Położenie Pasa Kuipera (środkowy panel na rysunku) oraz hipotetycznego Obłoku Oorta (prawy panel) w naszym Układzie Słonecznym. Dziś uważa się, że są to dwa współczesne źródła wszystkich komet pojawiających się w wewnętrznych obszarach Układu Słonecznego (lewy panel). Symulacje dynamiczne wskazują, że komety krótkookresowe (takie jak 103P/Hartley 2) pochodzą z Pasa Kuipera, zaś komety długookresowe z Obłoku Oorta. Wiemy, że obiekty w Pasie Kuipera poruszają się po orbitach zwykle niewiele nachylonych do płaszczyzny ekliptyki i podobnie poruszają się komety krótkookresowe. Ponieważ komety długookresowe poruszają się po orbitach dowolnie nachylonych do płaszczyzny ekliptyki, dlatego postuluje się, że Obłok Oorta jest sferycznie symetryczną chmurą obiektów skalno-lodowych (źródło: UK Space Agency www.bis.gov.uk/ukspaceagency/news-and-events/ i M. Królikowska-Sołtan).Teleskop Kosmiczny Herschel przez ostatnie cztery lata badał chłodne obiekty Wszechświata, w tym komety w zakresie mikrofalowym umożliwiającym między innymi dokonanie ocen proporcji deuteru do wodoru obecnych w tych obiektach. Uzyskane proporcje dla komet mocno zachwiały naszymi dotychczasowymi przekonaniami o miejscach powstania i ewolucji dynamicznej tych ciał.
Dzięki teleskopowi Herschel poznaliśmy stosunek deuteru do wodoru (D/H) w dwóch kometach. W jednej, 103P/Hartley 2, proporcja ta okazała się podobna do mierzonej w ziemskich oceanach, zaś w drugiej, C/2009 P1 Garradd, wyższa. Były to wyniki bardzo zaskakujące. Dlaczego?
„Stosunek deuteru do wodoru jest dla danego obiektu wskazaniem miejsca, gdzie powstawał on na początku istnienia Układu Słonecznego” - wyjaśnia dr Sławomira Szutowicz z Zespołu Dynamiki Układu Słonecznego i Planetologii CBK PAN, współautorka prac dotyczących obu komet. W pierwotnej mgławicy, z której wyłaniało się Słońce, zachodziła odwracalna reakcja syntezy cząsteczek wody z udziałem zarówno wodoru, jak i deuteru. W niskich temperaturach bardziej faworyzowana jest reakcja prowadząca do koncentracji deuteru w wodzie, stąd im dalej od Słońca powstawał obiekt, tym więcej powinno być tam deuteru w wodzie. Dalsza ewolucja stosunku deuteru do wodoru w funkcji odległości od Słońca była już wynikiem wzrostu ziaren i ich dynamiki w okresie już po powstaniu naszej gwiazdy.
Stosunek deuteru do wodoru ( D/H) w wodzie kometarnej w porównaniu do węglistych meteorytów (z zewnętrznego obszaru Pasa Głównego Planetoid) oraz wody w ziemskich oceanach (źródło - opracowanie S. Szutowicz w oparciu o Balsiger H.,et al. 1995, Bockelée-Morvan D. et al.1998, Meier R. et al. 1998, Biver N. et al. 2006, Hutsémekers D,et al. 2008, Villanueva G. et al. 2009, Hartogh P. et al. 2011, Bockelée-Morvan D. et al. 2012, Robert F. 2006, De Laeter J.R. et al.2000).Kometa C/2009 P1 Garradd jest kometą długookresową i badacze często zaliczają ją do grupy komet pochodzących z tzw. Obłoku Oorta, które zgodnie z obowiązującymi poglądami uformowały się w zaraniu istnienia Układu Słonecznego, w pobliżu dużych planet gazowych – Jowisza, Saturna, Urana i Neptuna. Natomiast krótkookresowa kometa 103P/Hartley 2 należy do populacji komet, które powstawały w bardziej zewnętrznych częściach Układu Słonecznego, najpewniej dalej niż orbita Urana (pierwsza grafika w galerii tego artykułu).
Dziś znamy ponad dwa tysiące komet. Do niedawna tylko dla kilku jasnych i aktywnych możliwe było zmierzenie D/H. Co ważne, wszystkie z nich identyfikowano z populacją komet związanych z Obłokiem Oorta. Według tych pomiarów – woda, główny składnik lodowych jąder komet, jest dwukrotnie bardziej bogata w deuter niż woda w ziemskich oceanach. Może wydawać się to paradoksalne, ale nie cała woda na naszej niebieskiej planecie jest tutaj od samego początku. Istnieją różne teorie na temat tego w ilu etapach i w jakich ilościach akumulowała ziemska woda, a w końcu z jak odległych obszarów Układu Słonecznego pochodzi woda dostarczona na Ziemię już po jej uformowaniu. „Pierwotny lód wodny zachował się w obszarach Układu Słonecznego poza orbitą Marsa, skąd został dostarczony na Ziemię około 4 miliardy lat temu w okresie tzw. Wielkiego Bombardowania. Najpewniej istotnie uzupełnił znajdujące się już na Ziemi zasoby wody” – mówi dr Szutowicz. Zgodnie z obecnymi poglądami, co najwyżej 10 procent ziemskiej wody pochodzi z upadków komet. Tymczasem ostatnie wyniki obserwacji kosmicznym teleskopem Herschel podważają ten utarty pogląd, wskazując, że upadki komet mogły odegrać znacznie większą rolę w historii Ziemi. W poszukiwaniu „dostawców” wody na Ziemię bardzo ważnym miernikiem jest deuter. Na Ziemi stosunek deuteru do wodoru wynosi w przybliżeniu 1:6400. Podobny stosunek tych dwóch izotopów posiadają planetoidy poruszające się w zewnętrznym rejonie Pasa Głównego Planetoid, czyli bliżej orbity Jowisza. Stąd też powszechnie to właśnie one uważane są za głównego dostawcę wody na Ziemi.
Mapa atmosfery komety 10P/Tempel 2 otrzymana 19 lipca 2010 przy pomocy instrumentu HIFI z pokładu Kosmicznego teleskopu Herschel. Pokazany jest strumień emisji wody dla jej podstawowego przejścia rotacyjnego wyrażony poprzez temperaturę jasnościową mierzoną w kelwinach (źródło: S Szutowicz).Teleskop Herschel umożliwił odkrycie, że woda na komecie Hartley 2 charakteryzuje się takim samym stosunkiem deuteru do wodoru, jak woda w ziemskich oceanach. Bliskie przejście w listopadzie 2010 tej komety w pobliżu Ziemi pozwoliło na bardzo precyzyjną rejestrację jej promieniowania w dalekiej podczerwieni, czyli na pomiar emisji wody oraz ciężkiej wody w takim zakresie widma, który nie jest osiągalny przy użyciu teleskopów naziemnych. Ciężkiej wody jest bardzo niewiele w kometach, dlatego też strumień promieniowania jest niski i potrzebne są instrumenty o wysokiej czułości, takie jak HIFI na pokładzie Herschela. „Nasze pomiary pokazały, że w wodzie komety Hartley 2 na jeden atom deuteru przypada 6200 atomów wodoru, czyli tak jak w wodzie ziemskiej (druga grafika w galerii tego artykułu). Stąd wniosek, że nie tylko kolizje z planetoidami, ale także komety powinny być poważnie brane pod uwagę w dyskusji o obiektach, które dostarczały w przeszłości wodę na Ziemię” - mówi dr Szutowicz. Powstają dodatkowe pytania, na które trudno odpowiedzieć. Czy niska wartość D/H wskazuje na to, że kometa Hartley 2 uformowała się znacznie bliżej Słońca niż dotąd sądzono? Czy obowiązująca teoria na temat rozkładu deuteru z odległością od Słońca powinna ulec zmianie?
Kolejne obserwacje kosmicznym teleskopem Herschel, tym razem emisji wody w długookresowej komecie C/2009 P1 Garradd, przyniosły kolejną niespodziankę. Nowe pomiary wyraźnie wskazały, że zawartość deuteru w tej populacji komet, a przynajmniej jej części, nie jest tak wysoka, jak dotychczas przyjmowano, chociaż wciąż większa niż w wodzie na Ziemi. „Stąd paradygmat o dużej wartości D/H dla wszystkich tzw. komet z Obłoku Oorta przestaje być słuszny, wskazując na znaczną izotopową ich różnorodność” - podkreśla dr Szutowicz. Ostatnie modele opisujące dynamikę Układu Słonecznego we wczesnych etapach jego ewolucji zdają się sugerować, że rozkład małych ciał (pierwotnych komet i planetoid) podlegał wielkoskalowym procesom wymieszania podczas migracji wielkich planet. Stąd przypuszczenie o możliwym zróżnicowaniu izotopowym obiektów należących do tej samej populacji dynamicznej.
Jeszcze niedawno o pochodzeniu komet wnioskowaliśmy wyłącznie z rachunków numerycznych. Te wskazują, że dwie główne populacje, na jakie dzielimy dziś obserwowane komety, powstawały u zarania formowania się Układu Słonecznego tylko w częściowo pokrywających się jego obszarach, generalnie w rejonach ówcześnie zajmowanych przez planety-olbrzymy i w Pasie Kuipera. Przy czym wydaje się, że komety krótkookresowe powstawały dalej od Ziemi niż komety długookresowe, dziś poruszające się po orbitach o mimośrodach bliskich jedynce. Te ostatnie, obecnie po raz pierwszy pojawiając się w wewnętrznych rejonach Układu Słonecznego, faktycznie przychodzą bezpośrednio z Obłoku Oorta, czyli hipotetycznego obłoku miliardów brył skalno-lodowych, poruszających się na dalekich rubieżach naszego Układu (pierwsza grafika w galerii tego artykułu). „Komety długookresowe, takie jak C/2009 P1 Garradd, mylnie jednak utożsamia się z kometami dynamicznie nowymi, czyli nowymi gośćmi przybyłymi bezpośrednio z Obłoku Oorta. Być może ewolucja dynamiczna C/2009 P1 jest bardziej skomplikowana, niż dotąd sądziliśmy. Spośród komet o obecnie znanym stosunku D/H, tylko jedna wydaje się być kometą dynamicznie nową. To także ciekawe czasy dla badaczy ewolucji dynamicznej małych ciał Układu Słonecznego” - komentuje dr hab. Małgorzata Królikowska-Sołtan z Zespołu Dynamiki Układu Słonecznego i Planetologii CBK PAN.
Badania naukowców z CBK PAN związane z misją Herschel sfinansowano dzięki grantowi Ministerstwa Nauki i Szkolnictwa Wyższego (181/N-HSO/2008/0). Dotychczas ukazało się kilkanaście publikacji z udziałem polskich naukowców, dotyczących obserwacji atmosfer dużych planet, księżyców Saturna oraz Marsa, a także atmosfer kometarnych. Wysoka rozdzielczość obserwacji spektroskopowych pozwoliła m.in. monitorować w atmosferze kometarnej anizotropową emisję wody. Przykład takiej emisji, czyli przestrzenny rozkład jej intensywności, jaki 19 lipca 2010 zarejestrował teleskop Herschel dla krótkookresowej komety 10P/Tempel 2, przedstawiono na trzeciej grafice w galerii tego artykułu.
INFORMACJE DODATKOWE:
- Centrum Badań Kosmicznych PAN (CBK PAN) to interdyscyplinarny instytut naukowy Polskiej Akademii Nauk. Utworzony w 1976 roku, prowadzi za pomocą eksperymentów kosmicznych badania w zakresie fizyki bliskiej przestrzeni kosmicznej, w tym badania Słońca, planet i małych ciał Układu Słonecznego oraz geodynamiki i geodezji planetarnej, a także prace badawczo-rozwojowe w zakresie technologii satelitarnych i technik kosmicznych dla badań Ziemi. CBK PAN brało udział w najbardziej prestiżowych międzynarodowych misjach kosmicznych: CASSINI (badania Saturna i jego księżyca, Tytana), INTEGRAL (kosmiczne laboratorium wysokich energii), MARS EXPRESS (orbiter marsjański) czy ROSETTA (misja do komety). W Centrum zbudowano ok. 70 przyrządów, które zostały wyniesione w przestrzeń kosmiczną na pokładach satelitów i sond międzyplanetarnych.
- Badania prowadzone przez CBK PAN pozwoliły zbudować lokalny model jonosfery nad Europą, zapewniający dokładne prognozy heliogeofizyczne dla krajowych służb telekomunikacyjnych oraz międzynarodowego systemu ISES. Dzięki wykorzystaniu nawigacji satelitarnej GPS, w CBK PAN opracowano jednorodną sieć powierzchniową Polski i związano ją z europejskim fundamentalnym układem geodezyjnym EUREF, utworzono Polską Atomową Skalę Czasu o wysokim stopniu stabilności i uruchomiono stację monitorującą systemu nawigacji satelitarnej EGNOS. Prace w innych dziedzinach pozwoliły poznać m.in. mechanizmy: wydzielania energii w koronie Słońca, oddziaływania wiatru słonecznego z plazmą lokalnego ośrodka międzygwiazdowego i składową neutralną materii międzygwiazdowej w heliosferze, wzbudzania i propagacji fal plazmowych; kształtowania środowiska plazmowego komety Halleya. Skonstruowany w CBK PAN globalny obraz elektromagnetycznego otoczenia Ziemi pozwolił odkryć jego antropogenne uwarunkowania. W Centrum powstał również jeden z najbardziej wszechstronnych systemów obliczeń orbitalnych małych ciał Układu Słonecznego, umożliwiający m.in. badanie stopnia zagrożenia Ziemi przez te obiekty.
- Kosmiczne Obserwatorium Herschel to jedna z flagowych misji Europejskiej Agencji Kosmicznej. Został umieszczony na orbicie 9 maja 2009 roku. Przez ostatnie cztery lata był największym teleskopem działającym w przestrzeni kosmicznej o średnicy zwierciadła 3.5 m zamontowanym w układzie Cassegraina. Urządzenia detekcyjne teleskopu rejestrują promieniowanie w zakresie dalekiej podczerwieni i fal submilimetrowych, i pracują w temperaturze bliskiej zera absolutnego, co umożliwia badanie najchłodniejszych obiektów Wszechświata. Obecnie ciekły hel, służący do chłodzenia detektorów, uległ wyczerpaniu i teleskop stopniowo kończy swoją pracę. Z Ziemi takie badania są niemożliwe z powodu nieprzezroczystości atmosfery. W CBK PAN została skonstruowana jednostka kontrolna lokalnego oscylatora teleskopu – LCU, ang. Local Oscillator Control Unit. Ważąca ok. 17 kg skrzynka zawiera 28 modułów elektronicznych o wysokiej odporności na radiację. Zadaniem LCU było zasilanie, sterowanie i kontrolowanie układów powielaczy mikrofalowych oraz syntetyzera częstotliwości instrumentu HIFI, ang. Heterodyne Instrument for the Far Infrared. Wielostopniowy system zabezpieczeń sprzętowych i programowych, zaproponowany przez CBK PAN i zrealizowany w kooperacji z Max-Planck-Institut fur Radioastronomie z Bonn, zapewnia ochronę bardzo czułych elementów mikrofalowych teleskopu. Prace nad LCU trwały około dziesięć lat (od 1999 do 2008 roku) i zaangażowanych w nie było 17 pracowników CBK PAN pod kierownictwem dr. Piotra Orleańskiego. Grupa naukowców z CBK PAN: prof. dr hab. Marek Banaszkiewicz, dr Maria I. Błęcka i dr Sławomira Szutowicz, wchodzi w skład międzynarodowego zespołu badawczego – Herschel Solar System Observations (HssO), który zajmuje się szerokim zakresem zagadnień związanych z procesami fizycznymi i chemicznymi zachodzącymi z udziałem wody w atmosferach planetarnych oraz kometarnych.
- Komety bardzo różnią się od planetoid, zarówno swoją budową fizyczną, jak i dynamiką. Są to małe obiekty naszego Układu Słonecznego, których jądra są bryłami o rozmiarach zwykle nieprzekraczających kilkunastu kilometrów i o mniej lub bardziej zwartej budowie. W przeciwieństwie do planetoid, komety poruszają się wokół Słońca po orbitach zwykle znacznie bardziej ,,wydłużonych’’, toteż większość swego okresu orbitalnego spędzają daleko od Słońca. Ponieważ złożone są głównie z lodów i pyłu, to podczas zbliżania się do Słońca ich aktywność rośnie – powstaje otoczka gazowo-pyłowa wokół jądra i rozwijają się warkocze kometarne.
(CBK PAN)
Przeczytaj więcej: 
