillagok között vándorolnak, és lassan változtatják helyzetüket az égen éjszakáról éjszakára. A bolygókkal ellentétben azonban a legtöbb üstökös kiszámíthatatlan időben jelenik meg, ami talán megmagyarázza, hogy miért keltettek gyakran félelmet és babonát a korábbi időkben. Az üstökösök általában néhány héttől több hónapig terjedő időszakokban láthatók. Többet fogunk mondani arról, hogy miből készülnek, és hogyan válnak láthatóvá, miután megvitatjuk a mozgásaikat.

vegye figyelembe, hogy az üstökösök állóképei azt a benyomást keltik, hogy gyorsan mozognak az égen, mint egy fényes meteor vagy hullócsillag. Csak az ilyen képeket nézve könnyű összekeverni az üstökösöket és a meteorokat. De a valódi égbolton nagyon különbözőek: a meteor felég a légkörünkben, és néhány másodperc alatt eltűnik, míg az üstökös hetekig látható lehet az ég közel ugyanazon részén.

Comet kering

1.Ábra: Halley Üstökös. Ez a három képből álló kompozit (egy piros, egy zöld, egy kék) a Halley üstököst mutatja, ahogy egy nagy távcsővel látták Chilében 1986-ban. Abban az időben, amikor a három képet egymás után készítették, az üstökös a csillagok között mozgott. A távcsövet úgy mozgatták, hogy az üstökös képe stabil maradjon, aminek következtében a csillagok három példányban (minden színben egyszer) jelennek meg a háttérben. (hitel: az eso munkájának módosítása)

az üstökösök mint a naprendszer tagjai vizsgálata Isaac Newton idejéből származik, aki először azt javasolta, hogy rendkívül hosszúkás ellipsziseken keringjenek a Nap körül. Newton kollégája Edmund Halley (lásd a Edmund Halley: A csillagászat reneszánsz embere) fejlesztette ki ezeket az ötleteket, és 1705-ben 24 üstökös pályájának számítását tette közzé. Különösen megjegyezte, hogy az 1531-ben, 1607-ben és 1682-ben megjelent fényes üstökösök pályái annyira hasonlóak voltak, hogy a három lehet ugyanaz az üstökös, visszatérve a perihelionhoz (a Naphoz legközelebb eső megközelítés) átlagosan 76 éves időközönként. Ha igen, azt jósolta, hogy az objektum legközelebb 1758 körül tér vissza. Bár Halley meghalt, mire az üstökös megjelent, ahogy megjósolta, a Halley üstökös nevet kapta (rímel a “völgyre”) annak a csillagásznak a tiszteletére, aki először felismerte Naprendszerünk állandó tagjaként, a Nap körül keringve. Aphelionja (a naptól legtávolabbi pont) a Neptunusz pályáján túl van.

történelmi feljegyzésekből most már tudjuk, hogy a Halley üstököst IE 239 óta megfigyelték és rögzítették a Nap közelében minden egyes átjárón, 74 és 79 év közötti időközönként. A visszatérés időtartama némileg változik az óriási bolygók húzása által előidézett orbitális változások miatt. 1910-ben a Földet az üstökös farka ecsetelte, ami sok felesleges közérdeklődést okozott. A Halley üstökös utoljára 1986-ban jelent meg az égbolton (1.ábra), amikor több űrhajó találkozott vele, amelyek rengeteg információt adtak nekünk a sminkjéről; 2061-ben tér vissza.

Edmund Halley: a csillagászat reneszánsz embere

2. Ábra: Edmund Halley (1656-1742). Halley termékeny közreműködő volt a tudományokban. Az üstökösök tanulmányozása a tizennyolcadik század fordulóján segített megjósolni az üstökös pályáját, amely most a nevét viseli.

Edmund Halley (2.ábra), egy ragyogó csillagász, aki a tudomány és a statisztika számos területén közreműködött, minden beszámoló szerint nagylelkű, melegszívű és társaságkedvelő ember volt. Ebben ő volt az ellentéte jó barátja Isaac Newton, akinek nagy munka, a Principia (lásd Orbits and Gravity), Halley ösztönözni, szerkesztett, és segített fizetni közzé. Halley maga 20 éves korában tette közzé első tudományos cikkét, még az egyetemen. Ennek eredményeként királyi megbízást kapott, hogy menjen Saint Helenába (egy távoli sziget Afrika partjainál, ahol Napóleont később száműzték), hogy elkészítse a déli égbolt első teleszkópos felmérését. Hazatérése után mesterfokozatot kapott, és 22 éves korában beválasztották a rangos Royal Society-be Angliában.

az üstökösökkel kapcsolatos munkája mellett Halley volt az első csillagász, aki felismerte, hogy az úgynevezett “rögzített” csillagok egymáshoz képest mozognak, megjegyezve, hogy számos fényes csillag megváltoztatta helyzetét Ptolemaiosz ókori görög katalógusok kiadása óta. Írt egy tanulmányt a végtelen univerzum lehetőségéről, javasolta, hogy néhány csillag változó lehet, és megvitatta a ködök természetét és méretét (a távcsövekben látható izzó felhőszerű struktúrák). Saint Helena-ban Halley megfigyelte a Merkúr bolygót a Nap felszínén, és kifejlesztette a matematikát, hogy az ilyen tranzitok hogyan használhatók a naprendszer méretének meghatározására.

egyéb területeken Halley közzétette az emberi várható élettartam első táblázatát (az életbiztosítási statisztikák előfutára); cikkeket írt a monszunokról, a kereskedelmi szélről és az árapályról (először ábrázolta az árapályokat a La Manche-csatornán); megalapozta a Föld mágneses mezőjének szisztematikus tanulmányozását; tanulmányozta a párolgást és azt, hogy a belvizek hogyan válnak sóssá; még egy víz alatti búvárharangot is tervezett. Brit diplomataként szolgált, tanácsot adott Ausztria császárának, és körbevezette Oroszország leendő cárját Anglia körül (azt mondják, mohón megvitatták mind a tudomány fontosságát, mind a helyi pálinka minőségét).

1703-ban Halley Oxfordban a geometria professzora lett, 1720-ban pedig Anglia királyi Csillagászává nevezték ki. Folytatta a Föld és az ég megfigyelését, és további 20 évig publikálta ötleteit, amíg a halál el nem érte 85 éves korában.

csak néhány üstökös tér vissza emberi szempontból mérhető idő alatt (rövidebb, mint egy évszázad), mint a Halley üstökös; ezeket rövid periódusú üstökösöknek nevezzük. Sok rövid periódusú üstökös pályája megváltozott azáltal, hogy túl közel került az egyik óriásbolygóhoz—leggyakrabban a Jupiterhez (ezért néha Jupiter-családú üstökösöknek hívják őket). A legtöbb üstökösnek hosszú periódusai vannak, és több ezer évbe telik, amíg visszatérnek, ha egyáltalán visszatérnek. Mint később ebben a fejezetben látni fogjuk, a legtöbb Jupiter-család üstökös más forrásból származik, mint a hosszú periódusú üstökösök (azok, amelyek keringési periódusai körülbelül egy évszázadnál hosszabbak).

megfigyelési feljegyzések léteznek több ezer üstökösről. Az elmúlt évtizedekben két fényes üstökös látogatott meg minket. Először 1996 márciusában jött a Hyakutake üstökös, nagyon hosszú farokkal. Egy évvel később megjelent a Hale-Bopp üstökös; olyan fényes volt, mint a legfényesebb csillagok, és több hétig is látható maradt, még a városi területeken is (lásd a képet, amely megnyitja ezt a fejezetet).

az 1.táblázat felsorol néhány jól ismert üstököst, amelyek története vagy megjelenése különösen érdekes.

az üstökös magja

amikor egy aktív üstököst nézünk, általában csak a napfény által megvilágított gáz és por ideiglenes légkörét látjuk. Ezt a légkört üstökösfejnek vagy kómának nevezik. Mivel az ilyen kis testek gravitációja nagyon gyenge, a légkör folyamatosan gyorsan távozik, új anyaggal kell feltölteni, amelynek valahonnan származnia kell. A forrás a kicsi, szilárd mag belsejében, csak néhány kilométer átmérőjű, általában a körülötte lévő sokkal nagyobb légkör fénye rejti el. A mag az igazi üstökös, az ősi jeges anyag töredéke, amely felelős a légkörért és a farokért (3.ábra).

3.ábra: üstökös részei. Ez a sematikus ábra az üstökös fő részeit mutatja. Vegye figyelembe, hogy a különböző struktúrák nem méretezhetők.

az üstökösök fizikai és kémiai természetének modern elméletét először a Harvard csillagásza, Fred Whipple javasolta 1950-ben. Whipple munkája előtt sok csillagász úgy gondolta, hogy az üstökös magja szilárd anyagok laza aggregációja lehet, egyfajta keringő “kavicsbank”, Whipple ehelyett azt javasolta, hogy a mag néhány kilométer átmérőjű szilárd tárgy, amely jelentős részben vízjégből áll (de más jégekkel is) szilikát szemcsékkel és porral keverve. Ez a javaslat “piszkos hógolyó” modellként vált ismertté.

4.Ábra: Elfogott Üstököspor. Úgy gondolják, hogy ez a részecske (mikroszkópon keresztül látható) a föld felső légkörében összegyűjtött üstököspor apró töredéke. Körülbelül 10 mikron, vagy 1/100 milliméter átmérőjű. (forrás: NASA / JPL)

A vízgőz és más illékony anyagok, amelyek a magból távoznak, amikor felmelegítik, kimutathatók az üstökös fejében és farkában, ezért spektrumokat használhatunk annak elemzésére, hogy milyen atomokból és molekulákból áll a magjég. Azonban valamivel kevésbé vagyunk biztosak a nem jeges komponensben. Soha nem azonosítottunk egy üstökös szilárd anyagának töredékét, amely túlélte a Föld légkörében való áthaladást. Az üstökösökhöz közeledő űrhajók azonban hordoztak porérzékelőket, és néhány üstököspor visszatért a földre (lásd a 4.ábrát). Úgy tűnik, hogy a piszkos hógolyó “szennyeződésének” nagy része sötét, primitív szénhidrogének és szilikátok, inkább olyan anyag, mint a sötét, primitív aszteroidákon.

mivel az üstökösök magjai kicsik és sötétek, nehéz őket a földről tanulmányozni. Az űrhajó közvetlen méréseket végzett egy üstökösmagról, azonban 1986-ban, amikor három űrhajó söpört el a Halley üstökös mellett közelről (lásd az 5.ábrát). Ezt követően más űrhajók repültek más üstökösök közelében. 2005-ben a NASA Deep Impact űrhajó még egy szondát is szállított a Tempel 1 üstökös magjával való nagy sebességű ütközéshez. De messze az üstökös legtermékenyebb tanulmánya a 2015-ös Rosetta misszió volt, amelyet hamarosan megvitatunk.

5.ábra: Közelkép a Halley üstökösről. A Halley üstökös fekete, szabálytalan alakú magjának ezt a történelmi fényképét az ESA Giotto űrhajó körülbelül 1000 kilométeres távolságból szerezte meg. A fényes területek a felületről kilépő anyagsugarak. A mag hossza 10 kilométer, a részletek pedig akár 1 kilométer is elkészíthetők. (hitel: az ESA munkájának módosítása)

az üstökös légköre

az üstökösök látását lehetővé tevő látványos tevékenységet a napfény által felmelegített üstökösök párolgása okozza. Az aszteroida övön túl, ahol az üstökösök idejük nagy részét töltik, ezek a jégek szilárdan megfagynak. De ahogy egy üstökös közeledik a Naphoz, felmelegedni kezd. Ha a víz (H2O) a domináns jég, jelentős mennyiségek párolognak el, amikor a napfény 200 K fölé melegíti a felületet. A párolgó H2O viszont felszabadítja a jéggel kevert Port. Mivel az üstökös magja olyan kicsi, gravitációja nem képes visszatartani sem a gázt, sem a port, mindkettő körülbelül 1 kilométer / másodperc sebességgel áramlik az űrbe.

az üstökös továbbra is elnyeli az energiát, amikor közeledik a Naphoz. Ennek az energiának nagy része a jég elpárologtatásába, valamint a felület melegítésébe kerül. Számos üstökös közelmúltbeli megfigyelései azonban azt mutatják, hogy a párolgás nem egyenletes, és hogy a gáz nagy része hirtelen kitörésekben szabadul fel, talán a felület néhány területére korlátozódik. Körülbelül 1 kilométer / másodperc sebességgel terjedve az űrbe, az üstökös légköre hatalmas méretet érhet el. Az üstökös fejének átmérője gyakran akkora, mint a Jupiteré, és néha megközelíti az egymillió kilométert (6.ábra).

6.ábra: a Halley üstökös vezetője. Itt láthatjuk a gáz – és porfelhőt, amely a Halley üstökös fejét vagy kómáját alkotja 1986-ban. Ezen a skálán a mag (a felhő belsejében rejtve) túl kicsi lenne ahhoz, hogy láthassa. (hitel: a NASA munkájának módosítása / W. Liller)

7.ábra: üstökös pályája és farka. Egy tipikus üstökös farok tájolása megváltozik,amikor az üstökös elhalad perihelion. A naphoz közeledve a farok a bejövő üstökösfej mögött van, de kifelé menet a farok megelőzi a fejet.

A legtöbb üstökös farka is kialakul, amikor megközelíti a napot. Az üstökös farka a légkör kiterjesztése, amely ugyanabból a gázból és porból áll, amely a fejét alkotja. A megfigyelők már a tizenhatodik században rájöttek, hogy az üstökös farka mindig a naptól távolodik (7.ábra), nem pedig az üstökös pályája mentén. Newton azt javasolta, hogy az üstökös farkát a napfény visszataszító ereje alkotja, amely a részecskéket a fejtől távol tartja-ez a modern nézetünkhöz közeli ötlet.

a farok két különböző összetevője (a por és a gáz) kissé eltérően működik. A farok legfényesebb részét porfaroknak nevezzük, hogy megkülönböztessük az ionizált gázból készült halványabb, egyenes faroktól, az úgynevezett ionfaroktól. Az ion farkát a Nap által kibocsátott ionáramok (töltött részecskék) szállítják kifelé. Amint a 8. ábrán látható, a simább porfarok kissé görbül, mivel az egyes porszemcsék az üstökös pályája mentén szétszóródnak, míg az egyenes iont csillagunk töltött részecskéinek szele közvetlenül kifelé tolja a naptól

8.Ábra: Üstökös Farok. (a) ahogy egy üstökös közeledik a Naphoz, jellemzői láthatóbbá válnak. A NASA ezen Illusztrációjában, amely a Hale-Bopp üstököst mutatja, láthatja az üstökös két farkát: a könnyebben látható porfarok, amely akár 10 millió kilométer hosszú is lehet, valamint a halványabb gázfarok (vagy ionfarok), amely akár több száz millió kilométer hosszú is lehet. A por farkát alkotó szemek a füstrészecskék mérete. (b) az Mrkos üstököst 1957-ben fényképezték le a Palomar Obszervatóriumban egy széles látószögű távcsővel, és egyértelműen megkülönbözteti az egyenes gázfarokot és az ívelt porfarokot. (a hitel: az eso/E. Slawik munkájának módosítása; B hitel: a munka módosítása Charles Kearns, George O. Abell és Byron Hill)

a Rosetta Comet küldetés

az 1990-es években az európai tudósok úgy döntöttek, hogy egy sokkal ambiciózusabb küldetést terveznek, amely megfelelne a pályáknak egy bejövő üstökössel, és követné, ahogy közeledik a Naphoz. Azt is javasolták, hogy egy kisebb űrhajó valóban megpróbáljon leszállni az üstökösre. A 2 tonnás fő űrhajót Rosetta-nak nevezték el, tucatnyi tudományos műszert hordozva, a 100 kilogrammos leszállóját pedig további kilenc műszerrel Philae-nek nevezték el.

A Rosetta misszió 2004-ben indult. Az indító rakéta késése miatt hiányzott az eredeti cél üstökös, ezért alternatív rendeltetési helyet választottak, üstökös Csurjumov-Geraszimenko (a két felfedezőről nevezték el, de általában 67P-t jelöltek). Ennek az üstökösnek a forradalmi periódusa 6,45 év, így a Jupiter-család üstökös.

mivel az Európai Űrügynökségnek nem volt hozzáférése a NASA által a mély űrmissziókhoz használt plutónium-üzemű nukleáris energiaforrásokhoz, a Rosetta-nak napenergiával kellett működnie, különösen nagy napelemeket igényelve. Még ezek sem voltak elegendőek ahhoz, hogy a vízi jármű működőképes maradjon, mivel az üstökös aphelionja közelében a 67P-vel megegyező pályákat tartalmazott. Az egyetlen megoldás az volt, hogy kikapcsolták az összes űrhajórendszert, és több éven át a Nap felé engedték, hogy érintkezésbe kerüljenek a földi vezérlőkkel, amíg a napenergia erősebb nem lesz. A küldetés sikere egy automatikus időzítőtől függött, amely visszakapcsolta az áramot, amikor a Naphoz közeledett. Szerencsére ez a stratégia működött.

2014 augusztusában a Rosetta fokozatosan megközelítette az üstökösmagot, amely egy furcsán torz tárgy, körülbelül 5 kilométer átmérőjű, egészen más, mint a Halley-mag sima megjelenése (de ugyanolyan sötét). Forgási ideje 12 óra. November 12-én, 2014-ben a Philae lander leesett, lassan leereszkedett 7 órán keresztül, mielőtt óvatosan megütötte a felületet. Visszapattant és gurult, egy túlnyúlás alatt pihent, ahol nem volt elegendő napfény az akkumulátorok feltöltéséhez. Miután néhány órán át működött, és adatokat küldött vissza az orbiternek, a Philae elhallgatott. A fő Rosetta űrhajó azonban folytatta működését, mivel az üstökös aktivitásának szintje nőtt, gőzösökkel gázsugár a felszínről. Amint az üstökös 2015 szeptemberében megközelítette a periheliont, az űrhajó meghátrált a biztonsága érdekében.

A Rosetta-képek (és más műszerekből származó adatok) kiterjedése messze meghaladja azt, amit a csillagászok korábban láttak egy üstökösről. A legjobb képalkotó felbontás közel 100-szor nagyobb volt, mint a legjobb Halley-képeken. Ezen a skálán az üstökös meglepően durvának tűnik, éles szögekkel, mély gödrökkel és túlnyúlásokkal (9.ábra).

9.ábra: a 67P üstökös furcsa alakja és felszíni jellemzői. (a) ezt a képet a Rosetta kamerából 285 kilométer távolságból készítették. A felbontás 5 méter. Láthatjuk, hogy az üstökös két részből áll, amelyek között összekötő “nyak” van. (b) Ez a közeli kép a Churyumov-Gerasimenko üstökösről a Philae leszállóból származik. A leszállóegység három lábának egyike látható az előtérben. Maga a leszállóegység többnyire árnyékban van. (a hitel: az ESA/Rosetta/MPS munkájának módosítása az OSIRIS Team MPS / UPD/LAM / IAA / SSO / INTA / UPM / DASP / IDA számára; B hitel: az ESA/Rosetta/Philae/CIVA munkájának módosítása)

a 67P magjának kettős karéjos alakját kísérletileg két független üstökösmag ütközésének és egyesülésének tulajdonították régen. Az űrszonda megerősítette, hogy az üstökös sötét felszínét szerves szénben gazdag vegyületek borítják, szulfidokkal és vas-nikkel szemcsékkel keverve. A 67P átlagos sűrűsége csak 0,5 g/cm3 (ezekben az egységekben a visszahívott víz sűrűsége 1 g / cm3.) Ez az alacsony sűrűség azt jelzi, hogy az üstökös meglehetősen porózus, Vagyis anyagai között nagy mennyiségű üres hely van.

már tudtuk, hogy az ICES üstökös párolgása szórványos volt, és csak kis fúvókákra korlátozódott, de a 67P üstökösben ez szélsőséges volt. Egy időben a felület több mint 99% – a inaktív. Az aktív szellőzőnyílások csak néhány méter átmérőjűek, az anyag szűk fúvókákra korlátozódik, amelyek csak néhány percig fennmaradnak (10.ábra). Az aktivitás szintje erősen függ a napenergiától, és 2015 júliusa és augusztusa között 10-szeresére nőtt. Az üstökös által kibocsátott vízben lévő deutérium izotópos elemzése azt mutatja, hogy különbözik a Földön található víztől. Így nyilvánvalóan az olyan üstökösök, mint a 67P, nem járultak hozzá óceánjaink vagy testünkben lévő víz eredetéhez, ahogy néhány tudós gondolta.

10. ábra: gázsugarak a 67P üstökösön. (a) ezt a tevékenységet a Rosetta űrhajó fényképezte a perihelion közelében. Láthatja, hogy hirtelen megjelenik egy sugár; csak néhány percig volt aktív. (b) Ez a látványos fotó, amely a perihelion közelében készült, az aktív üstököst mutatja, amelyet több gáz-és porsugár vesz körül. (a, b hitel: az ESA/Rosetta/MPS munkájának módosítása; C hitel: a munka módosítása ESA / Rosetta / NAVCAM)

Szójegyzék

üstökös: jeges és poros anyagból álló kis test, amely a Nap körül forog; amikor egy üstökös a nap közelébe kerül, anyagának egy része elpárolog, nagy, vékony gázfejet képezve, és gyakran farok

(üstökös) magja: a jég és por szilárd darabja az üstökös fejében

farok: (egy üstökös) a farok, amely két részből áll: a por farok készült por meglazult a szublimáció a jég egy üstökös, hogy aztán tolta fotonok a nap egy ívelt patak; az ion farok egy patak ionizált részecskék elpárolgott egy üstökös, majd elsodorta a nap a napszél