Записки дилетанта: Rosetta -- 2015, попередні результати 2014-го

неділя, 1 березня 2015 р.

Rosetta -- 2015, попередні результати 2014-го

Джети. Підпис та це ж фото у
великому розмірі, див. нижче!

Розпочався потік доповідей на конференція, статей в наукових журналах, прес-релізів відповідних із попередніми результатами роботи "Розетти"-"Філи". Спробую коротко про них розповісти. Наперед прошу вибачення за неточності -- пишу про речі, у яких аж ніяк не є спеціалістом (та й, взагалі, див. заголовок блогу :-).

Нижче -- всілякі вимірювання комети, співвідношення ізотопів, пилюка на поверхні і в космосі, двометрові пилинки, тендітна атмосфера (екзосфера), з її CO2 та H2O, джети, геоморфологічні області, обриви і т.д.

Безпосередньо перед посадкою, 10-11 листопада 2014 р, було оголошено деякі попередні результати "Розетти": модель форми комети досягнула точності 5м; сама комета дуже слабо скріплена; коли поверхня осідає (через сублімацію?), вилазять камені, а на поверхні помітно тріщини сотні метрів довжиною; OSIRIS бачить відблиски (лід?); особливо ймовірно, що його (лід) видно на шиї; вдалося роздивитися окремі пилинки та їх політ (див. детальніше нижче); а джети відслідкувати аж до поверхні; видно натяки на грязьові вулкани та сальтаційні дюни -- об'єкти, які можна очікувати на планетах (цитуючи Емілі: "Dunes made from saltating grains? Mud volcanoes? What is this, Mars?", хоча багато науковців скептично такі заяви сприйняли); альбедо 5.3+/-0.1% із географічними варіаціями в 30%; викиди води зросли із \(1\cdot10^{25}\) в червні до \(6\cdot 10 ^{25}\) в жовтні, швидкість газу у викидах зросла від 400 до 700 м/с; поверхня дуже пухнаста; відбиває менше 1% ультрафіолету, 6% інфрачервоного і взагалі, дуже темна (цитуючи: "Stern: It's hard to imagine stuff this dark, in fact, we pay extra for coatings like that"); ті ж ультрафіолетові спектри сумісні із 75% толінів, 25% вуглецю і << 1% H2O.

Нижче частина з них або уточнюється, або й частково заперечується -- вони були дуууже попередніми.

Аматори можуть витворяти чудеса із космічними зображеннями. Mattias Malmer побудував модель форми комети, базуючись на опублікованих фото (нагадаю, що "Розетта" -- місія ESA, вони, на відміну від більшості місій NASA, НЕ публікують всі сирі фото зразу, хай і дещо "зіпсутими", тому кількість доступного матеріалу обмежена):

Любительська модель комети. 12 листопада 2014 р.
(c) ESA / MPS / UPD / LAM / IAA / RSSD / INTA / UPM / DASP / IDA / Mattias Malmer

Деталі див. тут: "New Churyumov-Gerasimenko Shapemodel!".

Завдяки стрибкам "Philae", мас-спектрометр Ptolemy отримав шанс дослідити склад атмосфери комети в декількох різних точках. Крім того, останній вимір, перед самим вичерпанням батарей, проведено із коміркою "CASE", яка накопичувала матеріал весь попередній час. На жаль, зразки поверхні комети (надані SD2) дослідити не вдалося -- встигали лише щось одне, тому SD2 відпрацював у парі із COSAC. Безпосередня інтерпретація вимірів є складною -- пристрій працював в дуже нештатних умовах, однак органіку зафіксовано надійно:

Виміри Ptolemy на поверхні комети (час корабельний). (c) ESA/команда Ptolemy

10 грудня 2014 опубліковано результати із ROSINA на борту "Розетти" (Rosetta Orbiter Spectrometer for Ion and Neutral Analysis), а саме -- вимірювання співвідношення дейтерію та водню. Воно може служити ключем до походження земних океанів.

Такі виміри вже проведено для 11 комет, і тільки для комети 103P/Hartley 2, із сімейства Юпітера, воно співпадало із земним. Правда, таке ж співвідношення є і у воді астероїдів із астероїдного поясу, хоч її в них значно менше.

Так от, виміряне співвідношення D/H для комети Чурюмова-Герасименко втричі більше за земне. Це може натякати, що комети сімейства Юпітера мають найрізноманітніше походження. Також, вже можна вважати виключеним, що земна вода походить лише із цих комет. Важливими мусили бути й інші джерела.

Виміри ROSINA на початку місії "Розетти". (c) ESA

Див. також статтю про воду у космосі, російською: "Вода в космосе"

"Спів" комети. Звичайно, звичного звуку там немає. Але є тендітна плазма, яку збурює сонячний вітер, разом із "вмороженим" у нього магнітним полем. Магнітометр "Розетти", RPC-Mag, фіксує зміни місцевого магнітного поля, спричинені магнітно-акустичними хвилям,які виникають в результаті цієї взаємодії. (Величина таких коливань - нанотесли, цитуючи авторів блогу "Розетти", в мільйон раз менша, ніж сила магнітного поля магнітиків на холодильниках). Частота коливань -- 40-50 мілігерц (характерний час змін -- десятки секунд). Для створення аудіо, взяли коливання однієї із компонент вектора магнітного поля, та 1440 вимірів, зроблених протягом дня, "ужали" до 90 секунд, чим підняли частоту до доступної людському вуху. Детальніше про процедуру отримання звуку із сухих вимірів див. тут, тільки не забувайте, що це -- художній твір за мотивами, а не якийсь науковий продукт.

На музичну тему див. також сюди: "Music of the Irregular Spheres".

Потроху будують тримірну "карту" поведінки джетів.

Джети. OSIRIS, 22 листопада 2014, 30 км до комети, 2.8 м/піксель. Ядро пересвічене, так як спостерігали за джетами. Зразу і частину затіненої ділянки ядра видно -- вона підсвічена світлом, розсіяним джетами та іншими частинами комети.
(c) ESA/Rosetta/MPS for OSIRIS Team MPS/UPD/LAM/IAA/SSO/INTA/UPM/DASP/IDA

Паралельно інший інструмент, ROSINA, фіксує велику неоднорідність коми -- концентрація води, вуглекислого та чадного газу дуже змінюється. При чому, неоднорідність як просторова -- над різними ділянками комети, так і часова -- у різні періоди доби

Співвідношення води та вуглекислого газу в комі/атмосфері, над різними ділянками комети. Ділянка виразного домінування CO2 знаходиться у місці комети, що поки дуже слабо освітлена.
(c) ESA/Rosetta/MPS for OSIRIS Team MPS/UPD/LAM/IAA/SSO/INTA/UPM/DASP/IDA

Припускається, що різниця пов'язана не тільки із різними умовами освітлення, але й з різним складом частин кометного ядра. Якщо це так, ймовірно ця комета утворилася в результаті зіткнення тіл, що походили із зовсім різних ділянок Сонячної системи.

Опубліковано цікаві дані про пилюку навколо комети, за даними вимірів, зроблених GIADA та OSIRIS, 4 серпня 2014, коли до ядра залишалося ще 275 км. Нараховано 350 частинок, на орбіті навколо комети і 48 швидких часток, що втікали у відкритий космос. За розрахунками, останні було викинуто десь за добу до спостережень.

Зв'язані частинки на орбіті (пронумеровані) та треки (a, b, c) незв'язаних частинок, що летять у відкритий космос. Краєчок ядра видно зверху.
(c) ESA/Rosetta/MPS for OSIRIS Team MPS/UPD/LAM/IAA/SSO/INTA/UPM/DASP/IDA

Зв'язані та не зв'язані частинки розділені в просторі --- ті, що відлітають, зафіксовано на віддалях, менших 20 км, від ядра, а орбітальні -- знаходяться вище 130 км (до 145 км). Просторова густина зв'язаних мінімум в сотню раз менша за густину тих, що відлітають. Розмір останніх -- менше 1.7 см, а зв'язані -- від 4 см до 2 м (!). В принципі, зіткнення із такою, двометровою "пилинкою" могло б бути трагічним для "Розетти", однак автори статті стверджують, що за поточної середньої швидкості відносно комети в 1 м/с, шанс на зіткнення мізерний, раз на пару сотень років. Найбільші частинки, які досліджувалося GIADA безпосередньо -- 0.1 мм.

Автори роботи припускають, що орбітальні частинки -- залишки від попередніх візитів комети до Сонця, так як протягом цього візиту вони просто не встигли б "наакумулюватися" в таких кількостях. На жаль, поки спостереження за цими частками утруднене -- станція ближче 30 км від комети, і поле зору "засмічене" частинками, що відлітають.

Ще одним важливим фактором є співвідношення частини пилюки і газу в комі комети. Спільною роботою GIADA, OSIRIS, MIRO та ROSINA вдалося встановити, що це співвідношення 4+-2. Чому воно важливе? Бо дає можливість оцінити загальну будову комети. Якби, як уявляється, комета була "брудною сніжкою", це співвідношення було б 0.1-1, а так -- вона, швидше, купа пилу, забруднена снігом. Крім того, це співвідношення дає інформацію про пористість ядра -- пилюка важча за лід, тому чим більше її, тим більше порожнин повинно бути в ньому.

Інший інструмент, RPC-ICA, починає спостерігати формування магнітосфери. Із наближенням до Сонця комета прогрівається, починає активніше випаровуватися, і взагалі "смітити" -- див. вище. Газ іонізується сонячним випромінюванням, починає взаємодіяти із сонячним вітром і магнітними полями, здуватися ними у відкритий космос. Коли його густина стане достатньо великою, він почне проводити струм, і стане опиратися сонячному вітру -- виникне магнітосфера, область, від нього, сонячного вітру, захищена. Ці процеси є дуже цікавими, бо схоже відбувалося на ранніх етапах існування планет.

Згідно даних MIRO (Microwave Instrument), опублікованих 23 січня 2015, протягом трьох місяців літа, викиди води кометою зросли на порядок, і складали 1.2 літри за секунду, станом на кінець серпня 2014. Звичайно, до наступного серпня, коли комета буде в перигелії, викиди значно зростуть.

Температура ядра, близько 1 см під поверхнею, складає від 30 до 190 K, і теж, очевидно, зростатиме. Найхолодніше там, де "полярна ніч", і Сонце "не гріє", тепло з іншого боку. Добові коливання в холодній області майже відсутні (темінь і є темінь -- кому там "коливати"_, а там де тепло, за рахунок зміни дня і ночі, доходить до 50К.

Дані із VIRTIS, "Visible and Infrared Thermal Imaging Spectrometer", показали, що альбедо комети надзвичайно низьке -- 6%, вдвічі менше за Місяць. Комета реально тьмяна! Тобто, на поверхні багато темних сполук -- сульфідів заліза, карбонатів, і зовсім немає льоду. Це стосується, правда, лише верхніх міліметрів поверхні, природно, що його там немає -- сублімувався раніше, зокрема, під час попередніх візитів до Сонця.

Яскравість різних небесних тіл. Землю і Місяць, сподіваюся, всі впізнали. Ліворуч зверху Енцелада -- супутник Сатурна, найяскравіше не-самосвітне тіло Сонячної системи, праворуч внизу комета Чурюмова-Герасименко. Яскравість тіл виставлена таким чином, щоб відповідати їх альбедо. Для простоти, яскравість найяскравіших ділянок Енцелади взята за 100%.
(c) NASA/JPL/Space Science Institute (Enceladus); ESA/Rosetta/MPS for OSIRIS Team MPS/UPD/LAM/IAA/RSSD/INTA/ UPM/DASP/IDA and Gordan Ugarkovich (Earth); Robert Vanderbei, Princeton University (Moon); ESA/Rosetta/NAVCAM (67P/C-G).

Зате, по всій поверхні зафіксовано органіку, зокрема --- карбонові кислоти та їх полімери. Їх розподіл по поверхні свідчить, що у вихідному матеріалі цих сполук було багато. Стверджується, що для утворення карбонових кислот в таких умовах потрібна наявність льоду метану, метанолу, СО, а значить воно відбувалося далеко від Сонця, і комета успішно зберегла первинний матеріал із найбільш ранніх епох існування Сонячної системи.

Пилюкою займався і COmetary Secondary Ion Mass Analyser (COSIMA). Опубліковано дані за період серпень-жовтень 2014, коли комета перебувала на віддалі 535 - 450 мільйонів кілометрів від Сонця. Досліджувалося, що стається із частинками, які попадаючи на на "стіл" приладу із швидкістю 1-10 м/с. Зафіксовані пилинки, розміром більше 0.05 мм, розвалювалися, що свідчить про їхню тендітність. Якби у частинках був лід, вони б так легко не розвалювалися, крім того, після його сублімації, було б помітно порожнини. Зате в частинках багато натрію, як і у звичних міжпланетних пилинках. Ймовірно, це та пилюка, що осіла назад під час попереднього спадання активності комети, коли та віддалялася від Сонця, і яку тепер здуває в космос через нове зростання активності. За оцінками, вже зараз помітна частина цієї "шуби" здута в космос і скоро льоду в пилюці стане більше.

Дві пилинки, Eloi (а) та Arvid (b). Обидві "підібрані" на віддалі 10-20 км від ядра, 25-31 жовтня 2014. Перша "посипалася", друга повністю розвалилася. Освітлення верхніх зображень -- справа, нижніх - зліва. Зроблено так, щоб за розміром тіні визначити висоту. Висота (а) -- 0.1 мм, (b) -- 0.06 мм. (Дві часточки, праворуч від Arvid не мають до неї відношення).
(c) ESA/Rosetta/MPS for COSIMA Team MPS/CSNSM/UNIBW/TUORLA/IWF/IAS/ESA/ BUW/MPE/LPC2E/LCM/FMI/UTU/LISA/UOFC/vH&S

Прогноз погоди для комети. Моделювання свідчить, що протягом наближення до Сонця, південна частина комети може втратити до 20 метрів матеріалу! Через складну, жорстоко несферичну, геометрію, сезони на кометі дуже різні -- південна півкуля бачить коротке, але гаряче літо, тривалістю 10 місяців, під час наближення до Сонця, а північна -- дуже тривале, 5.6 років, але холодне літо, тому вона, ймовірно, втратить значно менше матеріалу. Детальніше про всі ці нюанси див. за посиланням!

Очікуваний рівень ерозії. Праворуч --- південна півкуля, ліворуч -- північна (зважайте на складну геометрію комети!).
(c) ESA/Rosetta/MPS for OSIRIS Team MPS/UPD/LAM/IAA/SSO/INTA/UPM/DASP/IDA

Під кінець січня, неперевершена Emily Lakdawalla, таки дорвалася до фотографій, зроблених OSIRIS: "At last! A slew of OSIRIS images shows fascinating landscapes on Rosetta's comet". Насправді, ці фото були опубліковані в рамках восьми статей у Science. Не маючи можливості вчитуватися в оригінальні статті, перекажу її огляд. Дві із них, "On the nucleus structure and activity of comet 67P/Churyumov-Gerasimenko" (Holger Sierks et al) та "The morphological diversity of comet 67P/Churyumov-Gerasimenko" (Nicolas Thomas et al) описують вигляд та найбільш видатні характеристики поверхні.

Поверхню комети розділено на 19 регіонів, що різко відрізняються морфологією. Об'єкти на кометі називають іменами єгипетських міфологічних персонажів, жіночих на меншій пів-кометі, чоловічих на більшій:

Геоморфологічні області комети Чурюмова-Герасименко.
(c) ESA / Rosetta / MPS for OSIRIS Team MPS / UPD / LAM / IAA / SSO / INTA / UPM / DASP / IDA

Виділено 5 типів поверхні: покрита пилом (Ma’at, Ash, Babi); нерівна поверхня із дірками та круглими структурами (Seth); великі низини (Hatmehit, Nut and Aten); гладка поверхня (Hapi, Imhotep and Anubis), поверхня, схожа на скелі (‘rock-like’) (Maftet, Bastet, Serqet, Hathor, Anuket, Khepry, Aker, Atum and Apis). Стверджується, що основна активність комети прослідковується у регіоні Hapi (укр. Хапі) (що звучить більш конкретно, ніж "десь на шиї" -- зручно мати імена :-), при чому, цей регіон аж ніяк не лідирує по кількості отриманого сонячного тепла.

Взагалі, поки сфотографовано 70% комети -- решта в тіні.

В тих же статтях наведено підсумок фізичних характеристик комети:

Фізичні характеристики комети, виміряні станом на 23 січня 2015.
Форма, характеристики обертання, об'єм та пористість: OSIRIS
Маса: RSI
Густина: RSI/OSIRIS
Співвідношення пилюка/газ: GIADA, MIRO, ROSINA
Співвідношення ізотопів D/H: ROSINA
Температура поверхні: VIRTIS
Температура під поверхнею і швидкість випаровування води: MIRO
Альбедо: OSIRIS and VIRTIS
Використані фото: NavCam
(c) ESA

Пористість комети оцінюється у фантастичних 70-80% (хоча, свіжий сніг на Землі більш пористий)!

Практично відсутні варіації кольору -- комета всюди має різноманітні відтінки дуже темного сіро-коричневого. Лише у парі місць помічено відхилення від цієї нудної закономірності:

Ліворуч -- границя областей Hathor-Anuket, внизу матеріал на 20% яскравіший і синіший, можливо проглядає свіжо оголений лід (зображення зроблено із використанням трьох фільтрів, 882, 700 і 481 нм -- від інфрачервоного до блакитного, 21 серпня 2014 р). Праворуч -- яскраві, метрового розміру камені (такий же за розміром зонд "Philae") на межі областей Ash–Khepry (C), (3 вересня 2014 р). OSIRIS.
(c) ESA / Rosetta / DLR / MPS for OSIRIS Team MPS / UPD / LAM / IAA / SSO / INTA / UPM / DASP / IDA

Видно місця, ймовірно, покриті пилом, піднятим джетами (частки води, більші пари міліметрів, не встигатимуть сублімуватися до падіння):

Кругла структура, діаметром 35 м, один із кандидатів на кратери. Присипана від 1 до 5 метрів пилу.
10 вересня 2014, OSIRIS.
(c) ESA / Rosetta / DLR / MPS for OSIRIS Team MPS / UPD / LAM / IAA / SSO / INTA / UPM / DASP / IDA

Навіть щось, дуже схоже на дюни, хоча з того приводу точаться дискусії -- не всі поміж науковців місії вірять, що потоків газу з-під поверхні комети (яка, взагалі кажучи, сама по собі знаходиться у вакуумі і занадто легка, щоб мати власну атмосферу) достатньо для виникнення таких структур:

Кандидати у дюни (ліворуч) та камені із хвостами із пилюки (від "вітру"?). 18 вересня 2014, OSIRIS.
(c) ESA / Rosetta / DLR / MPS for OSIRIS Team MPS / UPD / LAM / IAA / SSO / INTA / UPM / DASP / IDA

Така поверхня, до речі, не обов'язково буде сипучою -- автори статей стверджують, що у ній можуть відбуватися доволі складні хімічні реакції, утворюючи своєрідних органічний скелет. Як би там не було, "тверді" області теж існують, що видно по різких обривах, тріщинах, тощо. Наприклад тут схили майже вертикальні відносно місцевої гравітації:

Обрив Hathor у області Hapi. Висота -- до 900 м.
(с) ESA / Rosetta / DLR / MPS for OSIRIS Team MPS / UPD / LAM / IAA / SSO / INTA / UPM / DASP / IDA

Автори вважають -- це область еродованої "голови" комети, що відкриває доступ до її нутрощів, а вертикальні смуги -- сліди якихось внутрішніх шарів.

Багато де видно всілякі тріщини, заглибини, із яких помітна частина викликана втратою маси кометою:

Заглибини, викликані втратою маси кометою. Границя областей Ash і Seth. Ліворуч -- обвал, викликаний осіданням, та сміття від нього внизу (A, B), видно характерні тріщини (C, D, E). Праворуч -- осідання (G) та тріщини на обриві (F).
Ліве зображення -- 7 серпня 2014, праве -- 2 вересня 2014 р., OSIRIS.
(c) ESA / Rosetta / Philae / ROLIS / DLR; ESA / Rosetta / MPS for OSIRIS-Team MPS / UPD / LAM / IAA / SSO / INTA / UPM / DASP / IDA; Emily Lakdawalla

Детальніше про морфологію комети, із більшою кількістю фото, див. згадану статтю Емілі та оригінальні статті. Зокрема, обов'язково гляньте фото, підписане "Before & after: Active pit in Seth region of comet Churyumov-Gerasimenko"! Там видно джети, що струменять із круглої, кратероподібної діри!