Lodowe niespodzianki na powierzchni komety 67P

dnia 21/11/2016

 

Pierwsze odkrycie lodu dwutlenku węgla na komecie

Pierwsze odkrycie lodu dwutlenku węgla na komecie. Źródło: dane: ESA/Rosetta/VIRTIS/INAF-IAPS/OBS DE PARIS-LESIA/DLR; Przedruk za zgodą G. Filacchione et al., Science 10.1126/science.aag3161 (2016); context image: ESA/Rosetta/NavCam – CC BY-SA IGO 3.0

Podczas gdy kometa 67P/Czuriumow-Gerasimienko zbliżała się do najaktywniejszego momentu na swojej orbicie, krążąca wokół niej sonda Rosetta dostrzegła lód składający się z dwutlenku węgla – nigdy wcześniej nie rejestrowany na powierzchni komety. Wkrótce potem sonda zaobserwowała także dwa nietypowo duże obszary lodu wodnego.

Warstwa lodu dwutlenku węgla rozciągała się na obszarze porównywalnym z boiskiem piłkarskim, podczas gdy dwa obszary lodu wodnego miały rozmiary nieco większe od basenu olimpijskiego i były dużo większe od jakichkolwiek wcześniej dostrzeżonych obszarów lodu wodnego.

Wszystkie trzy warstwy lodu zostały odkryte w tym samym regionie – w południowej części komety.

Połączenie złożonego kształtu komety, jej wydłużonej orbity wokół Słońca oraz znaczne nachylenie osi obrotu sprawia, że pory roku nie rozkładają się równomiernie między północną i południową częścią dwuczłonowej komety 67P.

Gdy sonda Rosetta dotarła do komety w sierpniu 2014 roku, na jej północnej części wciąż trwało 5.5-letnie lato, podczas gdy południowa część skąpana była w mroźnej zimie i ciemnościach.

Niemniej jednak, na krótko przed osiągnięciem peryhelium orbity w sierpniu 2015 roku, pory roku uległy zmianie, i na krótko na południowych obszarach komety pojawiło się krótkie, lecz intensywne lato, w czasie którego obszar został ponownie skąpany w intensywnym świetle Słońca.

W pierwszej połowie 2015 roku, kiedy kometa stawała się coraz bardziej aktywna, sonda Rosetta obserwowała parę wodną i inne gazy emitowane z jądra komety, unoszące skrywające je pyłową pokrywę i odsłaniające jego lodowe tajemnice.

Dwukrotnie pod koniec marca 2015 roku, spektrometr VIRTIS rejestrujący widmo w zakresie widzialnym, podczerwonym i termicznym dkrył bardzo duży obszar lodu dwutlenku węgla na obszarze Anhur w południowej części komety.

To pierwsza w historii detekcja stałego dwutlenku węgla na jakiejkolwiek komecie – choć nie jest to coś niezwykłego w Układzie Słonecznym – wszak bardzo dużo takiego lodu znajduje się w czapach polarnych Czerwonej Planety.

„Wiemy, że komety zawierają dwutlenek węgla, który obfitość w atmosferach kometarnych ustępuje jedynie wodzie, jednak jak dotąd nie udawało się go zaobserwować w stanie stałym na powierzchni jądra komety,” tłumaczy Gianrico Filacchione z włoskiego INAF-IAPS Istituto di Astrofisica e Planetologia Spaziali, który kierował badaniami.

W środowisku kometarnym dwutlenek węgla zamarza w temperaturze -193°C, znacznie niższej niż temperatura zamarzania wody. Powyżej tej temperatury dwutlenek węgla zmienia stan stały bezpośrednio na gazowy, co istotnie utrudnia wykrycie go w formie lodu na powierzchni.

W przeciwieństwie do CO2, lód wodny odkrywano na różnych kometach, a sama sonda Rosetta wielokrotnie odkrywała liczne małe obszary takiego lodu w różnych obszarach powierzchni komety.

„Mieliśmy nadzieję, że uda się odkryć oznaki lodu CO2 i poszukiwaliśmy go całkiem długo – jakież było nasze zaskoczenie gdy w końcu udało nam się zarejestrować jego wyraźną sygnaturę,” dodaje Gianrico.

Obszar składający się w kilku procentach z dwutlenku węgla i z ciemniejszej mieszaniny pyłu i materii organicznej obserwowany był w ciągu dwóch kolejnych marcowych dni. To odkrycie wymagało sporo szczęścia – gdy zespół naukowców przyjrzał się ponownie temu obszarowi trzy tygodnie później, lodu już nie było.

1-icysurprises

Zakładając, że cały lód zamienił się w gaz naukowcy oszacowali, że warstwa lodu o rozmiarach 80 x 60 metrów zawierała około 57 kilogramów dwutlenku węgla, co odpowiada z kolei warstwie o grubości około 9 centymetrów. Jej obecność na powierzchni to raczej odosobniony przypadek, bowiem większość lodu CO2 znajduje się w głębszych warstwach jądra komety.

Gianrico wraz ze swoimi współpracownikami uważa, że warstwa lodu miała kilka lat, a pojawiła się gdy kometa wciąż znajdowała się w chłodnych rejonach zewnętrznego Układu Słonecznego, a jej południowa półkula skąpana była w długotrwałej zimie. W tym czasie, część dwutlenku węgla wciąż odgazowywanego z wnętrza jądra osiadła na powierzchni, gdzie pozostała tam, aż do kwietnia 2015 roku, kiedy wzrost temperatury spowodował odparowanie lodu.

Powyższa teoria odkrywa przed nami sezonowy cykl życia lodu CO2 na powierzchni komety podczas trwającej 6.5 roku orbity, różniący się od dziennego cyklu lodu wodnego dostrzeżonego przez VIRTIS wkrótce po dotarciu do komety.

Co ciekawe, wkrótce po zniknięciu lodu CO2, wąskokątowa kamera OSIRIS zainstalowana na pokładzie sondy Rosetta zarejestrowała dwa nietypowo duże obszary lodu wodnego w tym samym miejscu, między południowymi regionami Anhur i Bes.

„Już wcześniej widzieliśmy wiele odsłoniętych warstw lodu wodnego o rozmiarach rzędu kilku metrów w różnych regionach komety, jednak nwo odkryte warstwy są dużo większe – każda z nich miała rozmiary rzędu 30 x 40 metrów i zanim całkowicie zniknęły widziane były przez około 10 dni,” mówi Sonia Fornasier z LESIA-Observatoire de Paris oraz Université Paris Diderot we Francji.

Te bogate w lód obszary widoczne są jako bardzo jasne punkty na powierzchni komety, odbijające światło bardziej niebieskie niż otoczenie odbijające więcej czerwonego światła. Naukowcy eksperymentowali z mieszaninami pyłu i lodu wodnego, aby wykazać, że wraz ze wzrostem obfitości lodu, odbijane światło staje się stopniowo bardziej niebieskie, aż do momentu w którym tyle samo światła jest odbijane we wszystkich kolorach.

Dwa nowo odkryte obszary zawierają 20-30% lodu wodnego wymieszanego z ciemniejszą materią, tworząc warstwę lodu o grubości do 30 cm. Jeden z tych obszarów skrywał się pod warstwą lodu CO2 odkrytą za pomocą instrumentu VIRTIS jakiś miesiąc wcześniej.

Sezonowy cykl lodu wodnego na komecie 67P/C-G. Źródło: ESA/Rosetta/MPS for OSIRIS Team MPS/UPD/LAM/IAA/SSO/INTA/UPM/DASP/IDA; Przedruk za zgodą S. Fornasier et al., Science 10.1126/science.aag2671 (2016)

Sezonowy cykl lodu wodnego na komecie 67P/C-G. Źródło: ESA/Rosetta/MPS for OSIRIS Team MPS/UPD/LAM/IAA/SSO/INTA/UPM/DASP/IDA; Przedruk za zgodą S. Fornasier et al., Science 10.1126/science.aag2671 (2016)

„W skali globalnej odkryliśmy, że cała powierzchnia komety stawała się stopniowo coraz bardziej niebieska gdy kometa zbliżała się do Słońca. Intensywne promieniowanie słoneczne unosiło duże ilości pyłu odkrywając przed nami więcej bogatej w lód materii znajdującej się pod pyłową powierzchnią jądra komety,” tłumaczy Sonia.

Gdy kometa zaczęła oddalać się od Słońca naukowcy zauważyli, że kolor powierzchni komety ponownie zaczął się robić coraz bardziej czerwony.

Oprócz tego naukowcy odkryli lokalne zmiany barw wskazujące na dzienny cykl lodu wodnego. Szybko zamieniający się w parę wodną po wystawieniu na światło słoneczne w ciągu kometarnego dnia, woda z powrotem zamieniała się w cienką warstwę szronu i lodu, gdy temperatury spadały po zachodzie Słońca. Kolejnego dnia cykl się powtarzał.

Rozkład lodu wodnego pod pyłową powierzchnią komety wydaje się rozległy lecz niejednorodny. Lód pojawia się i znika punktowo w wyniku aktywności kometarnej.

Od czasu do czasu odkrywane są większe i grubsze warstwy lodu, które pamiętają wcześniejsze przejścia komety przez peryhelium.

„Te dwa badania lodowej zawartości jądra komety odkrywają przed nami nowe informacje o składzie chemicznym i historii jądra tej komety,” mówi Matt Taylor, naukowiec projektu ESA Rosetta.

„Choć aktywna część misji Rosetta już została zakończona, analiza danych naukowych zebranych w trakcie misji będzie trwała jeszcze bardzo długo.”

Źródło: ESA