We wnętrzu komety 67P nie ma…

Comet_67P_Churyumov-Gerasimenko_article_mob

We wnętrzu jądra komety 67P/Czuriumow-Gerasimienko nie ma żadnych dużych luk/jam. Sonda Rosetta wykonała pomiary, które jasno potwierdzają, że jądro komety nie ma struktury porowatej.

Komety to lodowe pozostałości po okresie formowania planet 4.6 miliardów lat temu. Jak dotąd sondy odwiedziły osiem komet i dzięki ich misjom udało nam się stworzyć swego rodzaju obraz podstawowych właściwości tych kosmicznych kapsuł czasu. Na niektóre pytania udało się odpowiedzieć, a niektóre pytania dopiero powstały.

Komety stanowią mieszaninę pyłu i lodu. Jeżeli byłyby pełne, to byłyby cięższe od wody. Niemniej jednak dotychczasowe pomiary wskazywały, że niektóre z nich mają bardzo niską gęstość, dużo niższą od lodu wodnego. Niska gęstość wskazuje na to, że komety muszą mieć strukturę porowatą.

Jednak czy ta porowatość wynika z istnienia potężnych pustych jam we wnętrzu komety czy bardziej równomiernie rozłożonej budowy o niskiej gęstości?

W nowym artykule opublikowanym w tym tygodniu w periodyku Nature, zespół naukowców pracujący pod kierownictwem Martina Patzolda z Rheinische Institut fur Unweltforschung an der Universitat zu Koln w Niemczech wykazał, że kometa 67P/Czuriumow-Gerasimienko także charakteryzuje się niską gęstością – tym razem jednak udało się wykluczyć istnienie dużych jam we wnętrzu jądra komety.

Wyniki te zgadzają się ze wcześniejszymi wynikami pomiarów radarowych za pomocą instrumentu CONSERT zainstalowanego na pokładzie sondy Rosetta, które wykazały, że jądro komety ma równomierną gęstość przy rozdzielczości rzędu kilkudziesięciu metrów.

Najprostsze wytłumaczenie mówi, że porowatość komety musi być związana z podstawowymi cechami ziaren pyłu zawartych w lodzie tworzącym wnętrze komety. De facto wcześniejsze pomiary wykazały, że ziarna pyłu na komecie nie są jednolite, a są „puszystym” agregatem drobinek – przez co ziarna pyłu wykazują dużą porowatość i niską gęstość. Instrumenty COSIMA i GIADA na pokładzie sondy Rosetta wykazały, że takie same ziarna znajdują się także na powierzchni komety 67P.

Zespół Patzolda dokonał swojego odkrycia wykorzystując Radio Science Experiment (RSI) do zbadania w jaki sposób sonda Rosetta jest przyciągana przez grawitację komety, która przecież bezpośrednio związana jest z jej masą.

Wpływ grawitacji na ruch sondy Rosetta mierzony jest przez zmiany częstotliwości sygnału pochodzącego od sondy docierającego na Ziemię.

W tym przypadku sonda Rosetta była przyciągana grawitacyjnie przez kometę co powodowało zmianę częstotliwości sygnału radiowego docierającego do Ziemi. Należąca do ESA 35-metrowej średnicy antena w stacji naziemnej New Norcia w Australii wykorzystywana jest do komunikacji z kometą podczas wykonywania rutynowych operacji. Wariacje odbieranego sygnału po przeanalizowaniu pozwoliły na stworzenie obrazu pola grawitacyjnego komety.  Jeżeli we wnętrzu komety występowałyby duże wewnętrzne luki – w ruchu komety można byłoby zauważyć spadki przyciągania ze strony komety.

New_Norcia_station_article_mob

Sonda Rosetta to pierwsza sonda, która przeprowadziła te skomplikowane pomiary dla komety.

„Prawo grawitacji Newtona mówi nam, że sonda Rosetta jest przyciągana przez praktycznie wszystko,” mówi Martin Ptzold, główny badacz eksperymentu RSI.

„W rzeczywistości oznacza to, że musieliśmy uwzględnić i usunąć wpływ grawitacyjny Słońca, wszystkich planet – od olbrzymiego Jowisza po planety karłowate – jak również większych planetoid we wnętrzu Pasa Planetoid na ruch Rosetty tak, aby pozostał nam sam wpływ komety. Na szczęście wszystkie te efekty są dobrze znane i w dzisiejszych misjach międzyplanetarnych to standardowa procedura.”

Następnie należało odjąć ciśnienie promieniowania słonecznego oraz ogona gazowego uciekającego z komety. Te dwa czynniki także spychają sondę z kursu. W tym przypadku bardzo pomocny okazał się instrument ROSINA, który mierzy gaz opływający sondę. Dzięki temu Patzold i jego koledzy mogli usunąć także te efekty.

Cały pozostały ruch spowodowany jest masą komety. W przypadku komety 67P mówimy o masie niecałych 10 miliardów ton.  Zdjęcia wykonane za pomocą kamery OSIRIS pozwoliły na stworzenie modelu kształtu komety i oszacowania jej objętości – 18.7 km3. Oznacza to, że gęstość jądra komety to 533 kg/m3.

Naukowcy mieli sporo szczęścia, że w ogóle możliwe było uzyskanie szczegółowych informacji o wnętrzu komety.

Z uwagi na brak informacji o aktywności komety zaprojektowano bardzo ostrożną i konserwatywną trajektorię podejścia do komety – tak aby zapewnić bezpieczeństwo sondy. Nawet w najlepszym przypadku taka trajektoria nie pozwoliłaby sondzie na zbliżenie się bardziej niż na 10 km do komety.

Niestety przed 2014 rokiem zespół RSI przewidywał, że musiałby zbliżyć się bardziej niż na 10 km, aby móc zmierzyć rozkład materii we wnętrzu komety. Takie wnioski wyciągali w oparciu o obserwacje prowadzone z Ziemi, które wskazywały, że kometa jest okrągła.  W tym przypadku z wysokości 10 km można by było zmierzyć tylko masę całkowitą komety.

Dopiero podczas podejścia do komety okazało się, że jej kształt jest zupełnie inny. Na szczęście dla zespołu RSI taka budowa jądra komety oznaczała, że różnice w polu grawitacyjnym będą dużo wyraźniejsze, a tym samym łatwiejsze w pomiarach z daleka.

„Zmiany pola grawitacyjnego odczuwaliśmy już z odległości 30 km,” mówi Patzold.

Gdy sonda Rosetta osiągnęła orbitę w odległości 10 km, zespół RSI był w stanie wykonać bardzo szczegółowe pomiary. Stąd też duża pewność wyników. A może być jeszcze lepiej…

We wrześniu br. sonda Rosetta zacznie obniżać orbitę i zakończy swoją misję kontrolowanym uderzeniem w powierzchnię komety. Ten manewr  będzie wyjątkowym wyzwaniem dla specjalistów od dynamiki lotu w European Space Operations Centre (ESOC) w Darmstadt w Niemczech. Wraz ze zbliżaniem się do komety, co raz bardziej złożone pole grawitacyjne komety będzie co raz bardziej utrudniało nawigację. Jednak dla zespołu RSI będzie to oznaczało zwiększenie precyzji pomiarów. W ten sposób możliwe, że uda się wykryć mniejsze luki/jamy o rozmiarach rzędu kilkuset metrów.

Źródło: ESA