Przejdź do treści

Komety z niklu i żelaza

Detekcja metali ciężkich w atmosferze komety C/2016 R2

Komety wyobrażamy sobie zwykle jako brudne śnieżki złożone z mieszaniny pyłów i drobnych odłamków skalnych zlepionych lodem wodnym i zestalonym dwutlenkiem węgla. Odkrycia dokonane przez polskich i belgijskich astronomów pokazują, że nie tylko będziemy musieli zweryfikować nasze poglądy na temat budowy komet, ale i znaleźć odpowiedź na pytanie, co tak naprawdę w nich siedzi.

Sam fakt występowania żelaza i niklu w ziarnach pyłu, z którego zbudowane są jądra komet, był znany astronomom od dawna. Nigdy jednak nie obserwowano cząsteczek zawierających żelazo lub nikiel w gazowych ogonach komet. Do wyjątków należały komety muskające Słońce C/1882 R1, czyli Wielka Kometa Wrześniowa z roku 1882 oraz C/1965 S1, czyli kometa Ikeya–Seki odkryta w 1965 r. Gdy komety te zbliżyły się do naszej gwiazdy na tyle, że cząsteczki tworzące ich wnętrza zaczęły ulegać sublimacji, w widmach ich gazowych ogonów dostrzeżono linie żelaza i innych ciężkich pierwiastków, takich jak miedź, kobalt czy chrom. Dalsza analiza wykazała, że obfitości tych pierwiastków są zgodne z obfitościami obserwowanymi na Słońcu i w meteorytach, co pozostawiło nas w przekonaniu, że wiemy o kometach całkiem sporo.

Obserwacje ogona komety McNaughta (C/2006 P1), wykonane gdy przechodziła ona przez peryhelium, również pokazały obecność par żelaza, jednak np. analiza składu chemicznego ogona komety 67P/Czuriumow-Gierasimienko wykonana in-situ przez misję kosmiczną Rosetta nie wykazała obecności ani żelaza, ani niklu. Było to pewną niespodzianką, ale nie zachwiało naszymi wyobrażeniami o strukturze komet.

Ta sielanka skończyła się wraz z odkryciem Manfroida, Hutsemékersa i Jehina (2021), którzy pokazali, że linie neutralnego żelaza (Fe I) i niklu (Ni I) występują powszechnie w atmosferach komet i to nawet tych znajdujących się bardzo daleko od Słońca. Obserwacje wykonane przez tych autorów dla 20 różnych komet za pomocą spektrografu UVES zamontowanego na 8.2-metrowym teleskopie Very Large Telescope UT2 wykazały wszechobecność linii emisyjnych Fe I i Ni I w kometach, które znajdują się nawet w odległości 3.25 AU od Słońca (1 AU to jednostka astronomiczna równa około 150 milionów km), czyli między Marsem i Jowiszem. Dla niektórych komet doliczono się aż 40. linii Fe I i 25. linii Ni I. 

 

Widmo komety 103P/Hartley 2

 

Ilustracja (©Manfroid, Hutsemékers & Jehin 2021) pokazuje widmo komety 103P/Hartley 2, na którym zaznaczono położenie linii emisyjnych żelaza Fe I i niklu Ni I.

Kolejną niespodzianką było odkrycie, że obfitości żelaza i niklu w kometach bardzo różnią się od wartości słonecznych i że nie zależą one od odległości komety od Słońca. Podczas gdy w materii słonecznej stosunek obfitości Ni I do Fe I, czyli log(Ni/Fe), wynosi –1,25 ± 0,04 (podobną wartość, log(Ni/Fe) = –1,11 ± 0,09, zmierzono dla wspominanej wcześniej komety Ikeya–Seki), w kometach badanych przez Manfroida, Hutsemékersa i Jehina średnia wartość log(Ni/Fe) jest bliska jedności (log(Ni/Fe) = –0,06 ± 0,31). 

 

Stosunek obfitości niklu do żelaza dla wybranych komet

Ilustracja (©Manfroid, Hutsemékers & Jehin 2021) pokazuje wartości stosunku obfitości Ni I do Fe I w kometach badanych przez Manfroida, Hutsemékersa i Jehina. Pionowa linia kropkowano-przerywana z lewej strony ilustracji wskazuje wartość słoneczną. Kolejne linie kropkowane wskazują wartość średnią (równą –0,06) i odchylenie standardowe próbki. Komety rodziny Jowisza (zaznaczone na czerwono) i komety typu Halleya (zaznaczone na różowo) są kometami krótkookresowymi. Ich okresy orbitalne są krótsze niż 200 lat. Komety zaznaczone na niebiesko mają długości wielkich półosi < 10000 AU, zaś nowe komety pochodzące z obłoku Oorta, mające długości wielkich półosi a > 10000 AU, są zaznaczone na czarno. Kometa Ikeya–Seki ma numer 35. 

Na pytanie dlaczego w kometach jest tyle samo niklu co żelaza, choć na Słońcu i w meteorytach żelaza jest około 10 razy więcej niż niklu, dużo trudniej odpowiedzieć. Manfroid, Hutsemékers i Jehin podejrzewają, że pierwiastki te pochodzą ze specjalnego rodzaju materii znajdującej się na powierzchni jądra komety, sublimującej w dość niskiej temperaturze i uwalniającej żelazo i nikiel w mniej więcej takich samych proporcjach. Co miałoby być tą materią pozostaje zagadką.

Jakby tego było mało, badanie opublikowane przez Guzika i Drahusa, astronomów z Uniwersytetu Jagiellońskiego, w tym samym numerze Nature pokazuje, że metale ciężkie są również obecne w atmosferze międzygwiezdnej komety 2I/Borisov. Polski zespół obserwował tę poza-słoneczną kometę, która około półtora roku temu przeleciała przez Układ Słoneczny, i używał do tego spektrografu X-shooter na teleskopie VLT. Kometa 2I/Borisov znajdowała się wówczas w odległości około 300 milionów kilometrów od Słońca, czyli około dwukrotnej odległości Ziemia-Słońce. Ku swojemu ogromnemu zaskoczeniu, Guzik i Drahus odkryli, że w widmie zimnej atmosfery 2I/Borisov widać linie niklu.

Linie Ni w widmie komety 2l/Borisov

Ilustracja (©Guzik & Drahus 2021) pokazuje (a) 2D widmo komety 2I/Borisov, (b) 1D widmo komety 2I/Borisov z zaznaczonymi liniami Ni oraz (c) modelowe widmo linii Ni.

Oba badania pokazują, że komety nie tylko wciąż mogą nas zaskakiwać, ale też że te należące do Układu Słonecznego mają wiele wspólnego z kometami przemierzającymi przestrzenie międzygwiazdowe i, prawdopodobnie, kometami orbitującymi wokół innych gwiazd. To zaś otwiera interesujące ścieżki badań poza-słonecznych układów planetarnych, w których komety słoneczne mogą być traktowane jako analogi komet przy innych gwiazdach.
 

Więcej informacji:

Autor: Joanna Molenda-Żakowicz
 

Na ilustracji: Detekcja metali ciężkich w atmosferze komety C/2016 R2. ©ESO/L. Calçada, SPECULOOS Team/E. Jehin, Manfroid et al.

Reklama