Astronomi

kometer skiljer sig från asteroider främst i sin isiga komposition, en skillnad som får dem att lysa dramatiskt när de närmar sig solen och bildar en tillfällig atmosfär. I vissa tidiga kulturer betraktades dessa så kallade “Håriga stjärnor” som Omens av katastrof. Idag är vi inte längre rädda för kometer, men förväntar oss ivrigt de som kommer tillräckligt nära oss för att sätta på en bra himmelshow.

utseende av kometer

en komet är en relativt liten bit av isigt material (vanligtvis några kilometer över) som utvecklar en atmosfär när den närmar sig solen. Senare kan det finnas en mycket svag, oklar svans som sträcker sig flera miljoner kilometer från kometens huvudkropp. Kometer har observerats från de tidigaste tiderna: kometer finns i historierna om praktiskt taget alla forntida civilisationer. Den typiska kometen är dock inte spektakulär i vår himmel, utan ser ut som en ganska svag, diffus ljuspunkt något mindre än månen och många gånger mindre lysande. (Kometer verkade mer spektakulära för människor före uppfinningen av konstgjord belysning, vilket äventyrar vår syn på natthimlen.)

liksom månen och planeterna verkar kometer vandra bland stjärnorna och sakta flytta sina positioner på himlen från natt till natt. Till skillnad från planeterna uppträder emellertid de flesta kometer vid oförutsägbara tider, vilket kanske förklarar varför de ofta inspirerade rädsla och vidskepelse i tidigare tider. Kometer förblir vanligtvis synliga under perioder som varierar från ett par veckor till flera månader. Vi säger mer om vad de är gjorda av och hur de blir synliga efter att vi diskuterat deras rörelser.

Observera att stillbilder av kometer ger intrycket att de rör sig snabbt över himlen, som en ljus meteor eller skjutstjärna. Om man bara tittar på sådana bilder är det lätt att förvirra kometer och meteorer. Men sett på den verkliga himlen är de väldigt olika: meteoren brinner upp i vår atmosfär och är borta om några sekunder, medan kometen kan vara synlig i veckor i nästan samma del av himlen.

Komet banor

Figur 1: Komet Halley. Denna komposit av tre bilder (en i rött, en i grönt, en i blått) visar kometen Halley som ses med ett stort teleskop i Chile 1986. Under tiden de tre bilderna togs i följd flyttade kometen bland stjärnorna. Teleskopet flyttades för att hålla bilden av kometen stabil, vilket fick stjärnorna att visas i tre exemplar (en gång i varje färg) i bakgrunden. (kredit: ändring av arbete av ESO)

studien av kometer som medlemmar i solsystemet är från tiden för Isaac Newton, som först föreslog att de kretsade runt solen på extremt långsträckta ellipser. Newtons kollega Edmund Halley (se Edmund Halley: Astronomi ‘ s Renaissance Man) utvecklade dessa tankar och 1705 publicerade han beräkningar av 24 kometbanor. I synnerhet noterade han att banorna för de ljusa kometerna som hade dykt upp under åren 1531, 1607 och 1682 var så lika att de tre mycket väl kunde vara samma komet och återvände till perihelion (närmast solen) med genomsnittliga intervall på 76 år. Om så är fallet förutspådde han att objektet nästa gång skulle återvända omkring 1758. Även om Halley hade dött när kometen dök upp som han förutspådde, fick den namnet Komet Halley (rimmar med “dal”) för att hedra astronomen som först kände igen den som en permanent medlem i vårt solsystem och kretsade runt solen. Dess aphelion (längst bort från solen) ligger bortom Neptuns bana.

vi vet nu från historiska register att kometen Halley faktiskt har observerats och registrerats på varje passage nära solen sedan 239 FVT med intervaller från 74 till 79 år. Perioden för dess återkomst varierar något på grund av orbitalförändringar som produceras av de jätte planeternas drag. 1910 borstades jorden av kometens svans och orsakade mycket onödig allmän oro. Kometen Halley uppträdde senast i vår himmel 1986 (Figur 1), när den möttes av flera rymdfarkoster som gav oss en mängd information om dess smink; den kommer tillbaka 2061.

Edmund Halley: astronomins renässansman

Figur 2: Edmund Halley (1656-1742). Halley var en produktiv bidragsgivare till vetenskapen. Hans studie av kometer vid artonhundratalet hjälpte till att förutsäga komets bana som nu bär hans namn.

Edmund Halley (Figur 2), en lysande astronom som gjorde bidrag inom många områden av vetenskap och statistik, var av alla konton en generös, varm och utåtriktad person. I detta var han ganska motsatt av sin goda vän Isaac Newton, vars stora arbete, Principia (se banor och gravitation), Halley uppmuntrade, redigerade och hjälpte till att betala för att publicera. Halley själv publicerade sitt första vetenskapliga papper vid 20 års ålder, medan han fortfarande var på college. Som ett resultat fick han en kunglig kommission att åka till Saint Helena (en avlägsen ö utanför Afrikas kust där Napoleon senare skulle förvisas) för att göra den första teleskopiska undersökningen av södra himlen. Efter att ha återvänt fick han motsvarande en magisterexamen och valdes till det prestigefyllda Royal Society i England, alla vid 22 års ålder.

förutom sitt arbete med kometer var Halley den första astronomen som erkände att de så kallade “fasta” stjärnorna rör sig i förhållande till varandra genom att notera att flera ljusa stjärnor hade ändrat sina positioner sedan Ptolemaios publicering av de antika grekiska katalogerna. Han skrev ett papper om möjligheten till ett oändligt universum, föreslog att vissa stjärnor kan vara variabla och diskuterade nebulosans natur och storlek (glödande molnliknande strukturer synliga i teleskop). I Saint Helena observerade Halley planeten Merkurius som gick över solens ansikte och utvecklade matematiken om hur sådana transiter kunde användas för att fastställa solsystemets storlek.

på andra områden publicerade Halley den första tabellen över mänskliga livslängder( föregångaren till livförsäkringsstatistik); skrev papper om monsuner, handelsvindar och tidvatten (kartlägger tidvattnet i Engelska kanalen för första gången); lade grunden för den systematiska studien av jordens magnetfält; studerade avdunstning och hur inre vatten blir salt; och till och med utformade en undervattensdykklocka. Han tjänade som en brittisk diplomat, rådde kejsaren i Österrike och squiring den framtida tsaren i Ryssland runt England (vi diskuterar ivrigt, vi får höra, både vetenskapens betydelse och kvaliteten på lokal brandy).

år 1703 blev Halley professor i geometri vid Oxford, och 1720 utsågs han till astronom Royal of England. Han fortsatte att observera jorden och himlen och publicera sina ideer i ytterligare 20 år, tills döden hävdade honom vid 85 års ålder.

endast ett fåtal kometer återvänder i en tid som kan mätas i mänskliga termer (kortare än ett sekel), som kometen Halley gör; dessa kallas kortperiodiska kometer. Många kortperiodiska kometer har fått sina banor förändrade genom att komma för nära en av de jätte planeterna—oftast Jupiter (och de kallas ibland Jupiter-familjekometer). De flesta kometer har långa perioder och kommer att ta tusentals år att återvända, om de återvänder alls. Som vi kommer att se senare i detta kapitel kommer de flesta Jupiter-familjekometer från en annan källa än långperiodens kometer (de med omloppsperioder längre än ungefär ett sekel).

Observationsregister finns för tusentals kometer. Vi besökte två ljusa kometer under de senaste decennierna. Först i mars 1996 kom kometen Hyakutake, med en mycket lång svans. Ett år senare uppträdde kometen Hale-Bopp; den var lika ljus som de ljusaste stjärnorna och förblev synlig i flera veckor, även i stadsområden (se bilden som öppnar detta kapitel).

Tabell 1 listar några välkända kometer vars historia eller utseende är av särskilt intresse.

kometens kärna

när vi tittar på en aktiv komet är allt vi normalt ser sin tillfälliga atmosfär av gas och damm upplyst av solljus. Denna atmosfär kallas kometens huvud eller koma. Eftersom gravitationen hos sådana små kroppar är mycket svag, flyr atmosfären snabbt hela tiden; den måste fyllas på med nytt material, som måste komma någonstans ifrån. Källan är den lilla, fasta kärnan inuti, bara några kilometer över, vanligtvis dold av glödet från den mycket större atmosfären som omger den. Kärnan är den verkliga kometen, fragmentet av gammalt isigt material som är ansvarigt för atmosfären och svansen (Figur 3).

Figur 3: delar av en komet. Denna schematiska illustration visar huvuddelarna av en komet. Observera att de olika strukturerna inte ska skala.

den moderna teorin om komets fysiska och kemiska natur föreslogs först av Harvard-astronomen Fred Whipple 1950. Innan Whipples arbete trodde många astronomer att en komets kärna kan vara en lös aggregering av fasta ämnen, som en kretsande “grusbank”, föreslog Whipple istället att kärnan är ett fast föremål några kilometer över, sammansatt i väsentlig del av vattenis (men med andra Is också) blandat med silikatkorn och damm. Detta förslag blev känt som” dirty snowball ” – modellen.

Figur 4: Fångat Kometstoft. Denna partikel (sett genom ett mikroskop) tros vara ett litet fragment av kometstoft, uppsamlat i jordens övre atmosfär. Den mäter ca 10 mikron, eller 1/100 av en millimeter, över. (kredit: NASA / JPL)

vattenångan och andra flyktiga ämnen som flyr från kärnan när den värms upp kan detekteras i kometens huvud och svans, och därför kan vi använda spektra för att analysera vilka atomer och molekyler kärnans is består av. Vi är dock något mindre säkra på den icke-isiga komponenten. Vi har aldrig identifierat ett fragment av fast material från en komet som har överlevt passage genom jordens atmosfär. Rymdfarkoster som har närmat sig kometer har dock transporterat dammdetektorer, och en del kometstoft har till och med återförts till jorden (se Figur 4). Det verkar som om mycket av” smuts ” i den smutsiga snöbollen är mörka, primitiva kolväten och silikater, snarare som det material som tros vara närvarande på de mörka, primitiva asteroiderna.

eftersom kärnorna i kometer är små och mörka är de svåra att studera från jorden. Rymdfarkoster fick direkta mätningar av en kometkärna, dock 1986, när tre rymdfarkoster svepte förbi kometen Halley på nära håll (se Figur 5). Därefter har andra rymdfarkoster flugit nära andra kometer. År 2005 Bar NASA Deep Impact rymdfarkosten till och med en sond för en höghastighetspåverkan med kärnan i kometen Tempel 1. Men den överlägset mest produktiva studien av en komet har varit av Rosetta-uppdraget 2015, som vi kommer att diskutera inom kort.

Figur 5: närbild av kometen Halley. Detta historiska fotografi av den svarta, oregelbundet formade kärnan i kometen Halley erhölls av ESA Giotto rymdfarkoster från ett avstånd av cirka 1000 kilometer. De ljusa områdena är strålar av material som flyr från ytan. Kärnans längd är 10 kilometer, och detaljer så små som 1 kilometer kan utarbetas. (kredit: ändring av ESA: s arbete)

kometens atmosfär

den spektakulära aktiviteten som gör att vi kan se kometer orsakas av avdunstning av kometiska Isar uppvärmda av solljus. Utöver asteroidbältet, där kometer tillbringar större delen av sin tid, är dessa is fast frusna. Men när en komet närmar sig solen börjar den värma upp. Om vatten (H2O) är den dominerande isen, förångas betydande mängder när solljus värmer ytan över 200 K. detta händer för den typiska kometen något bortom mars bana. Den förångande H2O släpper i sin tur ut dammet som blandades med isen. Eftersom kometens kärna är så liten kan dess tyngdkraft inte hålla tillbaka varken gasen eller dammet, som båda flyter bort i rymden med hastigheter på cirka 1 kilometer per sekund.

kometen fortsätter att absorbera energi när den närmar sig solen. En stor del av denna energi går in i förångningen av isen, liksom i uppvärmning av ytan. Nya observationer av många kometer tyder dock på att förångningen inte är enhetlig och att det mesta av gasen släpps ut i plötsliga sprutor, kanske begränsad till några få områden på ytan. Expansion i rymden med en hastighet av ca 1 kilometer per sekund kan komets atmosfär nå en enorm storlek. Diametern på en komets huvud är ofta lika stor som Jupiter, och det kan ibland närma sig en diameter på en miljon kilometer (Figur 6).

Figur 6: chef för kometen Halley. Här ser vi molnet av gas och damm som utgör huvudet, eller koma, av kometen Halley 1986. På denna skala skulle kärnan (dold inuti molnet) vara en punkt för liten för att se. (kredit: modifiering av arbetet av NASA / W. Liller)

Figur 7: Komet bana och svans. Orienteringen av en typisk kometsvans förändras när kometen passerar perihelion. Närmar sig solen ligger svansen bakom det inkommande komethuvudet, men på väg ut föregår svansen huvudet.

de flesta kometer utvecklar också svansar när de närmar sig solen. En komets svans är en förlängning av dess atmosfär, bestående av samma gas och damm som utgör huvudet. Så tidigt som det sextonde århundradet insåg observatörer att kometsvansar alltid pekar bort från solen (Figur 7), inte tillbaka längs komets bana. Newton föreslog att kometsvansar bildas av en repulsiv kraft av solljus som driver partiklar bort från huvudet—en ide nära vår moderna syn.

de två olika komponenterna som utgör svansen (damm och gas) verkar något annorlunda. Den ljusaste delen av svansen kallas dammsvansen, för att skilja den från en svagare, rak svans gjord av joniserad gas, kallad jonsvansen. Jonsvansen bärs utåt av strömmar av joner (laddade partiklar) som emitteras av solen. Som du kan se i Figur 8 böjer den mjukare dammsvansen lite, eftersom enskilda dammpartiklar sprids ut längs kometens bana, medan den raka jonen är svansen skjuts mer direkt utåt från solen av vår stjärnas vind av laddade partiklar

Figur 8: Komet Svansar. (A) när en komet närmar sig solen blir dess egenskaper mer synliga. I den här illustrationen från NASA som visar kometen Hale-Bopp kan du se en komets två svansar: den lättare synliga dammsvansen, som kan vara upp till 10 miljoner kilometer lång, och den svagare gasvansen (eller jonsvansen), som är upp till hundratals miljoner kilometer lång. Kornen som utgör dammsvansen är storleken på rökpartiklar. (B) kometen Mrkos fotograferades 1957 med ett bredfältteleskop vid Palomar Observatory och visar också en tydlig skillnad mellan den raka gasens svans och den böjda dammsvansen. (kredit a: modifiering av arbete av ESO / E. Slawik; kredit b: modifiering av arbete av Charles Kearns, George O. Abell och Byron Hill)

Rosetta Comet Mission

på 1990-talet beslutade Europeiska forskare att utforma ett mycket mer ambitiöst uppdrag som skulle matcha banor med en inkommande komet och följa den när den närmade sig solen. De föreslog också att en mindre rymdfarkost faktiskt skulle försöka landa på kometen. Den 2 ton stora rymdfarkosten fick namnet Rosetta, med ett dussin vetenskapliga instrument, och dess 100 kilo landare med ytterligare nio instrument fick namnet Philae.

Rosetta-uppdraget lanserades 2004. Förseningar med lanseringsraketen fick den att missa sin ursprungliga målkomet, så en alternativ destination plockades, kometen Churyumov-Gerasimenko (uppkallad efter de två upptäckarna, men betecknades generellt 67P). Denna komets revolutionsperiod är 6,45 år, vilket gör den till en Jupiter-familjekomet.

eftersom Europeiska rymdorganisationen inte hade tillgång till de plutoniumdrivna kärnkraftkällorna som användes av NASA för djupa rymduppdrag, måste Rosetta vara soldriven, vilket kräver särskilt stora solpaneler. Även dessa räckte inte för att hålla hantverket i drift eftersom det matchade banor med 67P nära komets aphelion. Den enda lösningen var att stänga av alla rymdfarkoster och låta den Kusta i flera år mot solen, utan kontakt med styrenheter på jorden tills solenergin var starkare. Uppdragets framgång berodde på en automatisk timer för att slå på strömmen igen när den närmade sig solen. Lyckligtvis fungerade denna strategi.

i augusti 2014 började Rosetta en gradvis inställning till kometkärnan, vilket är ett konstigt missformat objekt ca 5 kilometer över, helt annorlunda än Halleys kärnans släta utseende (men lika mörkt). Rotationsperioden är 12 timmar. Den 12 November 2014 tappades Philae-landaren och sjönk långsamt i 7 timmar innan den försiktigt träffade ytan. Det studsade och rullade och kom till vila under ett överhäng där det inte fanns tillräckligt med solljus för att hålla batterierna laddade. Efter att ha arbetat i några timmar och skickat data tillbaka till orbiteren, blev Philae tyst. Den huvudsakliga Rosetta rymdfarkosten fortsatte dock sin verksamhet när kometaktiviteten ökade, med ångbåtar av gasstråle från ytan. När kometen närmade sig perihelion i September 2015 backade rymdfarkosten för att säkerställa dess säkerhet.

omfattningen av Rosetta-bilderna (och data från andra instrument) överstiger allt som astronomer tidigare sett från en komet. Den bästa bildupplösningen var nästan en faktor på 100 större än i de bästa Halley-bilderna. I denna skala verkar kometen förvånansvärt grov, med skarpa vinklar, djupa gropar och överhäng (Figur 9).

Figur 9: Comet 67P: s konstiga form och ytfunktioner. (a) denna bild från Rosetta-kameran togs från ett avstånd av 285 kilometer. Upplösningen är 5 meter. Du kan se att kometen består av två sektioner med en anslutande “nacke” mellan dem. (b) denna närbild av kometen Churyumov-Gerasimenko är från Philae-landaren. En av landarens tre fot är synlig i förgrunden. Landaren själv är mestadels i skugga. (kredit a: ändring av arbete av ESA / Rosetta / MPS för Osiris Team MPS / UPD / LAM / IAA / SSO / inta / UPM / DASP/IDA; kredit b: ändring av verk av ESA / Rosetta/Philae / CIVA)

den dubbla flikiga formen av 67ps kärna har preliminärt tillskrivits kollisionen och sammanslagningen av två oberoende kometkärnor för länge sedan. Rymdfarkosten verifierade att kometens mörka yta var täckt med organiska kolrika föreningar, blandade med sulfider och järn-nickelkorn. 67P har en genomsnittlig densitet på endast 0,5 g/cm3 (återkallande vatten i dessa enheter har en densitet av 1 g / cm3.) Denna låga densitet indikerar att kometen är ganska porös, det vill säga det finns en stor mängd tomt utrymme bland dess material.

vi visste redan att förångningen av kometen ices var sporadisk och begränsad till små strålar, men i kometen 67P transporterades detta till en extrem. Vid någon tidpunkt är mer än 99% av ytan inaktiv. De aktiva ventilerna är bara några meter över, med materialet begränsat till smala strålar som kvarstår i bara några minuter (Figur 10). Aktivitetsnivån är starkt beroende av solvärme, och mellan juli och augusti 2015 ökade den med en faktor 10. Isotopanalys av deuterium i vattnet som kastas ut av kometen visar att det skiljer sig från vattnet som finns på jorden. Således bidrog uppenbarligen kometer som 67P inte till ursprunget till våra hav eller vattnet i våra kroppar, som vissa forskare hade trott.

Figur 10: gasstrålar på kometen 67P. (a) denna aktivitet fotograferades av Rosetta rymdfarkosten nära perihelion. Du kan se en jet plötsligt dyka upp; den var aktiv i bara några minuter. (b) detta spektakulära foto, taget nära perihelion, visar den aktiva kometen omgiven av flera strålar av gas och damm. (kredit a, b: ändring av arbete av ESA / Rosetta/ MPS; kredit c: ändring av arbete av ESA / Rosetta / NAVCAM)

ordlista

komet: en liten kropp av isig och dammig materia som kretsar kring solen; när en komet kommer nära solen förångas en del av dess material och bildar ett stort huvud av svag gas och ofta en svans

kärna( av en komet): den fasta delen av IS och damm i huvudet på en komet

svans: (av en komet) en svans som består av två delar: dammsvansen är gjord av damm som lossas av sublimering av IS i en komet som sedan skjuts av fotoner från solen till en krökt ström; jonsvansen är en ström av joniserade partiklar som avdunstas från en komet och sveps sedan bort från solen av solvinden