בעקבות שביל האבק

השביט של האלי. אשראי תמונה: MPAE. לחץ להגדלה.
כפרופסור אמריטוס ממכון מקס פלאנק, לד"ר קיסל יש דבקות לכל החיים לחקר שביטים. "בראשית המאה העשרים זנבי השביט מובילים להנחתה ובהמשך לגילוי 'רוח השמש', זרם אטומים מיוננים המפוצץ ללא הרף מהשמש. ככל שהתצפיות האסטרונומיות התחזקו, ניתן היה לזהות יותר ויותר מרכיבים, גם חלקיקי מצב מוצק וגם מולקולות גזים, ניטרליות ומיוננות. " ככל שהטכניקות שלנו ללימוד מבקרי מערכת השמש החיצונית הללו נעשו מעודנות יותר, כך גם התיאוריות שלנו לגבי מה הן עשויות להיות מורכבות - ואיך הן נראות. אומר קיסל, "דוגמניות רבות הוצעו לתאר את המראה הדינמי של כוכב שביט, שממנו נראה שפרד וויפל היה המבטיח ביותר. הוא הניח גרעין המורכב מקרח מים ואבק. בהשפעת השמש, קרח המים היה נשגב ומאיץ חלקיקי אבק בדרכו. "

ובכל זאת, הם היו תעלומה - תעלומה שהמדע היה להוט לפתור. "רק עד שהלי היה ידוע כי שביטים רבים הם חלק ממערכת השמש שלנו ומקיפים את השמש בדיוק כמו בכוכבי הלכת, רק על מסלולי מסלול אחרים ועם השפעות נוספות בגלל פליטת חומרים." הערות קיסל. אבל רק על ידי התקרבות ואישית עם שביט יכולנו לגלות הרבה יותר. עם שובו של האלי למערכת הסולארית הפנימית שלנו, התוכניות תוכננו לתפוס שביט ושמו היה ג'וטו.

משימתו של ג'וטו הייתה להשיג צילומי צבע של הגרעין, לקבוע את ההרכב היסודי והאיזוטופי של רכיבים נדיפים בתרדמת הקומיטרית, ללמוד את מולקולות האב ולעזור לנו להבין את התהליכים הפיזיים והכימיים המתרחשים באטמוספרה היונוספרית. ג'וטו יהיה הראשון לחקור את המערכות המקרוסקופיות של זרימות פלזמה הנובעות מהאינטראקציה בין הרוח הקומטרית-סולרית. בראש רשימת העדיפויות שלה היה מדידת קצב ייצור הגז וקביעת ההרכב היסודי והאיזוטופי של חלקיקי האבק. קריטי לחקירה המדעית היה שטף האבק - גודלו וחלוקתו המונית ויחס האבק-לגז המכריע. בזמן שהמצלמות המובילות צילמו את הגרעין ממרחק 596 ק"מ משם - קביעת צורתו וגודלו - היא גם פיקחה על מבנים בתרדמת האבק ובחנה את הגז בעזרת ספקטרומטר מסיבי ניטרלי וגם עם מסה יונית. כפי שחשד המדע, משימת גיוטו מצאה שהגז הוא בעיקר מים, אך הוא הכיל פחמן חד חמצני, פחמן דו חמצני, פחמימנים שונים, כמו גם שמץ של ברזל ונתרן.

כמנהיג מחקר צוותי במשימת גיוטו, ד"ר קיסל נזכר, "כאשר הגיעו משימות הסגירה הראשונות לשביט 1P / Halley, זוהה בבירור גרעין בשנת 1986. זו הייתה גם הפעם הראשונה שחלקיקי האבק, שביט גזים ששוחררו נותחו במקום, כלומר ללא הפרעה של אדם ולא הובלה חזרה לאדמה. " זו הייתה תקופה מרגשת במחקר הקומטרי, באמצעות המכשור של ג'וטו, חוקרים כמו קיסל יכלו כעת ללמוד נתונים שלא היו מעולם. "ניתוחים ראשונים אלה הראו כי חלקיקים הם כולם תערובת אינטימית של חומר אורגני בעל מסה גבוהה וחלקיקי אבק קטנים מאוד. ההפתעה הגדולה ביותר הייתה ללא ספק הגרעין האפל מאוד (המשקף רק 5% מהאור המאיר עליו) ואת הכמות והמורכבות של החומר האורגני. "

אבל האם שביט באמת היה משהו יותר או סתם כדור שלג מלוכלך? "עד היום אין - למיטב ידיעתי - שום מדידה המראה את קיומו של קרח מים מוצקים שנחשף על משטח קיטרי." אומר קיסל, "עם זאת, מצאנו שמים (H2O) כגז יכולים להיות משוחררים על ידי תגובות כימיות המתרחשות כאשר השביט מתחמם יותר ויותר על ידי השמש. הסיבה יכולה להיות 'חום סמוי', כלומר אנרגיה המאוחסנת בחומר הקומטרי הקר ביותר, אשר רכשה את האנרגיה על ידי קרינה קוסמית אינטנסיבית בזמן שהאבק נע בחלל הבין-כוכבי דרך שבירת קשרים. קרוב מאוד למודל שלשמו טען ג'יי מאיו גרינברג ז"ל במשך שנים. "

אנו יודעים כעת כי השביט האלי כלל את החומר הפרימיטיבי ביותר הידוע לנו במערכת השמש. למעט החנקן, יסודות האור המוצגים דומים למדי בשפע כמו זו של השמש שלנו. נקבעו כי אלפי חלקיקי אבק הם מימן, פחמן, חנקן, חמצן - כמו גם אלמנטים המרכיבים מינרלים כמו נתרן, מגנזיום, סיליקון, סידן וברזל. מכיוון שהיסודות הקלים יותר התגלו הרחק מהגרעין, ידענו שהם לא חלקיקי קרח קיטריים. ממחקרינו על הכימיה של הגז הבין-כוכבי סביב כוכבים, למדנו כיצד מולקולות שרשרת הפחמן מגיבות ליסודות כמו חנקן, חמצן, ובחלק קטן מאוד מימן. בקור הקיצוני של החלל הם יכולים לבצע פילמור - לשנות את הסידור המולקולרי של תרכובות אלה ליצירת חדש. יהיה להם אותו אחוז הרכב של המקור, אך משקל מולקולרי גדול יותר ותכונות שונות. אבל מהן אותם נכסים?

בזכות כמה מידע מדויק מאוד מהמפגש הצמוד של הגשוש עם השביט האלי, רנג'אן גופטה מהמרכז הבין-אוניברסיטאי לאסטרונומיה ואסטרופיסיקה (IUCAA) ועמיתיו העלו כמה ממצאים מעניינים מאוד עם הרכב האבק הקומטרי ותכונות פיזור. מאז שהמשימות הראשונות לשביטים היו "מעופפים", כל החומר שנלכד נותח במקום. סוג זה של ניתוח הראה שחומרים קומיטריים הם בדרך כלל תערובת של סיליקט ופחמן במבנה אמורפי וקריסטלי שנוצר במטריקס. ברגע שהמים מתאדים, גדלי הגרגרים הללו נעים מתת-מיקרון למיקרון והם בעלי נקבוביות מאוד - מכילים צורות לא כדוריות ולא סדירות.

לדברי גופטה, מרבית הדגמים המוקדמים של אור המפוזרים מדגנים כאלה היו "מבוססים על תחומים מוצקים עם תורת Mie המקובלת, ורק בשנים האחרונות - כשמשימות החלל סיפקו הוכחות חזקות כנגד זה - התפתחו דגמים חדשים במקום שלא היו גרגירים כדוריים ונקבוביים שימשו לשחזור התופעה שנצפתה ". במקרה זה, הקיטוב ליניארי מופק על ידי השביט מאור השמש המתרחש. מוגבל למישור - הכיוון ממנו מפוזר האור - הוא משתנה לפי מיקום כאשר השביט מתקרב או נסוג מהשמש. כפי שמסביר גופטה, "תכונה חשובה של עקומת הקיטוב הזו לעומת זווית הפיזור (המכונה לגיאומטריה של כוכב השמש-אדמה) היא שישנה מידה מסוימת של קיטוב שלילי."

שליליות זו, המכונה 'פיזור גב', מתרחשת בעת ניטור באורך גל יחיד - אור מונוכרומטי. אלגוריתם ה- Mie מדגם את כל תהליכי הפיזור המקובלים הנגרמים על ידי צורה כדורית, תוך התחשבות בבבואה חיצונית, השתקפויות פנימיות מרובות, שידור וגלי שטח. עוצמה זו של אור מפוזר עובדת כפונקציה של הזווית, היכן 0? מרמז על פיזור קדימה, הרחק מהכיוון המקורי של האורות, בעוד 180? מרמז על פיזור גב - הגב מעניק את מקור האור.
לדברי גופטה, "פיזור גב נראה ברוב השביטים בדרך כלל בלהקות הנראות לעין ובשביל כמה שביטים בלהקות הכמעט אינפרא אדום (NIR)." נכון לעכשיו מודלים המנסים לשחזר היבט זה של קיטוב שלילי בזוויות פיזור גבוהות זוכים להצלחה מוגבלת מאוד.

המחקר שלהם השתמש ב- DDA שונה (קירוב דיפול דיסקרטי) - שם מניחים כי כל גרגר אבק הוא מערך של דיפול. מגוון גדול של מולקולות יכול להכיל קשרים הנמצאים בין הקצוות של יונים וקוואלנטים. ההבדל הזה בין האלקטרוניטיבים של האטומים במולקולות מספיק מספיק כדי שהאלקטרונים לא יהיו משותפים באופן שווה - אבל הם קטנים מספיק כדי שהאלקטרונים לא יימשכו רק לאחד האטומים כדי ליצור יונים חיוביים ושליליים. קשר מסוג זה במולקולות ידוע כקוטב. מכיוון שיש לזה מטרות חיוביות ושליליות - או קטבים - ולמולקולות יש רגע דיפול.

דיפולות אלה מתקשרות זו עם זו כדי לייצר את אפקטים של פיזור האור כמו הכחדה - תחומים הגדולים מאורך הגל של האור יחסמו אור מונוכרומטי ולבן - וקיטוב - פיזור גל האור הנכנס. על ידי שימוש במודל של גרגרים מורכבים עם מטריצה ​​של גרפיט וספרואידים סיליקט, יתכן שיהיה צורך בטווח גודל דגני מאוד ספציפי בכדי להסביר את התכונות שנצפו באבק קומיטלי. "עם זאת, המודל שלנו אינו מסוגל לשחזר את ענף הקיטוב השלילי שנצפה בכמה שביטים. לא כל כוכבי השביט מראים תופעה זו בלהקת NIR של 2.2 מיקרון. "

דגמי דגנים מורכבים אלה שפותחו על ידי Gupta et al; יהיה צורך לשכלל עוד יותר כדי להסביר את ענף הקיטוב השלילי, כמו גם את כמות הקיטוב באורכי גל שונים. במקרה זה, מדובר באפקט צבעוני עם קיטוב גבוה יותר באור אדום מאשר ירוק. סימולציות מעבדה נרחבות יותר של דגנים מורכבים מתקרבים ו"מחקר תכונות פיזור האור שלהם יעזור בזיקוק מודלים כאלה. "

ההתחלות המוצלחות של האנושות בעקבות מסלול האבק הקומטרי הזה התחיל עם האלי. Vega 1, Vega 2 ו- Giotto סיפקו את הדגמים הדרושים לציוד מחקר טוב יותר. במאי 2000 ד"ר ד"ר. פרנץ ר. קרוגר ויוחן קיסל ממכון מקס פלאנק פרסמו את ממצאיו כ"ניתוח כימי ישיר ראשון של אבק בין כוכבים ". אומר ד"ר קיסל, "שלושה מספקטרומטרי ההמונים של האבק שלנו (PIA שנמצאים על גבי GIOTTO, ו- PUMA-1 ו- -2 על גבי VEGA-1 ו- -2), נתקלו בשביט האלי. עם אלה הצלחנו לקבוע את ההרכב האלמנטרי של האבק הקיטרי. עם זאת, המידע המולקולרי היה שולי בלבד. " המפגש הצמוד של Deep Space 1 עם השביט בורלי החזיר את התמונות הטובות ביותר ונתוני מדע אחרים שהתקבלו עד כה. בצוות בורלי עונה ד"ר קיסל, "המשימה האחרונה לבורלי (וסטארדסט) הראתה פרטים מרתקים של פני השביט כמו מדרונות תלולים בגובה 200 מ 'וצריחים ברוחב 20 מטר וגובה 200 מטר."

למרות הבעיות הרבות של המשימה, Deep Space 1 התגלה כהצלחה טוטאלית. על פי יומן המשימה של ד"ר מארק ריימן ב- 18 בדצמבר 2001, "עושר נתוני המדע וההנדסה שהוחזרו על ידי משימה זו ינותח וישמש במשך שנים רבות. בדיקת טכנולוגיות מתקדמות בסיכון גבוה פירושה שמשימות עתידיות חשובות רבות שאחרת לא היו בר השגה או אפילו בלתי אפשריות כעת נמצאות בתחום שלנו. וכפי שיודעים כל הקוראים המקרוסקופיים, המסיק המדעי העשיר של השביט בורלי מספק למדענים תובנות חדשות ומרתקות על אותם חברים חשובים ממשפחת מערכת השמש. "

עכשיו סטארדאוסט לקח את החקירות שלנו רק צעד אחד קדימה. איסוף החלקיקים הפרימיטיביים הללו מ- Comet Wild 2, גרגרי האבק יאוחסנו בבטחה ב- airgel לצורך בדיקת שובו של הגשושית. דונלד בראונלי של נאס"א אומר, "אבק השביט ייחקר גם הוא בזמן אמת על ידי ספקטרומטר המוני בזמן הטיסה שמקורו בכלי ה- PIA שהועבר לשביט הללי במשימת גיוטו. מכשיר זה יספק נתונים על חומרי החלקיקים האורגניים שעלולים לא לשרוד את לכידת האוויר, והוא יספק מערך נתונים שלא יסולא בפז וניתן להשתמש בו כדי להעריך את המגוון בקרב שביטים בהשוואה לנתוני האבק של האלי שנרשמו באותה טכניקה. "

חלקיקים ממש אלו עשויים להכיל תשובה, ולהסביר כיצד אבק וב כוכב שביט בין-כוכבי עשויים לזרוע חיים בכדור הארץ על ידי אספקת היסודות הפיזיים והכימיים החשובים להתפתחותם. על פי דברי Browlee, "סטארדסט תפס אלפי חלקיקי שביט שיוחזרו לכדור הארץ לניתוח, בפירוט אינטימי, על ידי חוקרים ברחבי העולם." דגימות האבק הללו יאפשרו לנו להביט לאחור לפני כ -4.5 מיליארד שנה - מלמדות אותנו על הטבע הבסיסי של גרגרים בין-כוכביים וחומרים מוצקים אחרים - עצם אבני הבניין של מערכת השמש שלנו. שני האטומים שנמצאים על פני כדור הארץ וגם בגופנו שלנו מכילים אותם חומרים ששוחררו על ידי שביטים.

וזה רק משתפר. כעת בדרך אל שביט שביט 67 P / Churyumov-Gerasimenko, הרוזטה של ​​ESA תעמיק במסתורין של שביטים כאשר היא מנסה לנחות מוצלחת על פני השטח. על פי נתוני ה- ESA, ציוד כמו "Analyzer Impact Grain and Accumulator (GIADA) ימדוד את המספר, המסה, המומנטום והמהירות של גרגרי האבק המגיעים מגרעין שביט וכיוונים אחרים (המשתקפים על ידי לחץ קרינת השמש) - בעוד מערכת ניתוח אבק מיקרו-הדמיה (MIDAS) תחקר את סביבת האבק סביב השביט. זה יספק מידע על אוכלוסיית החלקיקים, גודל, נפח וצורה. "

חלקיק קומטרי אחד יכול להיות מורכב ממיליוני גרגרי אבק בין-כוכביים בודדים, ומאפשר לנו תובנה חדשה על תהליכים גלקטיים ועורביים, המגדילים את הבנתנו בשביטים וכוכבים כאחד. בדיוק כפי שייצרנו חומצות אמינו בתנאי מעבדה המדמים את מה שעלול להתרחש בשביט, רוב המידע שלנו הושג בעקיפין. על ידי הבנת הקיטוב, ספיגת אורך הגל, פיזור התכונות וצורת תכונת הסיליקט, אנו משיגים ידע רב ערך בתכונות הפיזיקליות של מה שטרם חקרנו. המטרה של רוזטה תהיה לשאת נחת לגרעין שביט ולפרוס אותו על פני השטח. מדע הנחיתה יתמקד במחקר במקום ההרכב והמבנה של הגרעין - מחקר שאין שני לו בחומר הקומטרי - שיספק לחוקרים כמו ד"ר יוחן קיסל מידע רב ערך.

ב- 4 ביולי 2005 תגיע משימת עמוק ההשפעה למקדש השביט 1. הקבורה מתחת לפני השטח עשויה להיות תשובות עוד יותר. במאמץ ליצור מכתש חדש על פני השביט, תשוחרר מסה של 370 ק"ג שתשפיע על צדו המואר של טמפל 1. התוצאה תהיה פליטה חדשה של חלקיקי קרח ואבק ותעודד את הבנתנו לגבי שביטים על ידי התבוננות בשינויי הפעילות. כלי השיט המעופף יפקח על מבנה והרכב פנים המכתש - יעביר נתונים בחזרה למומחה האבק הכספי של כדור הארץ, קיסל. "ההשפעה העמוקה תהיה הראשונה המדמה אירוע טבעי, ההשפעה של גוף מוצק על גרעין שביט. היתרון הוא שזמן הפגיעה ידוע היטב וחללית מצוידת כראוי נמצאת בסביבה, כאשר הפגיעה מתרחשת. זה בהחלט יספק מידע על מה שמתחת למשטחים שמהם יש לנו תמונות לפי המשימות הקודמות. תיאוריות רבות גובשו כדי לתאר את התנהגותו התרמית של גרעין השביט, הדורשות קרום עבה או דק או תכונות אחרות. אני בטוח שכל הדגמים האלה יצטרכו להחמיא לחדשים לאחר ההשפעה העמוקה. "

לאחר חיים שלמים של מחקר כספי, ד"ר קיסל עדיין עוקב אחר שובל האבק. "זה הקסם של מחקר שביטים שאחרי כל מדידה חדשה יש עובדות חדשות, שמראות לנו, כמה טעינו. וזה עדיין ברמה גלובלית למדי. " ככל שהשיטות שלנו משתפרות, כך גם ההבנה שלנו לגבי מבקרים אלה מענן Oort. קיסל אומר: "המצב לא פשוט וככל שמודלים פשוטים רבים מתארים את הפעילות הקומטרית העולמית די טוב, בעוד שיש לפרט פרטים, ומודלים הכוללים את היבטי הכימיה עדיין אינם זמינים." עבור אדם שהיה שם כבר מההתחלה, עבודה עם Deep Impact ממשיכה בקריירה מכובדת. "זה מרגש להיות חלק מזה", אומר ד"ר קיסל, "ואני להוט לראות מה קורה אחרי ההשפעה העמוקה ומודה לך להיות חלק מזה."

בפעם הראשונה מחקרים יתנהלו היטב מתחת לפני השטח של כוכב שביט, ויחשפו את חומריו הבתוליים - לא נגעו מאז היווסדו. מה שכב מתחת לפני השטח? בספקטרוסקופיה של נקווה נראים פחמן, מימן, חנקן וחמצן. אלה ידועים כמייצרים מולקולות אורגניות, החל מהפחמימנים הבסיסיים, כמו מתאן. האם תהליכים אלה יגברו במורכבות ליצירת פולימרים? האם נמצא את הבסיס לפחמימות, סכרידים, ליפידים, גליצרידים, חלבונים ואנזימים? בעקבות עקבות אבק עשוי מאוד להוביל לביסוס המרהיב ביותר של כל החומר האורגני - חומצה deoxyribonucleic - DNA.

נכתב על ידי תמי פלוטנר