Az üstökösök fizikus szemmel
Szegő Károly
a fizikai tudomány doktora
KFKI Részecske- és Magfizikai Kutatóintézet
szego @ rmki.kfki.hu
Az üstökösök látványos égi vándorok, az égbolt „politikusai”: parányok, a semmiből jönnek, fantasztikus látványt nyújtanak, amikor a Nap fényében sütkéreznek; majd megint eltűnnek a semmibe. Persze a csillagászokat nagyon is érdekli, mi is az a semmi, amiből jönnek, hogyan, mikor keletkeztek, egyformák-e vagy különbözőek, hol raktározódnak, tényleg a Naprendszer ősanyagát hordozzák-e, milyen anyagokból állnak és így tovább. (Nagyon jó ismertetés jelent meg ezekről Tóth Imre tollából [Tóth, 2005].) A fizikusok (köztük e sorok írója) leginkább arra szeretnének választ kapni, hogyan működnek. Miért és hogyan áramlik ki e testecskékből rengeteg anyag, megváltoztatva a szemmel látható, de a szemmel nem érzékelhető környezetét is, milyen a mozgásuk (forgásuk és haladásuk)? De ezekkel ösz-szefüggésben számos más kérdés is válaszra vár, például az (amelyre itt nem térünk ki), hogy mennyiben hasonló/eltérő a Szaturnusz jeges gyűrűjéből az anyagkiáramlás mechanizmusa, és vannak-e további hasonló anyagkiáramlások a Naprendszerben.
Az üstökösök működésének talán a legfontosabb megnyilvánulása, hogy anyagot bocsátanak ki magukból. Egy átlagos üstökös esetében, amely a Napot legalább annyira megközelíti, mint amilyen messze a Föld van a Naptól, a felszín akár öt méterrel is lejjebb kerülhet a teljes pálya napközeli szakaszán való végighaladás során. Ez teszi feltűnővé az üstökösöket, a látványos csóva, a magot eltakaró kiterjedt kóma. Ennek szemmel láthatatlan részét a magból kiáramló gáz, a látható részét a magból kiáramló por alkotja. A por a napfény nyomásának hatására parabolapályára áll, és létrehozza az üstökös porcsóváját. A kóma az üstökös „légköre”, de mivel az üstökös kicsiny, a kóma részecskéinek sebessége legnagyobb részt túllépi a szökési sebességet. Fényessége sok esetben még szabad szemmel is szerkezetet mutat, ezt korábban úgy értelmezték, hogy az üstökösök felszínén kráterszerű aktív területek találhatóak. De épp amiatt, hogy a mag a Földről nem vizsgálható, közelről kell megvizsgálni a felszíni anyag szerkezetét, az anyagkibocsátás és a felszíni struktúrák kapcsolatát, mintát kell venni az üstökös anyagából, és azt pontos analízisnek kell alávetni. (Illik pontosítani, hogy modern módszerekkel, a Föld körül keringő nagy űrteleszkópok segítségével a mag megfigyelhető, és rádiócsillagászati megfigyelésekből is vissza lehet következtetni a mag tulajdonságaira; e tekintetben ismét Tóth Imre fentebb említett cikkére utalunk.)
A Halley és társai közelről
Az üstökösök vizsgálata űrszondák segítségével nem egyszerű; csak a múlt század nyolcvanas éveiben tette lehetővé a technika, hogy egy üstököshöz, a Halley-üstököshöz űrszondák induljanak. Akkor még csak azt lehetett biztosítani, hogy a szondák elszáguldjanak a Halley magja mellett. E misszió jelentőségét jól mutatja, hogy a világ csaknem valamennyi jelentős űrügynöksége (a NASA kivételével) űrszondát küldött a Halleyhez. A NASA ehelyett egy korábbi szondáját irányította ez idő tájt a Giacobini–Zinner-üstököshöz. 1986-ban találkozott a VEGA-1 és VEGA-2 Interkozmosz szonda, az Európai Űrügynökség Giotto nevű szondája és a Japán Űrügynökség Szakigake és Szuiszei szondái a látványos Halley-üstökössel. A Giotto szonda pályája azt is megengedte, hogy még a Grigg–Skjellerup-üstökös mellett is elhaladjon később. E kutatások megerősítették, hogy az üstökös alapjában véve egy „piszkos hógolyó”, zömmel jégbe fagyott porszemcsékből áll. Azt azonban nem várta senki, hogy alakja nagyon szabálytalan és a felszíne nagyon sötét. A világon az első képet a magról a magyar-orosz–francia együttműködésben készült televíziós rendszer közvetítette a Földre, ebben az akkori KFKI munkatársainak volt meghatározó szerepük, napokkal később a Giotto szonda is lefényképezte a magot. E szondák nagy távolságban száguldottak el a magtól, mintegy 75 km/s sebességgel. E missziók során megszerzett számos új ismeret újabb problémákat is felvetett, mert az üstökösök közeli képeiről szerzett adatokat nem mindig lehetett összeegyeztetni a korábbi földi megfigyelések alapján kialakított képpel.
Az üstököskutatás jelentősége miatt került előtérbe a nagy űrügynökségek programjaiban, hogy további szondákat kell üstökösökhöz küldeni. A NASA 1998. október 28-án bocsátotta fel a Deep Space 1-et, amely 2001 szeptemberében nagyon részletes képet továbbított a Borrelly-üstökös magjáról. A Contour misszió több üstököst keresett volna fel, de egy műszaki hiba miatt a szonda elveszett. 1997. február 7-én állt pályára a Stardust szonda, amely 2004-ben lefényképezte a Wild-2 üstököst, és átrepülve az üstökös kómáján, anyagmintát gyűjtött, ezt 2006-ban hozta vissza a Földre. A Deep Impact nevű NASA szonda lövedéket lőtt a Tempel-1 üstökösbe, hogy így a kikerülő anyag mennyiségét, tulajdonságait lehessen vizsgálni.
Az Európai Űrügynökség Rosetta misz-sziója során fog az első ember készítette jármű leszállni egy üstökösre. A misszió célja eredetileg a Wirtanen-üstökös lett volna; az Ariane hordozórakéta hibája miatt azonban nem tudták a tervezett időpontban, 2002 januárjában felbocsátani. A késés miatt a Wirtanen már nem elérhető, ezért más céltárgyat kellett keresni. A választás a Csurjumov-Geraszimenko-üstökösre esett (egy magyar csillagász is részt vett ennek felkutatásában a Hubble-űrteleszkóp segítségével), de a randevú időpontja a 2004. februárra tervezett start ellenére kitolódott, a szonda csak 2014 augusztusában közelíti meg új célját, az eredetitől eltérő pályán, mintegy három csillagászati egység távolságra a Naptól. Az utazás során a szonda három alkalommal közelíti meg a Földet (2005-ben, 2007-ben és 2009-ben), minden alkalommal energiát nyerve a Föld gravitációs teréből, 2007-ben pedig a Mars mellett elrepülve kap energiát a vörös bolygótól. A tervek szerint az út során két aszteroidával is találkozni fog: a 2867 Steinnel 2008. szeptember 5-én és a 21 Lutetiával 2010. július 10-én.
Megfigyelések, modellek, magyarázatok
Visszatérve az anyagkibocsátás kérdésére, ennek megértéséhez számos elemet kell tisztázni. A kibocsátott anyag részben gáz, részben por. A port a gáz ragadja magával, de gázkibocsátást porkomponens nélkül is megfigyeltek. Ez azt jelentheti, hogy a felszín szerkezete és összetétele változó. Fontos megérteni, honnan van energia az anyagkibocsátáshoz, milyen lehet az a felszín, ami az üstökös folyamatos anyagvesztését lehetővé teszi. A folyamatos szón itt nagy hangsúly van, hiszen rövid idejű anyagkilövellést sokkal könnyebb modellezni. Az alábbiakban részletesen elemezzük az itt felsoroltakat.
Kezdjük az energiaháztartással. Az üstökösök aktivitása erős függvénye a Naptól való távolságnak, nyilvánvalóan az energia elsődleges forrása a Nap fénye. Megfigyeltek azonban aktivitást olyan távoli üstökösök esetében is, amelyeknél a napenergia nem elégséges a megfigyelt jelenség magyarázatához. Felmerült ezért másfajta energiaforrás lehetősége is. Az üstökösök túl kicsik ahhoz, hogy belsejük geológiailag aktív lehessen. Nem lehet azonban kizárni, hogy keletkezésük során radioaktív anyagok halmozódhattak fel az üstökösök belsejében, és ezek bomlása során energia szabadulhat fel; elsősorban az alumínium egyik izotópja került gyanúba. A részletesebb analízis szerint ennek a folyamatnak a valószínűsége elhanyagolható. Szabálytalan testek esetében egy nagyobb test melletti elhaladás során árapályhatás melegíthetné az üstököst. Ez valóban előfordulhat, de ilyen találkozás ritka, és a disszipálódott energia kicsi. Termelhet energiát például fázisátalakulás is (a jég egyik fázisából egy másikba való átmenet), ez egyelőre elvi lehetőség. Tény azonban, hogy a Naptól távol levő üstökösök időnkénti látványos aktivitása megfigyelhető, de az energia forrása nem ismert.
Szorítkozzunk a továbbiakban annak vizsgálatára, mi történik a Napból származó energiával. Ennek egy része a felszín fényvisszaverő hatása miatt visszakerül a világűrbe. Az üstökösök esetében átlagosan 4 %-nyi energia verődik vissza. Mivel a Nap melegíti is a felszínt, a feketetest sugárzásának (Stefan–Boltzmann-) törvénye szerint a beérkezett energia egy további része szintén kisugárzódik a világűrbe. Az egy adott felületelem által elnyelt hő melegíti a felszínt, hővezetés útján melegíti az üstökös belsejét és a szomszédos felszíni felületelemeket, valamint az üstökös szilárd anyagából valamilyen mechanizmus útján gázt és port szabadít fel. (A gáz és a por kinetikus energiájára másodpercenként a beérkezett napfény energiájának néhány százalékát kell fordítani.) Ahhoz, hogy mindezt kvantitatíve is vizsgálni tudjuk, ismernünk kellene a felszín anyagát, pontosabban, valamennyi számítás a felszínről kialakított modellel kezdődik. A felszínről viszont alig rendelkezünk ismeretekkel, ezért a modelleknek igen széles köre található az irodalomban.
A csillagászati megfigyelések azt valószínűsítik, hogy az üstökös felszínét szilárd anyagszemcsékkel kevert fagyott gázok borítják; a fagyott gázok a napfény hatására szublimálnak, magukkal ragadva porszemcséket. Ezt az elképzelést Fred L. Whipple (1906-2004) amerikai csillagász dolgozta ki a múlt század ötvenes éveiben, ezért hívják az üstökösöket szemléletesen „piszkos hógolyóknak”. A földi megfigyelések azt is mutatták, hogy az üstökösök kómájának fénye egyenetlen. Ezt a korai elképzelések azzal magyarázták, hogy a nagyjából gömbszerű üstökösök felszínének összetétele változó, helyenként több, más helyeken kevesebb jég található (vagy egyáltalán nincs jég), ezért változó mennyiségű anyag áramlik ki a különböző helyekről. E kép szerint a felszín egyes részei csak egy ideig képesek gázkibocsátásra, mert elfogy a jég; de az anyagvesztés miatt a kigázosodott felszín beszakad, és kezdődik minden elölről.
Ezt az egyszerű, kvalitatív képet azonban a részletes számítások nem támasztják alá. Először is, nem csak egyfajta gáz távozik el az üstökösökből, a legnagyobb mennyiségben található víz mellett a szén-monoxid kibocsátása is jelentős, főképp a Naptól távol és az éjszakai oldalon. E kétfajta jég szublimálási hőmérséklete eltérő, ezért e kétfajta gáz csak akkor modellezhető, ha a szén-monoxid mélyebb rétegekben található. De ekkor már valamiféle porózus felszíni anyagot kell feltételezni, meglehetősen bonyolult hővezetési mechanizmusokkal. Felmerült az a gondolat is, hogy a felszínt jég borítja, és a napfény a jégen áthaladva, a mélyebb rétegekben nyelődik el, kicsit hasonlóan ahhoz, ami a gleccsereknél lezajlik. Ez a modell némileg másfajta anyagkibocsátást eredményez, de ennek további részleteivel itt nem foglalkozunk.
Még ha a legegyszerűbb felszíni modellt is vesszük: jégbe fagyott porszemcséket, akkor az aktivitást a következőképp modellezik: a jég a napfény hatására szublimál, kiáramlik és magával ragadja azokat a porszemcséket, amiket tud. De mi történik a nagyobb porszemcsékkel? Egy ilyen modell esetében a felszín hamar kigázosodik, és egy nagyszemcséjű, porral borított, inaktív felszíni réteg alakul ki. A folyamatos működéshez valamit még fel kell tételezni, például azt, hogy a por igen törékeny. Ezt a képet magyar kutatók dolgozták ki, és egyszerűsége ellenére jól modellezi az üstökösök hosszú időskálájú fényességváltozásait is. Van persze erre más magyarázat is.
Meglepő volt azonban, hogy az üstökösöket közelről fényképező űrszondák képein ritkán van nyomuk a felszíni anyagkitöréseknek. A Halley-üstökös esetében a Giotto közeli képei esetében a legfényesebb pont a felszíntől távolabb volt. Sok üstökös esetében a kóma nagyléptékben elég egyforma, fényesebb struktúrákat csak specifikus képfeldolgozási eljárásokkal lehet feltárni. Ez azt valószínűsíti, hogy az üstökösök aktivitása talán a felszín minden darabkáján alapjában véve egyforma (eltérést csak a napfény beesési iránya okoz).
A numerikus módszerek fejlődése egy másik meglepetést eredményezett. Már 1986-ban kimutatta egy japán kutató, hogy ha az üstökös felszínén egymás közelében két anyagforrás lenne, akkor a por nem a két kilövellés tartományában a legsűrűbb, hanem a két kilövellés között, ahol egyébként gázkiáramlás nincs is. Ezt a későbbi számítások is megerősítették. Ez arra irányította a figyelmet, hogy a porsűrűsödések nem a gáz mozgását követik, hanem a gázok mozgása során kialakuló egyenetlenségeket, azaz a porsűrűsödések nem a gázkitörések helyének indikátorai. Jól ismert az a tény is, hogy amikor szélcsatornákban vizsgálják autók, repülőgépek körül kialakuló áramlás szerkezetét, akkor ezt elsősorban a testek alakja határozza meg. Ennek analógiájára merült fel az a gondolat, hogy az üstökösök környezetében megfigyelt porstruktúrákat is a mag szabálytalan alakja okozza. Kipróbálták ezt egy háromdimenziós gázdinamikai modellel a Halley-üstökös esetében, felhasználva azt a magmodellt, amit a VEGA szondák képe alapján számítottak ki (e munkákban e sorok írója is részt vett), azt feltételezve, hogy a felszín aktivitása egyébként egyforma. Meglepő módon a számítások jól reprodukálták az űrszondák által megfigyelt porszerkezetet. Azaz az üstökösökből kiáramló gáz teljesen meglepő, nem várt helyeken is eredményezhet porsűrűsödéseket.
A kiáramló anyag a rakétaelv szerint kimozdítja az üstökösöket gravitációs pályájukról, és elvben modellezhetőek az üstökösre ható nem-gravitációs erők is. Kihatnak ezek természetesen a forgó mozgásra is. E számításokat azonban mérésekkel még nem sikerült egybevetni.
Az üstökösből kiáramló anyag mozgását sem egyszerű vizsgálni. A felszínről leváló porszemcsék feltehetően még jeget tartalmaznak, ezért kis rakétákhoz hasonlóan mozognak. A por és a gáz kölcsönhatása sem feltétlenül követi a rugalmas ütközések egyszerű mechanikáját, a gáz nyilvánvalóan forgatja is a porszemcséket, és az ütközés köny-nyen lehet rugalmatlan. A kiáramló gáz lehűl, előfordulhat tehát, hogy jégszemcsék keletkeznek, majd ezek később elpárolognak. A kiáramló porszemcsék porlódhatnak, ezek a variációk a részletek tekintetében nagyon eltérő mozgásokat eredményeznek.
Nem említettük még a felszín esetleges hőtehetetlenségét. Egy adott felszínről „délben” vagy kicsit később áramlik-e ki a legtöbb anyag? Van-e kiáramlás az éjszakai oldalon? Ez utóbbira igenlő a válasz, csak ekkor nem a felszíni, hanem a felszín alatti gázok szublimációja a meghatározó, de ezek mennyisége nem feltétlenül képes port felemelni a felszínről. Megannyi kérdés, amelyekre ma még nincs pontos válasz.
A felszín működésének eltérő modelljei között a Deep Impact misszió eredményei talán kiválasztják a legjobbat (legjobbakat). E misszió során kaptuk a legrészletesebb képet a felszínről, és az üstökösbe fúródott lövedék keltette anyagkilövellés is sokat el fog árulni az üstökösök működéséről (1. ábra). Az adatfeldolgozás azonban még tart, noha az első eredményeket 2005 elején publikálták, a részletes eredményekre még várni kell.
Kulcsszavak: kóma, szublimáció, üstökös, üstökösaktivitás, üstökösmag, üstökösszonda
1. ábra • A Tempel-1 üstökös képe, 5 m-es felbontásban a Deep Impact felvételei alapján. (Az a és b nyilak két nagy, sima tartományt mutatnak. A fehér vonal hossza a kép alján 1 km. A harmadik nyíl a becsapódás helye.) A kép a NASA http://www.nasa.gov/mission_pages/deepimpact/multimedia/addscolor90605.html webhelyéről származik.
IRODALOM • Tóth Imre (2005): Mekkorák az üstökösmagok? Fizikai Szemle. 12, 433–441.
<-- Vissza a 2006/8 szám tartalomjegyzékére
<-- Vissza a Magyar Tudomány honlapra
[Információk] [Tartalom] [Akaprint Kft.]