مذنب هالي. حقوق الصورة: MPAE. اضغط للتكبير.
بصفته البروفيسور الفخري من معهد ماكس بلانك ، فإن الدكتور كيسيل لديه تفاني مدى الحياة لدراسة المذنبات. "في أوائل القرن العشرين تؤدي ذيول المذنب إلى الافتراض وبعد ذلك إلى اكتشاف" الريح الشمسية "، يتدفق تيار من الذرات المتأينة باستمرار بعيدًا عن الشمس. عندما أصبحت الملاحظات الفلكية أكثر قوة ، يمكن تحديد المزيد والمزيد من المكونات ، على حد سواء جزيئات الحالة الصلبة والجزيئات الغازية ، محايدة ومتأينة. " نظرًا لأن تقنياتنا في دراسة هؤلاء الزائرين في النظام الشمسي الخارجي أصبحت أكثر دقة ، فقد أصبحت نظرياتنا حول ما يمكن أن يتألفوا منه - وكيف تبدو. يقول كيسيل ، "تم اقتراح العديد من الموديلات لوصف المظهر الديناميكي للمذنب ، والذي كان فريد ويبل هو الأكثر واعدة. افترضت نواة تتكون من جليد الماء والغبار. تحت تأثير الشمس ، فإن الجليد المائي سوف يسبّب ويسرّع جزيئات الغبار على طول الطريق ".
ومع ذلك ، فقد كانوا لغزا - لغزا كان العلم يتوق إلى حله. "ليس حتى قبل أن تُعرف هالي أن العديد من المذنبات جزء من نظامنا الشمسي وتدور حول الشمس تمامًا كما تفعل الكواكب ، فقط في مدارات من النوع الآخر ومع تأثيرات إضافية بسبب انبعاث المواد." تعليقات كيسيل. ولكن فقط من خلال الاقتراب من المذنب وشخصيته ، تمكنا من اكتشاف المزيد. مع عودة هالي إلى نظامنا الشمسي الداخلي ، تم وضع الخطط للقبض على مذنب وكان اسمه جيوتو.
كانت مهمة Giotto هي الحصول على صور ملونة للنواة ، وتحديد التركيب الأولي والنظري للمكونات المتطايرة في الغيبوبة المصاحبة ، ودراسة الجزيئات الأم ، ومساعدتنا على فهم العمليات الفيزيائية والكيميائية التي تحدث في الغلاف الجوي المصاحب والغلاف المتأين. سيكون Giotto هو أول من يبحث في الأنظمة المجهرية لتدفقات البلازما الناتجة عن تفاعل الرياح المصاحبة الشمسية. كان على رأس أولوياتها قياس معدل إنتاج الغاز وتحديد التركيب الأولي والنظري لجزيئات الغبار. كان تدفق الغبار أمرًا بالغ الأهمية بالنسبة إلى البحث العلمي - حجمه وتوزيعه الشامل ونسبة الغبار إلى الغاز الحاسمة. وبينما تصوّر الكاميرات الموجودة على متن النواة النواة من مسافة 596 كيلومترًا - لتحديد شكلها وحجمها - كانت أيضًا تراقب الهياكل في غيبوبة الغبار وتدرس الغاز بمقاييس مطياف الكتلة والأيونات. كما اشتبه العلم ، وجدت بعثة جيوتو أن الغاز هو الماء في الغالب ، لكنه يحتوي على أول أكسيد الكربون وثاني أكسيد الكربون والعديد من الهيدروكربونات ، بالإضافة إلى أثر للحديد والصوديوم.
يتذكر الدكتور كيسيل ، كقائد فريق بحثي لمهمة جيوتو ، أنه "عندما جاءت أولى المهمات المقربة إلى المذنب 1 بي / هالي ، تم تحديد نواة بوضوح في عام 1986. وكانت أيضًا المرة الأولى التي تقوم فيها جزيئات الغبار ، المذنب تم تحليل الغازات المنبعثة في الموقع ، أي دون تدخل من صنع الإنسان أو نقله إلى الأرض ". لقد كان وقتًا مثيرًا في البحث الكوميتي ، من خلال أجهزة Giotto ، يمكن للباحثين مثل كيسل الآن دراسة البيانات بشكل لم يسبق له مثيل. "أظهرت هذه التحليلات الأولى أن الجسيمات كلها عبارة عن خليط حميم من مواد عضوية عالية الكتلة وجزيئات غبار صغيرة جدًا. كانت المفاجأة الأكبر بالتأكيد النواة المظلمة للغاية (التي تعكس 5٪ فقط من الضوء الذي يلمع عليها) وكمية وتعقيد المواد العضوية. "
لكن هل كان المذنب شيئًا أكثر أم مجرد كرة ثلجية قذرة؟ "حتى اليوم ، على حد علمي ، لا يوجد قياس يظهر وجود جليد الماء الصلب المكشوف على سطح مخلوق." يقول كيسيل ، "ومع ذلك ، وجدنا أن الماء (H2O) كغاز يمكن إطلاقه من خلال التفاعلات الكيميائية التي تحدث عندما تسخن الشمس المذنب بشكل متزايد. يمكن أن يكون السبب هو "الحرارة الكامنة" ، أي الطاقة المخزنة في المادة المذرية الباردة جدًا ، والتي اكتسبت الطاقة عن طريق الإشعاع الكوني المكثف بينما كان الغبار ينتقل عبر الفضاء بين النجوم من خلال كسر السندات. قريب جدًا من النموذج الذي جادل الراحل J. Mayo Greenberg لسنوات. "
نحن نعلم الآن أن المذنب هالي يتألف من أكثر المواد البدائية المعروفة لنا في النظام الشمسي. وباستثناء النيتروجين ، كانت عناصر الضوء الموضحة متشابهة تمامًا في وفرتها مثل تلك الموجودة في شمسنا. تم تحديد عدة آلاف من جزيئات الغبار لتكون الهيدروجين والكربون والنيتروجين والأكسجين - بالإضافة إلى عناصر تشكيل المعادن مثل الصوديوم والمغنيسيوم والسيليكون والكالسيوم والحديد. لأن العناصر الأخف تم اكتشافها بعيدًا عن النواة ، علمنا أنها ليست جزيئات جليدية مصاحبة. من دراساتنا على كيمياء الغاز النجمي المحيط بالنجوم ، تعلمنا كيف تتفاعل جزيئات سلسلة الكربون مع عناصر مثل النيتروجين والأكسجين وفي جزء صغير جدًا من الهيدروجين. في البرودة الشديدة للفضاء ، يمكنهم البلمرة - تغيير الترتيب الجزيئي لهذه المركبات لتشكيل جديد. سيكون لديهم نفس النسبة المئوية لتكوين الأصل ، ولكن لديهم وزن جزيئي أكبر وخصائص مختلفة. ولكن ما هي تلك الخصائص؟
بفضل بعض المعلومات الدقيقة جدًا من لقاء المسبار الوثيق مع المذنب هالي ، قام رانجان جوبتا من المركز المشترك بين الجامعات لعلم الفلك والفيزياء الفلكية (IUCAA) وزملائه بعمل بعض النتائج المثيرة للاهتمام للغاية مع تكوين الغبار المصاحب وخصائص التشتت. منذ أن كانت المهمات الأولى للمذنبات "تحليق" ، تم تحليل جميع المواد التي تم التقاطها في الموقع. أظهر هذا النوع من التحليل أن المواد المصاحبة تكون بشكل عام خليطًا من السليكات والكربون في البنية غير المتبلرة والبلورية المتكونة في المصفوفة. بمجرد تبخر الماء ، تتراوح أحجام هذه الحبوب من الميكرون الفرعي إلى الميكرون وتكون مسامية للغاية في الطبيعة - تحتوي على أشكال غير كروية وغير منتظمة.
ووفقًا لجوبتا ، فإن معظم النماذج المبكرة لانتثار الضوء من هذه الحبوب كانت "تستند إلى مجالات صلبة بنظرية مي التقليدية ، وفي السنوات الأخيرة فقط - عندما قدمت البعثات الفضائية أدلة قوية ضد ذلك - تم تطوير نماذج جديدة حيث لا يوجد - تم استخدام الحبوب الكروية والمسامية لإعادة إنتاج الظاهرة المرصودة ”. في هذه الحالة ، ينتج المذنب من الضوء الشمسي الساقط الاستقطاب الخطي. يقتصر على مستوى - الاتجاه الذي يتناثر فيه الضوء - يتغير حسب الموقع مع اقتراب المذنب أو انحساره عن الشمس. وكما يوضح غوبتا ، "هناك سمة مهمة في منحنى الاستقطاب هذا مقابل زاوية التشتت (المشار إليها في هندسة الشمس والأرض والمذنب) هي أن هناك درجة من الاستقطاب السلبي."
تُعرف هذه السلبية باسم "تناثر الظهر" ، وتحدث عند مراقبة طول موجة واحد - ضوء أحادي اللون. تضع خوارزمية Mie جميع عمليات التشتت المقبولة الناتجة عن شكل كروي ، مع مراعاة الانعكاس الخارجي والانعكاسات الداخلية المتعددة ونقل الموجات السطحية. تعمل شدة الضوء المنتشر هذا كدالة للزاوية ، حيث 0؟ يعني التشتت إلى الأمام ، بعيدا عن الأضواء الاتجاه الأصلي ، في حين 180؟ يعني تناثر الظهر - جوائز الظهر مصدر الضوء.
وبحسب غوبتا ، فإن "التشتت الخلفي يظهر في معظم المذنبات بشكل عام في النطاقات المرئية وفي بعض المذنبات في النطاقات شبه الحمراء (NIR)". في الوقت الحاضر ، فإن النماذج التي تحاول إعادة إنتاج هذا الجانب من الاستقطاب السلبي عند زوايا الانتثار العالية لها نجاح محدود للغاية.
استخدمت دراستهم تعديل DDA (تقريب ثنائي القطب المنفصل) - حيث يفترض أن كل حبة غبار عبارة عن مصفوفة من ثنائيات الأقطاب. يمكن أن تحتوي مجموعة كبيرة من الجزيئات على روابط بين النقيضين الأيوني والتساهمي. هذا الاختلاف بين السالبية الكهربائية للذرات في الجزيئات كافٍ بما فيه الكفاية بحيث لا يتم تقاسم الإلكترونات بشكل متساوٍ - ولكنه صغير بما يكفي بحيث لا تنجذب الإلكترونات إلى إحدى الذرات فقط لتشكيل أيونات موجبة وسالبة. يُعرف هذا النوع من الروابط في الجزيئات باسم القطبية. لأن لها نهايات موجبة وسالبة - أو أقطاب - ولجزيئات لحظة ثنائي القطب.
تتفاعل هذه الثنائيات مع بعضها البعض لإنتاج تأثيرات تشتت الضوء مثل الانقراض - المجالات الأكبر من الطول الموجي للضوء ستحجب الضوء أحادي اللون والأبيض - والاستقطاب - تشتت موجة الضوء القادم. باستخدام نموذج من الحبوب المركبة مع مصفوفة من الجرافيت والكرات سيليكات ، قد تكون هناك حاجة إلى نطاق حجم حبة محدد للغاية لشرح الخصائص المرصودة في الغبار المصاحب. "ومع ذلك ، فإن نموذجنا غير قادر أيضًا على إعادة إنتاج الفرع السلبي للاستقطاب الذي لوحظ في بعض المذنبات. لا تظهر جميع المذنبات هذه الظاهرة في نطاق NIR البالغ 2.2 ميكرون ".
نماذج الحبوب المركبة هذه التي طورها Gupta et al ؛ سيحتاج إلى مزيد من التنقيح لشرح فرع الاستقطاب السلبي ، وكذلك مقدار الاستقطاب في أطوال موجية مختلفة. في هذه الحالة ، يكون تأثير اللون ذو استقطاب أعلى باللون الأحمر من الضوء الأخضر. هناك المزيد من عمليات المحاكاة المخبرية الشاملة للحبوب المركبة قادمة و "دراسة خصائص تشتت الضوء ستساعد في تحسين هذه النماذج".
بدأت بدايات البشرية الناجحة في متابعة درب الغبار المذنب هذا مع هالي. قدمت Vega 1 و Vega 2 و Giotto النماذج اللازمة لتحسين معدات البحث. في مايو 2000 ، د. نشر فرانز كروجر وجوتشين كيسيل من معهد ماكس بلانك النتائج التي توصلوا إليها على أنها "أول تحليل كيميائي مباشر للغبار بين النجوم". يقول الدكتور كيسيل ، "واجهت ثلاثة من مطياف الكتلة لصدمة الغبار (PIA على متن GIOTTO و PUMA-1 و -2 على متن VEGA-1 و -2) المذنب هالي. مع هؤلاء تمكنا من تحديد التكوين الأولي للغبار المصاحب. لكن المعلومات الجزيئية كانت هامشية فقط ". أعاد اللقاء العميق لـ Deep Space 1 مع Comet Borrelly أفضل الصور والبيانات العلمية الأخرى التي تم تلقيها حتى الآن. ورد فريق كيسيل على فريق بوريلي قائلاً: "أظهرت المهمة الأحدث إلى بوريلي (وستارست) تفاصيل رائعة لسطح المذنب مثل المنحدرات الشاهقة بارتفاع 200 م وأبراج بعرض 20 م وارتفاع 200 م".
على الرغم من مشاكل المهمة العديدة ، أثبتت Deep Space 1 نجاحها التام. وفقًا لمهمة سجل الدكتور مارك ريمان في 18 ديسمبر 2001 ، "سيتم تحليل ثروة البيانات العلمية والهندسية التي أعادتها هذه المهمة واستخدامها لسنوات قادمة. إن اختبار التقنيات المتقدمة عالية المخاطر يعني أن العديد من المهمات المستقبلية المهمة التي لولا ذلك لم تكن في متناول اليد أو حتى المستحيل أصبحت الآن في متناول أيدينا. وكما يعلم جميع القراء الماكروسكوبيين ، فإن الحصاد العلمي الغني من المذنب بوريلي يوفر للعلماء رؤى جديدة رائعة حول هؤلاء الأعضاء المهمين في عائلة النظام الشمسي.
الآن اتخذت Stardust تحقيقاتنا خطوة واحدة إلى الأمام. من خلال جمع هذه الجسيمات البدائية من Comet Wild 2 ، سيتم تخزين حبيبات الغبار بأمان في الهلام الجوي للدراسة عند عودة المسبار. يقول دونالد براونلي من وكالة ناسا: "ستتم دراسة غبار المذنب في الوقت الفعلي بواسطة مطياف الكتلة وقت الطيران المستمد من أداة PIA المنقولة إلى المذنب هالي في مهمة جيوتو. سيوفر هذا الجهاز بيانات عن مواد الجسيمات العضوية التي قد لا تنجو من التقاط الهوائي ، وستوفر مجموعة بيانات لا تقدر بثمن والتي يمكن استخدامها لتقييم التنوع بين المذنبات من خلال المقارنة مع بيانات غبار هالي المسجلة بنفس التقنية ".
قد تحتوي هذه الجسيمات نفسها على إجابة ، تشرح كيف أن الغبار والمذنبات بين النجوم قد يكون قد أرسى الحياة على الأرض من خلال توفير العناصر الفيزيائية والكيميائية الحاسمة لتطورها. وبحسب برويلي ، "استولى ستاردست على آلاف جزيئات المذنب التي سيتم إرجاعها إلى الأرض لتحليلها بتفاصيل حميمة من قبل الباحثين حول العالم." ستتيح لنا عينات الغبار هذه أن ننظر إلى الوراء قبل حوالي 4.5 مليار سنة - لتعليمنا الطبيعة الأساسية للحبوب بين النجوم والمواد الصلبة الأخرى - وهي اللبنات الأساسية لنظامنا الشمسي. تحتوي كلتا الذرات الموجودة على الأرض وفي أجسامنا على نفس المواد التي تطلقها المذنبات.
وستبقى تتحسن بشكل أفضل. الآن في طريقها إلى المذنب المذنب 67 P / Churyumov- Gerasimenko ، ستنغمس Rosetta من وكالة الفضاء الأوروبية في عمق لغز المذنبات وهي تحاول الهبوط الناجح على السطح. وفقًا لوكالة الفضاء الأوروبية (ESA) ، ستقوم أجهزة مثل "محلل تأثير الحبوب ومجمع الغبار (GIADA) بقياس العدد والكتلة والزخم وسرعة توزيع حبيبات الغبار القادمة من نواة المذنب ومن اتجاهات أخرى (تنعكس بواسطة ضغط الإشعاع الشمسي) - بينما سيدرس نظام تحليل غبار الصور الدقيقة (MIDAS) بيئة الغبار حول المذنب. وسيوفر معلومات عن عدد الجسيمات وحجمها وحجمها وشكلها. "
يمكن أن يكون الجسيم المصاحب الوحيد مركبًا من ملايين الحبوب الفردية بين النجوم ، مما يتيح لنا رؤية جديدة حول العمليات المجرية والسديمية مما يزيد من فهمنا للمذنبات والنجوم. تمامًا كما أنتجنا أحماضًا أمينية في ظروف مختبرية تحاكي ما قد يحدث في المذنب ، تم الحصول على معظم معلوماتنا بشكل غير مباشر. من خلال فهم الاستقطاب وامتصاص الطول الموجي وخصائص التشتت وشكل سمة السيليكات ، نكتسب معرفة قيمة في الخصائص الفيزيائية لما لم نستكشفه بعد. سيكون هدف روزيتا هو حمل الهبوط إلى نواة المذنب ونشره على السطح. سيركز علم الهبوط على الدراسة الموقعية لتكوين وبنية النواة - دراسة لا مثيل لها للمواد المادية - تزويد الباحثين مثل دكتور يوخن كيسيل بمعلومات قيمة.
في 4 يوليو 2005 ، ستصل مهمة Deep Impact إلى Comet Temple 1. وقد يكون دفن تحت سطحه أكثر إجابات. في محاولة لتشكيل حفرة جديدة على سطح المذنب ، سيتم إطلاق كتلة 370 كجم للتأثير على الجانب المضاء بنور الشمس من Tempel 1. وستكون النتيجة طردًا جديدًا من جزيئات الجليد والغبار وستزيد من فهمنا للمذنبات من خلال مراقبة التغيرات في النشاط. ستراقب الطائرة الطائرة هيكل وتكوين الحفرة الداخلية - تنقل البيانات مرة أخرى إلى كيسيل خبير الغبار المخلوط على الأرض. "سيكون التأثير العميق أول من يحاكي حدثًا طبيعيًا ، أي تأثير الجسم الصلب على نواة المذنب. وتتمثل الميزة في أن وقت الارتطام معروف جيدًا وأن المركبة الفضائية مجهزة بشكل جيد عندما يحدث الارتطام. سيوفر هذا بالتأكيد معلومات عما تحت الأسطح التي لدينا منها صور من قبل البعثات السابقة. تمت صياغة العديد من النظريات لوصف السلوك الحراري لنواة المذنب ، التي تتطلب قشورًا سميكة أو رفيعة وميزات أخرى. أنا متأكد من أن جميع هذه النماذج يجب أن تكملها نماذج جديدة بعد تأثير عميق. "
بعد فترة من البحث عن المذنبات ، لا يزال دكتور كيسيل يتابع مسار الغبار ، "إنه من سحر أبحاث المذنب أنه بعد كل قياس جديد هناك حقائق جديدة ، توضح لنا مدى خطئنا. وهذا لا يزال على مستوى عالمي ". وكلما تحسنت أساليبنا ، تحسن فهمنا لهؤلاء الزوار من سحابة أورت. يقول كيسيل ، "إن الوضع ليس بسيطًا ، وكما تصف العديد من النماذج البسيطة الأنشطة المالية العالمية بشكل جيد ، بينما لا يزال يتعين عمل التفاصيل ، والنماذج بما في ذلك الجوانب الكيميائية ليست متاحة بعد." بالنسبة للرجل الذي كان هناك منذ البداية ، يواصل العمل مع Deep Impact مسيرة مهنية متميزة. يقول الدكتور كيسيل: "من المثير أن أكون جزءًا منه ، وأنا متشوق لرؤية ما يحدث بعد الأثر العميق ، وأنا ممتن لكوني جزءًا منه".
وللمرة الأولى ، ستسير الدراسات تحت سطح المذنب بشكل جيد ، لتكشف عن مواده النقية - التي لم تمس منذ تكوينها. ما الذي يكمن تحت السطح؟ نأمل أن يُظهر التحليل الطيفي الكربون والهيدروجين والنيتروجين والأكسجين. ومن المعروف أن هذه الجزيئات تنتج جزيئات عضوية ، تبدأ بالهيدروكربونات الأساسية ، مثل الميثان. هل ستزداد هذه العمليات تعقيدًا لإنشاء البوليمرات؟ هل سنجد أساس الكربوهيدرات والسكريات والدهون والجلسريدات والبروتينات والإنزيمات؟ قد يؤدي اتباع مسار الغبار بشكل جيد للغاية إلى إنشاء أكثر المواد العضوية إثارة - حمض ديوكسيريبونوكليك - DNA.
كتبه تامي بلوتنر
