Menu

Oficjalna Strona Klubu Astronomicznego Almukantarat

Oficjalna Strona Klubu Astronomicznego Almukantarat

Komety

Anna Kopczyńska
Seminarium w CAMK, 2000

Kometa Hale-Bopp
Kometa Hale-Bopp

Wstęp

Komety są najbardziej tajemniczymi ciałami w układzie Słonecznym. Dawniej łączono z nimi różne nieszczęśliwe zdarzenia, wierzono w ich niezwykłą moc. Zapowiadały nadejścia wojen i kataklizmów, miały przynosić na Ziemię choroby i epidemie, dlatego nic dziwnego, ze kiedy ogłoszono przejście Ziemi przez warkocz komety Halleya w 1910 roku oczekiwano niezwykłych wydarzeń i kataklizmów. Tymczasem ani pojawienie się tej komety, ani żadnej innej nie spowodowało jakichkolwiek nieszczęść na Ziemi i dla Ziemi. Wiemy jednak, że kometa może być niejednokrotnie przyczyną katastrofy, gdy zderzy się z innym ciałem niebieskim. Przykładem jest Shoemaker-Levy 9, która w lipcu 1994 roku zderzyła się z Jowiszem. Podobne zdarzenie — jak się przypuszcza — miało miejsce w 1908 roku, kiedy kometa spadła na las tunguski.

Obserwowane własności komet

Kiedy po raz pierwszy wprowadzono teleskopy do obserwacji okazało się, że oprócz pojawiających się co kilka lat komet bardzo jasnych istnieje wiele komet słabszych. Obecnie każdego roku odkrywa się kilkanaście komet.

Kometa Hyakutake
Kometa Hyakutake

Kometę od innych obiektów na niebie odróżnia jej szczególny wygląd. Kiedy jest bardzo oddalona (znajduje się wtedy w odległości kilku jednostek astronomicznych od Słońca), widzimy ją jako mała, rozmyta plamkę. W miarę przybliżania się owej mgiełki do Słońca staje się coraz większa i jaśniejsza. W jej środku możemy wówczas wyróżnić jądro o bardzo niewielkich rozmiarach. Sama mgiełka otaczająca jądro nosi nazwę komy a wraz z jądrem tworzą głowę komety. Jej średnica może osiągnąć nawet kilkaset tysięcy kilometrów a w przypadku dużych komet nawet milion kilometrów. Gdy kometa zbliży się już dostatecznie blisko do Słońca pojawia się warkocz, który jest zawsze ułożony w kierunku przeciwnym do Słońca. To właśnie warkocze komet stanowią o ich niezwykłym pięknie, czasem rozciągają się nawet na kilkadziesiąt stopni na sferze niebieskiej a ich długość rzeczywista może dochodzić nawet do kilkuset milionów kilometrów. Czasem pojawia się również drugi warkocz, skierowany do Słońca. Po przejściu przez peryhelium swojej orbity kometa zaczyna się oddalać od Słońca. Wtedy w jej wyglądzie obserwujemy proces odwrotny, czyli stopniowe słabnięcie jej blasku, zanikanie warkocza aż wreszcie coraz mniejsza mgiełka przestaje być w ogóle widoczna.

Orbity komet

Orbity komet znacznie różnią się znacznie od orbit innych ciał Układu Słonecznego. Podczas gdy orbity planet i większości planetoid są zbliżone do koła lub lekko spłaszczonej elipsy i leżą w pobliżu ekliptyki, to orbity większości komet mają kształt elips bardzo wydłużonych lub hiperbol a ich nachylenie do ekliptyki przyjmuje różne wartości.

Okrąg — jedna z krzywych stożkowych
Okrąg — jedna z krzywych stożkowych

Elipsa — jedna z krzywych stożkowych
Elipsa — jedna z krzywych stożkowych

Kształty orbit możemy uzyskać dokonując przekrojów stożka płaszczyzną. Jeśli przetniemy stożek płaszczyzną równoległą do podstawy otrzymamy koło. Jednak żadne ciało Układu Słonecznego nie ma orbity będącej idealnym kołem. Najbardziej zbliżona do kołowej orbity jest orbita Wenus. Jeśli weźmiemy płaszczyzną nachyloną do podstawy stożka pod niewielkim kątem przekrój będzie elipsą. Taką orbitę ma wiele ciał Układu Słonecznego. Najbardziej wydłużoną orbitę ma Pluton. Trzecim rodzajem krzywej, który uzyskujemy przecinając stożek płaszczyzną jest parabola. W odróżnieniu od koła i elipsy, parabola jest krzywą otwartą co oznacza, że ciało o takiej nigdy nie znajdzie się w punkcie wyjścia. Przecinając stożek płaszczyzną pod jeszcze większym kątem otrzymamy inny typ krzywej otwartej zwany hiperbolą. Wiele komet porusza się po orbitach hiperbolicznych przelatując raz w pobliżu Słońca, bo już nigdy nie powrócić do granic Układu Słonecznego.

Parabola — jedna z krzywych stożkowych
Parabola — jedna z krzywych stożkowych

Hiperbola — jedna z krzywych stożkowych
Hiperbola — jedna z krzywych stożkowych

Ze względu na obserwowany ruch orbitalny dzielimy komety na okresowe i jednopojawieniowe. Komety okresowe mogą być obserwowane wielokrotnie. Pojawiają się na niebie w mniej więcej jednakowych odstępach czasu. Ich orbity, są orbitami zamkniętymi, zbliżonymi do elips o mimośrodach wyraźnie mniejszych od jedności. Stanowią one 15% populacji wszystkich komet. Obecnie jest znanych 150 komet tego typu. Ich okresy obiegu wokół Słońca wynoszą od kilku do kilkudziesięciu lat. Najkrótszym okresem obiegu (3,3 roku) charakteryzuje się kometa Enckego. Do komet o długim okresie obiegu możemy zaliczyć kometę Halleya, której jeden pełny obrót trwa około 75 lat. Nie zawsze jednak ich orbita jest niezmienna. Kiedy komety zbliżają się do planet, mogą one na nie wywierać duży wpływ, co przejawia się w ich dalszym ruchu orbitalnym. W trakcie zbliżenia komety do planety (a w szczególności tych największych — Jowisza i Saturna) mogą bardzo silnie zmieniać orbitę komety. Wskutek takiego działania komety, które początkowo poruszały się po orbitach hiperbolicznych lub silnie wydłużonych eliptycznych mogą zmienić orbitę na okresową i zostać „więźniem” Układu Słonecznego. Może także nastąpić zjawisko odwrotne — komety okresowe zostaną wyrzucone z naszego układu przez zmianę z orbit eliptycznych na orbitę hiperboliczną lub paraboliczną.

Zmiana orbity na eliptyczną pod wpływem grawitacji Jowisza (J)
Zmiana orbity na eliptyczną pod wpływem grawitacji Jowisza (J)

Badanie ewolucji orbitalnej komet jest zadaniem bardzo trudnym ze względu na silne oddziaływanie grawitacyjne planet. Dawniej obliczanie orbit komet należało do najbardziej żmudnych i trwających często latami, rachunków astronomicznych. Przy obecnej technice komputerowej i odpowiednich programach tego typu obliczenia trwają zaledwie ułamki sekund. Znacznie liczniejszą grupę komet stanowią komety jednopojawieniowe. Jak sama nazwa wskazuje komet te po przejściu prze Układ Słoneczny nigdy już nie powracają. Ich mimośród jest bliski 1,0, a ich orbity to bardzo wydłużone elipsy (wtedy okres obiegu wokół Słońca wynosi kilkaset lat) a najczęściej hiperbole. Astronomowie wykonują również analizy orbit pierwotnych. Ma to zasadnicze znaczenie dla rozwiązania problemu pochodzenia komet zanim ulegnie ona perturbacją planetarnym. Komety o orbitach eliptycznych są związane ze Słońcem a więc są częścią Układu Słonecznego. Można więc przypuszczać, że powstały w raz z nim. Natomiast o kometach jednopojawieniowych można sądzić, że dotarły do nas z przestrzeni międzygwiazdowej i po przejściu w pobliżu Słońca do niej powrócą. Nie mają one więc związku z naszym układem, powstały gdzieś z dala od Słońca w procesach o których niewiele wiemy. Jednak dotychczasowe prace badające orbity komet wskazują, że znalezienie komety o bardzo wyraźnie hiperbolicznych kształtach jest mało prawdopodobne. Wyniki takie skłaniają astronomów do porzucenia hipotezy o międzygwiazdowym pochodzeniu planet i przychyleniu się do stwierdzenia mówiącym, że komety były i są częścią Układu Słonecznego.

Zmiana orbity na paraboliczną pod wpływem grawitacji Jowisza (J)
Zmiana orbity na paraboliczną pod wpływem grawitacji Jowisza (J)

Natura komet

Jak już wspomnieliśmy w centrum głowy komety znajduje się jej jądro, którego średnica wynosi kilka lub kilkanaście kilometrów. Kiedy kometa zbliży się do Słońca materia pyłowo-gazowa tworząca komę przysłania całkowicie jej jądro. Obserwacje radarowe pozwoliły tylko w przybliżeniu określić wielkości jąder niektórych komet. Obecnie jest przyjmowany model jądra komety zaproponowany w 1950 roku przez amerykańskiego astronoma Freda L. Whipplea. Według niego jądro komety jest bryłą pierwotnej materii o rozmiarach kilku do kilkudziesięciu kilometrów, z której uformował się Układ Słoneczny. Składa się ono z lodów: głownie wody (H2O), a także dwutlenku węgla (CO2), amoniaku (NH3) oraz metanu (CH4) zmieszanych z pyłami. Stanowi więc konglomerat lodów oraz pyłów i dlatego często takie model jądra porównujemy do brudnej, śniegowej kuli. Kiedy jądro jest oddalone od słońca jest ono zbyt zimne i nie odbija światła. W miarę przybliżania się do Słońca, wskutek ogrzania powierzchni jądra następuje sublimacja gazów z jego lodów. Z powierzchni zaczyna uchodzić gaz, który unosi ze sobą również cząstki pyłu. W ten sposób wokół jądra tworzy się otoczka pyłowo-gazowa, zwana komą. Procesy te nasilają się, gdy zmniejsza się odległość komety od Słońca. W pobliżu jądra jest bardzo duża gęstość molekuł, które zderzają się ze sobą wskutek czego powstaje wodór. Powstaje on również w zewnętrznych częściach komy na skutek działania promieniowania słonecznego. W ten sposób wokół komety powstaje chmura wodorowa, której średnica może mieć nawet kilkadziesiąt milionów kilometrów. Cząsteczki gazów uwolnione z jądra są poddawane przeróżnym oddziaływaniom. Jest to między innymi promieniowanie oraz wiatr słoneczny. Jednym ze skutków tych oddziaływań jest między innymi formowanie się warkocza komety. Wiatr słoneczny oraz nadfioletowa część promieniowania powodują wybijanie elektronów z neutralnych elektrycznie molekuł i tworzenie plazmy w otoczeniu jądra komety.

Uwolnione cząsteczki gazów i pyłów na początku kierują się w stronę Słońca, jednak stopniowe przybliżanie się komety do Słońca i zwiększanie intensywności promieniowania oraz wiatru słonecznego powoduje, że warkocz komety „odpychany” jest w stronę przeciwną do Słońca. Jak już wspomniałam, może on osiągać olbrzymie długości. Czasami jest nazywany ogonem komety. Gęstość materii w warkoczu komety jest niewielka, liczba cząstek w jednym metrze kwadratowym jest rzędu 10.

Rozczłonkowane jądro komety Shoemaker-Levy 9
Rozczłonkowane jądro komety Shoemaker-Levy 9

W czasie przechodzenia komety w pobliżu Słońca traci ona bardzo dużą część swojej materii. Obliczono np., ze kometa Halleya podczas każdego takiego przejścia traci 5×1011kg, co stanowi około 1/300 jej masy. Na tej podstawie jasne jest, że komety okresowe w końcu stracą na tyle dużo swojej masy, że rozpadną się na kawałki. Dzieje się tak w istocie, gdyż astronomowie już bardzo często widzieli rozpad komety na dwie lub więcej części. Widoczne są one jako komety oddzielone a później już tylko jako strumienie meteorów. Przykładem takiej komety jest Shoemaker-Levy 9, która jako 21 osobnych części w lipcu 1994 roku uderzyła w Jowisza.

Fragment jądra komety Shoemaker-Levy 9 uderza w Jowisza
Fragment jądra komety Shoemaker-Levy 9 uderza w Jowisza

Wzbudziła ona wiele sensacji, kiedy okazało się, ze porusza się ona (w właściwie poruszała się) po orbicie jowiszocentrycznej. Astronomowie dokładnie obliczyli kiedy i gdzie Kometa uderzy w Jowisza. Przygotowano do obserwacji tego zjawiska wszystkie teleskopy naziemne, Teleskop Kosmiczny Hubble'a oraz zmierzającą ku Jowiszowi sondę Galileo. Wszystko odbyło się zgodnie z planem. W dniach 16–23 lipca 1994 roku nastąpiło niezwykłe wydarzenie. Nigdy wcześniej nie obserwowano nic podobnego. Kolejno poszczególne fragmenty uderzały w Jowisza.

Fragment jądra komety Shoemaker-Levy 9 uderza w Jowisza
Fragment jądra komety Shoemaker-Levy 9 uderza w Jowisza

Skutki przeszły najśmielsze oczekiwania. Pióropusze wyrzucanej materii w niektórych przypadkach dochodziły nawet do 2000 km. Po każdym uderzeniu w górnych warstwach atmosfery Jowisza pozostawał wyraźny ślad, który miał średnice niekiedy zbliżoną do średnicy Ziemi. Plamy po uderzeniu dostrzegano nawet kilka tygodni po uderzeniu.

Kometa Halleya

Z pewnością najsłynniejszą kometą, pojawiającą się od stuleci na naszym niebie jest kometa Halleya, pojawiająca się z częstotliwością 75 lat. W czasie ostatniego pojawienia się komety w 1986 roku nie była ona widoczna w Polsce gołym okiem a oglądana przez lunetę jawiła się jako niewielka mgiełka. Dlaczego więc jest to najpopularniejsza kometa? Na jej mało efektowny obraz złożyło się niekorzystne położenie Ziemi, Słońca oraz jej samej. Swą sławę kometa Halleya zdobyła podczas wcześniejszych wizyt w naszym układzie. Wtedy była bowiem obserwowana jako niezwykle okazały obiekt na niebie. Świadczą o tym historyczne zapiski, relacje i zdjęcia wykonane np. w 1910 roku.

Kometa Halleya
Kometa Halleya

Kometa otrzymała swą nazwę od nazwiska angielskiego astronoma Edmonda Halleya, któremu w ten sposób oddano hołd za szczegółowe badania jej ruchu. To właśnie on udowodnił, że kometa widziana w 1531 roku jest tą samą kometą, którą w 1607 roku obserwował Kepler a w 1682 roku on sam. Na tej podstawi zapowiedział jej kolejne przejście obok Słońca na rok 1758. Co prawda sam Edmond Halley zjawiska tego nie dożył, ale przewidział je słusznie. Kometa pojawiła się nie tylko pod koniec 1758 roku, ale także kolejno w latach 1835, 1910 i wreszcie 1986. Jego odkrycie miało bardzo duże znaczenie w odkrywaniu własności komet. Z jednej strony dowodziło, że istnieją komety okresowe a więc ściśle ze Słońcem i całym układem Słonecznym a z drugiej było idealnym potwierdzeniem poprawności prawa grawitacji Newtona. Bo to właśnie tym prawem posłużył się Halley, prowadząc badania nad kometą. Jego osiągnięcie zostało w pełni docenione dopiero prze potomnych.

Zapowiedziane w 1986 roku przejście komety przez peryhelium spowodowało znaczny wzrost badań kometarnych. Powołano wszystkie międzynarodowe zespoły badawcze, zorganizowano wielką ogólnopolską kampanię obserwacyjną. Wszystko było świetnie dopracowane. Brakowało już tylko samej komety. Po raz pierwszy została ona dostrzeżona już w 1982 roku jako obiekt o jasności 24m. Od tej pory, nieustannie prowadzono badania i obserwacje wszystkimi możliwymi narzędziami, które nasilały się w miarę zbliżania się do nas komety. Szczególne nasilenie obserwacji (już nawet amatorskimi lunetami) nastąpiło na przełomie 1985 i 1986 roku to jest tuż przed i kilka miesięcy po przejściu komety przez peryhelium.

Nie obyło się oczywiście bez bliższego odwiedzenia naszej koleżanki. W marcu 1986 roku do komety Halleya zbliżyło się wiele sond, które przeprowadziły szereg badań. Jako pierwsze przeleciały obok niej w odległości 8000 km sondy radzieckie Vega 1 i Vega 2, następnie w odległości zaledwie 600 km znalazła się sonda Giotto, przygotowana przez Europejską Agencję Kosmiczną, potem dwie sondy japońskie Suisei oraz Sakigake minęły kometę odpowiednio w odległościach 151 000 km i 7 mln , i ostatnia informatorka to amerykańska sonda ICE przeleciała obok komety w odległości 31 mln km. Najbardziej dokładne i wszechstronne badania komety Halleya dokonała sonda Giotto. Momentem kulminacyjnym było przejście sondy przez głębokie rejony głowy komety w bardzo niewielkiej odległości (600 km) od jądra komety i przekazanie jego obrazów za pomocą kamery. Bezpośrednio transmisję tego wydarzenia oglądało ponad miliard ludzi na całym świecie. Niestety nie było wśród nich telewidzów polskich.

Jądro komety Halleya
Jądro komety Halleya

Liczne i szczegółowe badania komety Halleya pomogły zrozumieć naturę komet lepiej niż wszystkie wcześniejsze badania. Fred Whipple, który rozpowszechnił swój model jądra komety, przyjmował wiele gratulacji z powodu poprawności swojej teorii.

Jądro komety Halleya swym kształtem przypomina ogromnego ziemniaka o rozmiarach 16,0×8,2×7,5 km. Gęstość jądra oszacowano na 0,3 g/cm3, co jest wartością zaskakująco małą. Rozpoczęto wiele prób wyjaśnienia tego zjawiska. „Obwinia” się o to porowatą strukturę jądra, ale mamy jeszcze zbyt mało informacji aby mieć pewność. Albedo jądra komety wynosi tylko 0,04, co wskazuje na to, że jądra komet należą do najciemniejszych obiektów we Wszechświecie.

Sondy zbadały również warkocz i materię głowy komety Halleya. Oprócz jonów gazów i molekuł stwierdzono obecność licznych ziaren pyłu oraz większych grudek materii. Z tego powodu część przyrządów sondy Giotto uległa zniszczeniu podczas przechodzenia przez głowę komety. Niestety wśród przyrządów, które uległy uszkodzeniu była również kamera telewizyjna, która uległa uszkodzeniu i przestała pokazywać obraz na krótko przed największym zbliżeniem do jądra komety.

Pochodzenie komet

Obecnie przyjmujemy, że źródłem obserwowanych komet jest ogromny rezerwuar ich jąder, który jak wielka sfera otacza nasz Układ Słoneczny. Taka hipoteza upowszechniła się dopiero niedawno. Wcześniej sądzono, że komety mają związek z Układem Słonecznym lub (istniały bowiem podzielone zdania na ten temat), że komety docierają do nas z przestrzeni międzygwiazdowej. Za tym drugim wyjściem przemawiało istnienie komet jednopojawieniowych. Jednak gdy lepiej zrozumiemy procesy formowania się Układu Słonecznego zaczyna dominować przekonanie o pełnym związku komet z naszym układem. Spór tez pomógł rozwikłać w 1950 roku Jan Oort. Wysunął on hipotezę o istnieniu sferycznego obłoku na obrzeżach Układu Słonecznego, który później otrzymał nazwę obłoku Oorta. Hipoteza ta obecnie uległa drobnym zmianom, ale jej zasadnicza część się zgadza. Wiemy teraz, że w średniej odległości 50 000 jednostek astronomicznych od Słońca znajduje się obłok jąder komet o ilości 1012–1013 obiektów. Ale jego łączna masa nie przekracza masy Ziemi.

Jednak nie całkowicie zagadka komet została rozwikłana. Nie wiadomo do końca dlaczego co jakiś czas jedno z jąder w obłoku zmienia swą orbitę na tyle, że trafia do wnętrza Układu Słonecznego i staje się kometą. Za wyrwanie jądra z obłoku Oorta czyni się odpowiedzialne między innymi oddziaływanie grawitacyjne przechodzących w pobliżu chmur molekularnych a także oddziaływania dysku i centrum Galaktyki. Jednak dotychczas żadna z tych hipotez nie uzyskała potwierdzenia ani uznania.

Komety — ich niezwykłe piękno

Obecnie istnieje również twierdzenie o istnieniu obłoku bliższego niż obłok Oorta, rozpościerający się tuż za orbitą Plutona w odległości ok. 40 jednostek astronomicznych od Słońca i zawierający około 1010 obiektów. Częścią tego obłoku jest tzw. pierścień Kuipera. Obłok Oorta rozciąga się do 1/3 odległości do najbliższej gwiazdy. Jego posłańcami są komety.

Cały mój referat poświęciłam naturze i charakterystyce komet. Jednak najczęściej zamiast zastanawiać się jak one powstały wolimy przyjrzeć się ich niezwykłemu pięknu. Komety tak piękne jak kometa Halleya lub Hale-Bopp widoczne są na naszym niebie bardzo rzadko. Więc czasem zamiast zastanawiać się nad ich naturą spróbujmy dostrzec ich głębokie piękno i delektować się nim. Kto wie czy nasze pokolenie zobaczy jeszcze kiedyś równie piękne zjawisko…