Halley's komeet. Afbeelding tegoed: MPAE. Klik om te vergroten.
Als emeritus hoogleraar van het Max Planck Instituut heeft Dr. Kissel een levenslange toewijding aan de studie van kometen. “In het begin van de 20e eeuw leidden de komeetstaarten tot de postulatie en later tot de detectie van de‘ zonnewind ’, een stroom geïoniseerde atomen die constant van de zon werd weggeblazen. Naarmate astronomische waarnemingen krachtiger werden, konden steeds meer bestanddelen worden geïdentificeerd, zowel vaste stofdeeltjes als gasvormige moleculen, neutraal en geïoniseerd. ” Naarmate onze technieken om deze bezoekers van het buitenste zonnestelsel te bestuderen verfijnder werden, werden ook onze theorieën over wat ze zouden kunnen zijn - en hoe ze eruit zouden zien. Kissel zegt: "Er zijn veel modellen voorgesteld om het dynamische uiterlijk van een komeet te beschrijven, waarvan Fred Whipple blijkbaar de meest veelbelovende was. Het veronderstelde een kern bestaande uit waterijs en stof. Onder invloed van de zon zou het waterijs onderweg sublieme stofdeeltjes versnellen en versnellen. ”
Toch waren ze een mysterie - een mysterie dat de wetenschap graag wilde oplossen. 'Pas toen Halley wist dat veel kometen deel uitmaken van ons zonnestelsel en net als de planeten om de zon draaien, alleen op andere type banen en met extra effecten als gevolg van de emissie van materialen.' zegt Kissel. Maar alleen door een komeet van dichtbij te bekijken, konden we veel meer ontdekken. Met Halley's terugkeer naar ons innerlijke zonnestelsel, werden de plannen gemaakt om een komeet te vangen en de naam was Giotto.
Giotto's missie was het verkrijgen van kleurenfoto's van de kern, het bepalen van de elementaire en isotopische samenstelling van vluchtige componenten in de cometaire coma, het bestuderen van de moedermoleculen en ons te helpen de fysische en chemische processen te begrijpen die plaatsvinden in de cometaire atmosfeer en ionosfeer. Giotto zou de eerste zijn die de macroscopische systemen van plasmastromen als gevolg van de kometen-zonnewindinteractie onderzoekt. Hoog op de prioriteitenlijst stond het meten van de gasproductiesnelheid en het bepalen van de elementaire en isotopische samenstelling van de stofdeeltjes. Cruciaal voor het wetenschappelijk onderzoek was de stofstroom - de grootte en massaverdeling en de cruciale stof-gasverhouding. Terwijl de ingebouwde camera's de kern vanaf 596 km afstand in beeld brachten - de vorm en grootte bepalend - controleerde het ook structuren in het stofcoma en bestudeerde het gas met zowel neutrale als ionen-massaspectrometers. Zoals de wetenschap vermoedde, ontdekte de Giotto-missie dat het gas voornamelijk water was, maar het bevatte koolmonoxide, kooldioxide, verschillende koolwaterstoffen, evenals een spoor van ijzer en natrium.
Als onderzoeksleider van het team voor de Giotto-missie herinnert Dr. Kissel zich: “Toen de eerste close-up-missies naar komeet 1P / Halley kwamen, werd in 1986 een kern duidelijk geïdentificeerd. Het was ook de eerste keer dat stofdeeltjes, de komeet vrijgekomen gassen werden in situ geanalyseerd, dwz zonder door de mens veroorzaakte interferentie of transport naar de grond. ” Het was een opwindende tijd in het kometenonderzoek, dankzij Giotto's instrumentatie konden onderzoekers zoals Kissel nu gegevens bestuderen als nooit tevoren. “Deze eerste analyses lieten zien dat deeltjes allemaal een intiem mengsel zijn van hoogwaardig organisch materiaal en zeer kleine stofdeeltjes. De grootste verrassing was zeker de zeer donkere kern (die slechts 5% van het licht erop weerkaatst) en de hoeveelheid en complexiteit van het organische materiaal. ”
Maar was een komeet echt iets meer of gewoon een vuile sneeuwbal? "Tot op heden is er - voor zover ik weet - geen meting die het bestaan aantoont van vast waterijs blootgesteld aan een kometenoppervlak." Kissel: “We ontdekten echter dat water (H2O) als gas kan vrijkomen door chemische reacties die plaatsvinden wanneer de komeet in toenemende mate door de zon wordt verwarmd. De reden kan ‘latente warmte’ zijn, d.w.z. energie die is opgeslagen in het zeer koude kometenmateriaal, dat de energie heeft verkregen door intense kosmische straling terwijl het stof door de interstellaire ruimte reisde door het verbreken van de binding. Heel dicht bij het model waar wijlen J. Mayo Greenberg al jaren voor pleit. ”
We weten nu dat komeet Halley bestond uit het meest primitieve materiaal dat ons bekend was in het zonnestelsel. Met uitzondering van stikstof waren de getoonde lichtelementen in grote mate vergelijkbaar met die van onze eigen zon. Enkele duizenden stofdeeltjes bleken waterstof, koolstof, stikstof, zuurstof te zijn, evenals minerale vormende elementen zoals natrium, magnesium, silicium, calcium en ijzer. Omdat de lichtere elementen ver van de kern werden ontdekt, wisten we dat het geen kometenijsdeeltjes waren. Uit onze onderzoeken naar de chemie van interstellaire gas rond sterren, hebben we geleerd hoe koolstofketenmoleculen reageren op elementen zoals stikstof, zuurstof en, in een heel klein deel, waterstof. In de extreme kou van de ruimte kunnen ze polymeriseren - waardoor de moleculaire rangschikking van deze verbindingen verandert in nieuwe. Ze zouden dezelfde procentuele samenstelling hebben als het origineel, maar een groter molecuulgewicht en verschillende eigenschappen. Maar wat zijn die eigenschappen?
Dankzij enkele zeer nauwkeurige informatie van de nauwe ontmoeting van de sonde met komeet Halley, hebben Ranjan Gupta van het Interuniversitair Centrum voor Astronomie en Astrofysica (IUCAA) en zijn collega's een aantal zeer interessante bevindingen gedaan met de samenstelling van komeetstof en verstrooiingseigenschappen. Aangezien de eerste missies naar kometen “fly-bys” waren, werd al het gevangen materiaal ter plaatse geanalyseerd. Dit type analyse toonde aan dat kometenmaterialen in het algemeen een mengsel zijn van silicaten en koolstof in een amorfe en kristallijne structuur gevormd in de matrix. Zodra het water verdampt, variëren de afmetingen van deze korrels van submicron tot micron en zijn ze zeer poreus van aard - met niet-bolvormige en onregelmatige vormen.
Volgens Gupta waren de meeste vroege modellen van lichtverstrooiing uit dergelijke korrels "gebaseerd op vaste bollen met conventionele Mie-theorie en pas in de afgelopen jaren - toen de ruimtemissies hiertegen een sterk bewijs leverden - zijn er nieuwe modellen ontwikkeld waar niet -sferische en poreuze korrels zijn gebruikt om het waargenomen fenomeen te reproduceren ”. In dit geval wordt lineaire polarisatie geproduceerd door de komeet uit het invallende zonlicht. Beperkt tot een vlak - de richting van waaruit het licht wordt verstrooid - varieert het naargelang de komeet nadert of zich terugtrekt van de zon. Gupta legt uit: "Een belangrijk kenmerk van deze polarisatiecurve versus de verstrooiingshoek (verwezen naar de zon-aarde-komeetgeometrie) is dat er een zekere mate van negatieve polarisatie is."
Bekend als 'terugverstrooiing', treedt deze negativiteit op bij het monitoren van een enkele golflengte - monochromatisch licht. Het Mie-algoritme modelleert alle geaccepteerde verstrooiingsprocessen veroorzaakt door een sferische vorm, rekening houdend met externe reflectie, meerdere interne reflecties, transmissie en oppervlaktegolven. Deze intensiteit van verstrooid licht werkt als een functie van de hoek, waar 0? impliceert voorwaartse verstrooiing, weg van de oorspronkelijke richting van het licht, terwijl 180? impliceert terugverstrooiing - terug kent de bron van het licht toe.
Volgens Gupta: "Terugverstrooiing wordt gezien in de meeste kometen in het algemeen in de zichtbare banden en voor sommige kometen in de bijna-infrarood (NIR) -banden." Op dit moment hebben modellen die dit aspect van negatieve polarisatie proberen te reproduceren onder hoge verstrooiingshoeken zeer beperkt succes.
Hun studie heeft een gemodificeerde DDA (discrete dipoolbenadering) gebruikt - waarbij wordt aangenomen dat elke stofkorrel een reeks dipolen is. Een groot aantal moleculen kan bindingen bevatten die zich tussen de uitersten van ionisch en covalent bevinden. Dit verschil tussen de elektronegativiteiten van de atomen in de moleculen is voldoende genoeg om de elektronen niet gelijk te delen - maar is klein genoeg dat de elektronen niet alleen door een van de atomen worden aangetrokken om positieve en negatieve ionen te vormen. Dit type binding in moleculen staat bekend als polair. omdat het positieve en negatieve uiteinden - of polen - heeft en de moleculen een dipoolmoment hebben.
Deze dipolen interageren met elkaar om de lichtverstrooiingseffecten zoals extinctie te veroorzaken - bollen groter dan de golflengte van licht zullen monochromatisch en wit licht blokkeren - en polarisatie - de verstrooiing van de golf van het inkomende licht. Door een model van samengestelde korrels te gebruiken met een matrix van grafiet en silicaatsferoïden, kan een zeer specifiek korrelgroottebereik nodig zijn om de waargenomen eigenschappen in komeetstof te verklaren. “Ons model kan echter ook niet de negatieve tak van polarisatie reproduceren die bij sommige kometen wordt waargenomen. Niet alle kometen vertonen dit fenomeen in de NIR-band van 2,2 micron. ”
Deze composietkorrelmodellen ontwikkeld door Gupta et al; zal verder moeten worden verfijnd om de negatieve polarisatietak te verklaren, evenals de hoeveelheid polarisatie in verschillende golflengten. In dit geval is het een kleureffect met een hogere polarisatie in rood dan groen licht. Er komen meer uitgebreide laboratoriumsimulaties van composietkorrels en "De studie van hun lichtverstrooiingseigenschappen zal helpen bij het verfijnen van dergelijke modellen."
Het succesvolle begin van de mensheid bij het volgen van dit kometen-stofspoor begon met Halley. Vega 1, Vega 2 en Giotto leverden de modellen die nodig waren om betere onderzoeksapparatuur te verkrijgen. In mei 2000 heeft Drs. Franz R. Krueger en Jochen Kissel van het Max Planck Institute publiceerden hun bevindingen als "First Direct Chemical Analysis of Interstellar Dust". Dr. Kissel zegt: “Drie van onze stof-impact massaspectrometers (PIA aan boord van GIOTTO en PUMA-1 en -2 aan boord van VEGA-1 en -2) kwamen komeet Halley tegen. Daarmee konden we de elementaire samenstelling van het komeetstof bepalen. Moleculaire informatie was echter slechts marginaal. ' De nauwe ontmoeting van Deep Space 1 met komeet Borrelly leverde de beste beelden en andere wetenschappelijke gegevens op die tot nu toe zijn ontvangen. Over het Borelly-team antwoordt Dr. Kissel: "De meer recente missie naar Borrelly (en STARDUST) toonde fascinerende details van het komeetoppervlak, zoals steile 200 meter hoge hellingen en torens van zo'n 20 meter breed en 200 meter hoog."
Ondanks de vele problemen van de missie bleek Deep Space 1 een totaal succes. Volgens het missielogboek van Dr. Mark Rayman van 18 december 2001: "De schat aan wetenschappelijke en technische gegevens die deze missie oplevert, zal worden geanalyseerd en de komende jaren worden gebruikt. Het testen van geavanceerde technologieën met een hoog risico betekent dat veel belangrijke toekomstige missies die anders onbetaalbaar of zelfs onmogelijk zouden zijn geweest, nu binnen ons bereik liggen. En zoals alle macroscopische lezers weten, biedt de rijke wetenschappelijke oogst van komeet Borrelly wetenschappers fascinerende nieuwe inzichten in deze belangrijke leden van de zonnestelselfamilie. ”
Nu heeft Stardust onze onderzoeken nog een stap verder gebracht. Door deze primitieve deeltjes van Comet Wild 2 te verzamelen, worden de stofkorrels veilig opgeslagen in aerogel voor onderzoek bij terugkeer van de sonde. Donald Brownlee van NASA zegt: "Komeetstof zal ook in realtime worden bestudeerd door een massaspectrometer die tijdens de vlucht is afgeleid van het PIA-instrument dat naar komeet Halley is vervoerd tijdens de Giotto-missie. Dit instrument zal gegevens opleveren over de materialen van organische deeltjes die de aerogel-opname mogelijk niet overleven, en het zal een onschatbare dataset opleveren die kan worden gebruikt om de diversiteit tussen kometen te evalueren in vergelijking met Halley-stofgegevens die met dezelfde techniek zijn geregistreerd. ”
Deze deeltjes zouden een antwoord kunnen bevatten en uitleggen hoe interstellair stof en kometen het leven op aarde kunnen hebben gezaaid door de fysische en chemische elementen te leveren die cruciaal zijn voor de ontwikkeling ervan. Volgens Browlee: "Stardust heeft duizenden komeetdeeltjes gevangen die naar de aarde zullen worden teruggestuurd voor analyse, tot in detail, door onderzoekers over de hele wereld." Met deze stofmonsters kunnen we zo'n 4,5 miljard jaar geleden terugkijken - ons leren over de fundamentele aard van interstellaire korrels en andere vaste materialen - de bouwstenen van ons eigen zonnestelsel. Beide atomen die op aarde en in ons eigen lichaam worden gevonden, bevatten dezelfde materialen die door kometen worden vrijgegeven.
En het wordt alleen maar beter. Nu op weg naar komeet Komeet 67 P / Churyumov- Gerasimenko, zal ESA's Rosetta dieper ingaan op het mysterie van kometen terwijl ze een succesvolle landing aan de oppervlakte probeert. Volgens ESA zal apparatuur zoals "Grain Impact Analyzer and Dust Accumulator (GIADA) het aantal, de massa, het momentum en de snelheidsverdeling meten van stofdeeltjes afkomstig van de komeetkern en uit andere richtingen (gereflecteerd door zonnestraling) - terwijl Micro-Imaging Dust Analysis System (MIDAS) zal de stofomgeving rond de komeet bestuderen. Het geeft informatie over de deeltjespopulatie, grootte, volume en vorm. ”
Een enkel komeetdeeltje zou een samenstelling kunnen zijn van miljoenen individuele interstellaire stofdeeltjes, waardoor we een nieuw inzicht krijgen in galactische en nevelprocessen, waardoor we meer inzicht krijgen in zowel kometen als sterren. Net zoals we onder laboratoriumomstandigheden aminozuren hebben geproduceerd die simuleren wat er in een komeet kan gebeuren, is de meeste van onze informatie indirect verkregen. Door polarisatie, absorptie van golflengte, verstrooiingseigenschappen en de vorm van een silicaatkenmerk te begrijpen, verwerven we waardevolle kennis over de fysische eigenschappen van wat we nog moeten onderzoeken. Het doel van Rosetta is om een lander naar de kern van een komeet te brengen en op het oppervlak te plaatsen. De lander-wetenschap zal zich concentreren op in-situ onderzoek naar de samenstelling en structuur van de kern - een ongeëvenaarde studie van kometenmateriaal - die onderzoekers zoals Dr. Jochen Kissel waardevolle informatie verschaft.
Op 4 juli 2005 komt de Deep Impact-missie aan in Comet Temple 1. Onder het oppervlak begraven kunnen nog meer antwoorden zijn. In een poging een nieuwe krater op het oppervlak van de komeet te vormen, komt er een massa van 370 kg vrij die de zonovergoten kant van Tempel 1 raakt. Het resultaat is de nieuwe uitstoot van ijs- en stofdeeltjes en zal ons begrip van kometen vergroten door de veranderingen in activiteit te observeren. Het fly-by-vaartuig bewaakt de structuur en samenstelling van het interieur van de krater en stuurt gegevens terug naar Kissel, de expert op het gebied van komeetstof. “Deep Impact zal de eerste zijn die een natuurlijke gebeurtenis simuleert, de impact van een vast lichaam op een komeetkern. Het voordeel is dat de impacttijd bekend is en dat een goed uitgerust ruimtevaartuig in de buurt is wanneer de impact plaatsvindt. Dit zal zeker informatie opleveren over wat zich onder de oppervlakken bevindt waarvan we foto's hebben van de vorige missies. Veel theorieën zijn geformuleerd om het thermische gedrag van de komeetkern te beschrijven, waarvoor dikke of dunne korsten nodig zijn en / of andere kenmerken. Ik weet zeker dat al deze modellen na de Deep Impact moeten worden aangevuld met nieuwe. "
Na een leven lang komeetonderzoek volgt Dr. Kissel nog steeds het stofspoor: "Het is de fascinatie van komeetonderzoek dat er na elke nieuwe meting nieuwe feiten zijn die ons laten zien hoe fout we waren. En dat is nog steeds op een nogal mondiaal niveau. ” Naarmate onze methoden verbeteren, neemt ook ons begrip van deze bezoekers uit de Oort Cloud toe. Kissel zegt: "De situatie is niet eenvoudig en zoals veel eenvoudige modellen de globale cometaire activiteiten vrij goed beschrijven, moeten er nog details worden uitgewerkt en zijn modellen met de scheikundige aspecten nog niet beschikbaar." Voor een man die er vanaf het allereerste begin is, zet het werken met Deep Impact een voortreffelijke carrière voort. "Het is opwindend om er deel van uit te maken", zegt Dr. Kissel, "en ik ben benieuwd wat er gebeurt na de diepe impact en ik ben dankbaar dat ik er deel van uitmaak."
Voor het eerst zullen studies ver onder het oppervlak van een komeet gaan en de ongerepte materialen onthullen - onaangetast sinds de vorming ervan. Wat lag er onder het oppervlak? Laten we hopen dat spectroscopie koolstof, waterstof, stikstof en zuurstof laat zien. Deze produceren organische moleculen, te beginnen met de basiskoolwaterstoffen, zoals methaan. Zullen deze processen complexer zijn geworden om polymeren te maken? Zullen we de basis vinden voor koolhydraten, sacchariden, lipiden, glyceriden, eiwitten en enzymen? Het volgen van een stofspoor zou heel goed kunnen leiden tot de basis van het meest spectaculaire van al het organische materiaal - deoxyribonucleïnezuur - DNA.
Geschreven door Tammy Plotner
