Кометная пыль

Кометная пыль — космическая пыль кометного происхождения. Изучение кометной пыли может дать информацию о времени формирования комет, а следовательно, о времени формирования Солнечной системы. В частности, долгопериодические кометы большую часть времени находятся далеко от Солнца, где температура среды слишком низкая, чтобы происходило испарение. Лишь приближаясь к Солнцу и теплу, комета высвобождает доступные для наблюдений и исследований газ и пыль. Кометные пылинки становятся видимыми благодаря рассеянию ими солнечного излучения. Также некоторая часть солнечной энергии поглощается и излучается в инфракрасном диапазонеK. S. Krishna Swamy Physics of Comets. — 2010. Яркость отражающей поверхности (каковой является пылинка) пропорциональна её освещённости и отражательной способности. А освещённость от точечного или сферически симметричного источника (которым является Солнце) меняется обратно пропорционально квадрату расстояния от негоЮ. В. Александров, А. М. Грецкий, М. П. Пришляк Астрономия. 11 класс: Книга для учителя. — 2005. Если предположить сферичность пылинки, количество отраженного света зависит от поперечного сечения проекции формы пылевой частицы, а следовательно, пропорциональна квадрату её радиусаDavid J. Lien Optical properties of cometary dust // Scientific Report. — 5. — 1989 Astronomy Abstract Service.

Докосмические исследования

И. Ньютон предполагал, что комета состоит из твёрдого ядра, которое светит отражённым солнечным светом, и хвоста, образованного паром, выделяющимся из ядра. Эта идея оказалась правильной, но физическую природу комет обсуждали в течение почти трёх веков. В XIX веке итальянский астроном Д. Скиапарелли высказал предположение об общем происхождении метеоров и комет; затем профессор Тэт опубликовал свою теорию строения комет, в которой он считал комету состоящей из множества камней или метеоров, которые частично освещены Солнцем, а частично — излучают свет самостоятельно в результате многочисленных столкновений между собойAmédée Guillemin The world of comets. — 1877 Internet Archive.

Первым весомым шагом в исследовании динамики кометной пыли была работа Ф. Бесселя, посвящённая изучению морфологии комы кометы Галлея во время её появления в 1835 году. В этой работе Бессель ввёл концепцию репульсивной (отталкивающей) силы, направленной от СолнцаBessel F.W. Beobachtungen ueber die physische Beschaffenheit des Halley’s Kometen und dadurch veranlasste Bemerkungen. // Astron. Nachr. — 1836. — 13. — P.185-232 Astronomy Abstract Service. В конце XIX века русский учёный Ф. Бредихин ввёл понятия, которые и до сих пор часто применяют в исследованиях формирования пылевого хвоста кометы: синдинамы (геометрическое место всех пылинок с одинаковыми значениями β, которые испускаются непрерывно с нулевой относительно ядра скоростью) и синхроны (геометрическое место пылинок, которые были выброшены из кометы в одно время). На рубеже XIX и XX столетий репульсивная сила была идентифицирована и принята научным сообществом как давление солнечного излучения.

В 1950 году Уиппл предложил модель ядра кометы как смеси льдов с вкраплёнными частицами метеорного вещества (теория «грязного снежка»). В частности, согласно ей, пылевые частицы выбрасываются из кометного ядра и ускоряются до своих установившихся скоростей под действием газа, скорость выброса которого значительно больше. Устоявшаяся скорость достигается тогда, когда пыль и газ становятся динамично отделённымиWhipple, F.L. A comet model // Astrophysical Journal. — 1950. — 111. — P. 375—394 Astronomy Abstract Service . Первые решения проблем пылегазодинамики предложил Пробстин. По его подсчётам, устоявшаяся скорость достигается на расстоянии примерно 20 радиусов ядра, а значение скорости при температуре газа 200 К составляет 0,36—0,74 км/сProbstein R.F. The dusty gasdynamics of comet heads // Problems of Hydrodynamics and Continuum Mechanics / eds F. Bisshopp et al. — Philadelphia: Soc.Ind.Appl.Math. — 1969. — P.568-583.

Космические исследования

Становление космической эры дало возможность исследовать кометы за пределами земной атмосферы. Так, в 1986 году был отправлен целый ряд космических аппаратов к комете Галлея. Исследования, выполненные космическими аппаратами, показали, что пылевые частицы были преимущественно силикатами, но также были пойманы пылевые частицы, которые состояли почти полностью из органического материала (скомпонованы из атомов водорода, углерода, азота и кислорода)Keller, H.U., W.A. Delamere, W.F. Huebner, H.J. Reitsema. H.U. Schmidt, F.L. Whipple, K. Wilhelm. W. Curdt, R. Kramm. N. Thomas, C. Arpigny, C. Barbieri, R.M. Bonnet, S. Cazes, M. Coradini. C.B. Cos-movici, D.W. Hughes, C. Jamar, D. Malaise, K. Schmidt, W.K.H. Schmidt, and P. Seige Cornet P/Halley’s nucleus and its activity // Astron. Astrophys. — 1987. — 187. — P.807 Astronomy Abstract Service . Большое количество мелких пылинок с радиусами меньше 0,1 мкм, которые можно видеть с помощью наземных наблюдений, также были обнаружены на месте измеренийMcDonnell, J.A.M., W.M. Alexander, W.M. Burton, E. Bussoletti, G.C. Evans, S.T. Evans, J.G. Firth, R.J.L. Grard, S.F. Green, E. Griin, M.S. Hanner, D.W. Hughes, E. Igenbergs, J. Kissel, H. Kuczera, B.A. Lindblad, Y. Langevin, J.-C. Mandeville, S. Nappo, G.S.A. Pankiewicz, C.H. Perry, G.H. Schwehm, Z. Sekanina, T.J. Stevenson, R.F. Turner, U. Weishaupt, M.K. Wallis, and J.C. Zarnecki The dust distribution within the inner coma of Comet P/Halley 1982i: Encounter by Giotto’s impact detectors // Astron. Astrophys. — 1987. — 187. — P.719 Astronomy Abstract Service . Масс-спектрометр ПУМА, который находился на борту аппарата Вега-1, обнаружил, что соотношение органического и силикатного компонентов пыли в комете Галлея примерно равно единице, то есть Mor/Msi=1Kissel J., Kruger F.R. The organic component in dust from comet Halley as measured by the PUMA mass spectrometer on board Vega 1 // Nature. — 1987. — 326. — N.6115 — P.755-760 Astronomy Abstract Service . Сообщали, что минеральные пылинки тяжелее, чем органические, они видны ближе к ядруClark, B.C., L.W. Mason, and J. Kissel Systematics of the CHON and other light-element particle populations in Comet P/Halley // Astron. Astrophys. — 1987. — 187. — P.779 Astronomy Abstract Service. Ни одна из выявленных во время исследования кометы Галлея пылевых частиц не состояла из одного единственного минералаJessberger, E.K., A. Christoforidis, and J. Kissel Aspects of the major element composition of Halley’s dust // Nature. — 1988. — 332. — P.691 Astronomy Abstract Service. Замеры потоков пыли во время прохождения космических аппаратов вблизи ядер комет 1P/Галлея («Джотто») и 81P/Вильда 2 («Стардаст») показали наличие частиц, которые распространяются в очень широком диапазоне размеров, которые имеют эквивалентные радиусы от нанометров до миллиметров и распределены приблизительно по степенному закону n(a)=aγ (a — радиус пылинки) с индексом, γ от −2 до −4, в зависимости от размеров пылинок и их расположения в коме кометыKolokolova, L.; Kimura, H. Comet dust as a mixture of aggregates and solid particles: model consistent with ground-based and space-mission results // Earth, Planets and Space. — 2010. — 62. — N. 1. — P. 17-21 Astronomy Abstract Service. Крайне редко, вскоре после прохождения кометой перигелия, можно наблюдать антихвосты, направленные в сторону Солнца (с точки зрения наблюдателя). Они содержат только тяжелые частицы, обычно 0,01—0,1 смSekanina, Z. Progress in our understanding of cometary dust tails // The Study of Comets. IAU Coloq. — 1976. — Part 2. — P. 893—942 Astronomy Abstract Service. Интерес к кометам прикован и в 2014 году во время исследования кометы 67P/Чурюмова — Герасименко (в том числе химического состава) космическим аппаратом Розетта.

Состав кометной пыли Пыльно-ледяной конгломерат на значительных расстояниях от Солнца складывается из силикатного вещества, органики и льда, а их отношение (по массе) составляет примерно 1:1:1Greenberg J. M., Li Aigen A comet dust model for the beta Pictoris disk // A&A. — 1998. — 331. — P. 291—313 Astronomy Abstract Service .

Кометная пыль является неоднородной смесью кристаллических и аморфных (стеклообразных) силикатов (наиболее распространенными являются форстерит (Mg2SiO4) и энстатит (MgSiO3), оливин (Mg, Mn, Fe)2[SiO4]) и пироксены (группа минералов подкласса цепочечных силикатов), органических огнеупорных материалов (из элементов H, C, O и N), незначительного количества оксидов, а также других составляющих, таких как сульфид железа. Наиболее интересный результат, полученный в исследованиях кометы 81P/Вильда 2, — выявление огнеупорных кальций-алюминиевых включений, аналогичных тем, которые содержатся в примитивных метеоритахM.S. Hanner, M.E. Zolensky The Mineralogy of Cometary Dust // Astromineralogy. Lecture Notes in Physics. — 2010. — 815. — P.203-232.

Гринберг и ХейджGreenberg J.M., Hage J.I. From interstellar dust to comets — A unification of observational constraints // Astrophys.J., Part 1. — 1990. — 361. — P.260-274 Astronomy Abstract Service осуществили моделирование пылевой комы кометы Галлея. Одним из результатов моделирования является полученная авторами физическая величина, которая называется пористостью, P. P=1-Vsolid/Vtotal. Здесь Vsolid — объём твердого материала внутри пористого агрегата, Vtotal — общий его объём. Полученное значение пористости составляет P=0,93 — 0,975. О большой пористости кометного пылевого материала свидетельствуют также полученные учёными плотности ядер различных комет, а также наблюдаемые плотности микрометеоров. Поскольку пылевые агрегаты являются очень пористыми, не удивительно, что часть из них распадается, то есть фрагментирует. осуществил моделирование ПЗС-изображений кометы Галлея и пришёл к выводу, что большую роль в формировании пылевой комы кометы Галлея играет фрагментацияMichael R. Combi The fragmentation of dust in the innermost comae of comets: Possible evidence from ground-based images // Astron.J. — 1994. — 108. — N.1 — P. 304—312 Astronomy Abstract Service . Для объяснения быстрого роста пылевых потоков за короткий промежуток времени в коме кометы Галлея Симпсон и другие также предложили явление фрагментации пылиSimpson, J. A.; Tuzzolino, A. J.; Ksanfomality, L. V.; Sagdeev, R. Z.; Vaisberg, O. L. Confirmation of dust clusters in the coma of Comet Halley // Adv. Space Res. — 1989. — 9. — N.3 — P. 259—262 Astronomy Abstract Service. Конно и соавторы в качестве возможных источников для фрагментации назвали тепловой стресс и процесс ускорения пылиIchishiro Konno, W.F. Huebner, D.C. Boice A Model of Dust Fragmentation in Near-Nucleus Jet-like Features in Comet P/Halley // Icarus. — 1993. — 101. — N.1. — P. 84-94 Astronomy Abstract Service. Механизмом, ответственным за фрагментацию, также может быть действие электростатических сил на хрупкие пылинки с малым пределом прочности на разрывBoehnhardt, H.; Fechtig, H. Electrostatic charging and fragmentation of dust near P/Giacobini-Zinner and P/Halley // Astron.Astrophys. — 1987 — 187 — N. 1-2 — P. 824—828 Astronomy Abstract Service и/или испарение CHON-агрегатовWallis, M. K.; Meredith, N. P.; Rees, D. Gas coma of Comet Giacobini-Zinner — Emission from grains // Adv. Space Res. — 1989. — 9. — N. 3. — P. 213—216 Astronomy Abstract Service.

Движение пыли