Pozorování komet z Mauna Kea

Jana Pittichová - 2. 4. 2009

Mauna Kea, spiaca sopka na ostrove Hawaj, ktorý sa nachádza v strede Tichého oceánu je domovom najväčších ďalekohľadov sveta pre optickú, infračervenú a submilimetrovú astronómiu. V nadmorskej výške 4205 m sa na „bielej hore“, posvätnom mieste domorodých obyvateľov, nachádza 13 ďalekohľadov, ktoré majú ideálne podmienky na pozorovanie vďaka tmavým nociam, extémne suchému a čistému vzduchu s neznečistenou atmosférou.

Počas 50-tich rokov, od postavenia prvého ďalekohľadu UH 0,6-m (UH – University of Hawaii) v roku 1968, boli kométy nepostrádateľnou súčasťou mnohých pozorovacích programov, využívajúcich každý jeden dostupný ďalekohľad na Mauna Kea. Za posledných 9 rokov som strávila desiatky nocí na vrchole spiacej sopky a pozorovala kométy jasné a známe ako aj malé či novo objavené. Niektoré kométy boli súčasťou jedinečných NASA vesmírnych projektov ako Stardust a Deep Impact, iné boli zvláštne tým, že boli viditeľné voľným okom, rozpadli sa, či dokonca stratili. Každá jedna kométa a jej pozorovanie či na UH 2,2-m alebo Keck 10-m ďalekohľade bolo jedinečné a nezabudnuteľné. Ťažko by sa mi vybral jeden projekt, ktorý by som chcela predstaviť dopodrobna, preto som vybrala z každého niečo zaujímavé.

Čo sú to vlastne kométy a ako veľa o nich vieme? Kométu môžeme stručne definovať ako „Malé teleso slnečnej sústavy, pohybujúce sa okolo Slnka po krátkoperiodickej, dlhoperiodickej alebo neperiodickej dráhe. Jadro kométy sa skladá zo zmrznutej vody, silikátových prachových častíc a rôznych plynov. Má priemer okolo 1–10 km a formovalo sa ďaleko za planétou Neptún, v chladných hĺbkach slnečnej sústavy. Pri Slnku sa jadro stáva aktívnym a vytvára prachovú alebo plazmovú kómu či chvost, typické útvary charakterizujúce kométu“.

V súčasnej dobe poznáme okolo 3500 komét, z ktorých mnohé pravidelne pozorujeme. Koľko z nich ale poznáme do detailov a vieme ich presný tvar, rozmer či zloženie?

Kométa C/1975 V1 West s prachovým a plazmovým chvostom (vľavo),
kométa P/Shoemaker-Levy 9, ktorá sa rozpadla na 21 kusov pred dopadom na planétu Jupiter (v strede),
kométa C/1996 B2 Hyakutake viditeľná voľným okom nad Rabbit ostrovčekom pri havajskom ostrove Oahu (vpravo).

Kometárne vesmírne misie

Aj keď kometárne vesmírne misie sú v poslednej dekáde nesmierne úspešné, do dnešného dňa máme fotografie a vieme ako vyzerá jadro iba pre štyri kométy. Vesmírna misia Giotto, patriaca Európskej kozmickej agentúre, sa ako prvá v histórii priblížila 13. marca 1986 k jadru kométy 1P/Halley a nasnímala ho.

Umelecký nákres preletu družice Giotto pri kométe 1P/Halley a fotografia jej jadra (vľavo).
Prelet družice Deep Space 1 popri kométe 19P/Borrelly a jej jadro (vpravo).

O 15 rokov neskôr ju nasledovala NASA misia Deep Space 1, ktorá 22. septembra 2001 preletela okolo kométy 19P/Borrelly. O pár rokov neskôr, 2. januára 2004, NASA misia Stardust skúmala jadro kométy 81P/Wild 2 a priniesla na Zem prachové častice z jej chvosta.

Družica Stardust a jadro kométy 81P/Wild 2 (vľavo). Družica Deep Impact ako ju videl umelec
a fotografie jadra kométy 9P/Tempel 1 pred vytvorením krátera (v strede) a pri zrážke s hlavicou, ktorá vytvorila kráter na jadre (vpravo).

Zatiaľ posledná kometárna NASA misia Deep Impact je známa tým, že 5. júla 2005 preletela vo vzdialenosti 500 km od jadra kométy 9P/Tempel 1 a vytvorila kráter na jej povrchu. V blízkej budúcnosti sú naplánované ďalšie tri kometárne misie. V septembri 2008 a júli 2010 sa uskutoční prelet misie Rosetta, patriacej Európskej kozmickej agentúre, popri dvoch asteroidoch na jej ceste ku kométe 67P/Churyumov-Gerasimenko. S kométou sa má stretnúť v máji 2014. Misia EPOXI je pokračovaním misie Deep Impact a 2. októbra 2010 pôvodná družica misie Deep Impact preletí okolo kométy 103P/Hartley 2. Misia Stardust-NEXT je pokračovaním misie Stardust a 14. februára 2011 použije družicu misie Stardust, na návrat ku kométe 9P/Temepl 1 a do detailov preskúma kráter vytvorený v roku 2005.

Umelecký nákres družice Stardust-NEXT na ceste ku kométe 9P/Tempel 1 (vľavo),
družice EPOXI na ceste ku kométe 103P/Hartley 2 (v strede)
a družice Rosetta pri prelete v blízkosti kométy 67P/Churyumov-Gerasimenko (vpravo).

Pozorovanie a dlhoročné monitorovanie aktivity komét vybraných pre vesmírne misie je veľmi dôležitou časťou prípravy a úspechu celej operácie. Z pozemských pozorovaní môžeme získať dobrý prehľad o jasnosti kométy, veľkosti, tvare a rotácii jej jadra ako aj aktívnych oblastí na jadre. Pomocou dynamických modelov môžeme zistiť veľkosti a rýchlosti vyletujúceho prachu z povrchu jadra kométy ako aj začiatok a koniec jej aktívnej činnosti, a v akej vzdialenosti od Slnka sa začína nahrievať jej povrch a uvoľnovať plyny, ktoré so sebou strhávajú prachové častice a vytvárajú na pohľad prekrásny ale pre vesmírnu družicu veľmi nebezpečný prachový chvost.

Bez podporných pozemských pozorovaní by nebolo možné uskutočniť žiadnu vesmírnu misiu. Nemali by sme podrobné fotografie kometárnych jadier, informácie o ich chemickom zložení, a detailoch ich povrchových štruktúr a tvarov. Pohľad na jadro kométy z prelietajúcej družice vo vzdialenosti 500 km je trošku iný ako zo Zeme, aj keď je to z výšky 4205 m nad morom. Ako teda vyzerajú kométy na Mauna Kea?

Pozorovanie kométy P/Tempel 1 na Kanadsko-Francúzsko-Hawajskom ďalekohľade CFHT 3,6-m

Kométa 9P/Tempel 1 pri súhvezdí Panna na snímku z CFHT 3,6-m ďalekohľadu (vľavo) a kupola CFHT 3,6-m ďalekohľadu (vpravo).

Kométa 9P/Tempel 1 sa zapísala do dejín 4. júla 2005 tým, že sa na jej jadre uskutočnil prvý priamy experiment, keď družica Deep Impact vystrelila 360-kg medennú kapsulu, ktorá rýchlosťou 10,2 km s-1 narazila a vytvorila kráter na jej jadre. Jednou z mojej úlohy na tomto projekte bolo aj pozorovanie kométy so CFHT 3,6-m ďalekohľadom na Mauna Kea pred, počas a po dopade medennej kapsuly z družice Deep Impact. Na pozorovanie som použila široko-uhlovú Mega-Cam CCD kameru so zorným poľom 1 x 1 stupeň a G, R, I (zelený, červený a infračervený) filtre. Hlavným cieľom tohto pozorovania bolo monitorovanie vývoja a zmeny prachovej kómy pred, počas a po impakte.

10-sekundové snímky kométy 9P/Tempel 1 krátko pred, počas a po impakte na jadro.

Pozorovanie sa začalo deň pred impaktom 3. júla aby sme získali kalibračné snímky o jasnosti kométy a jej prachovej kómy na porovnanie zmeny po impakte. Kométu sme pozorovali počas 4 nocí až do 6. júla, dve noci po impakte. Pozorovania nám umožnili monitorovať vývoj blízko-jadrovej prachovej kómy, zmeny veľkosti unikajúcich prachových častíc, ktoré by mohli byť zapríčinené odkrytím nových aktívnych podpovrchových oblastí na jadre. Výsledky z fotometrických meraní relatívnej jasnosti kométy cez R (červený) filter ukázali výrazné zjasnenie jadra kométy až okolo 2 magnitúd hneď po impakte. Zjasnenie nadobudlo maximum 30 minút po impakte a potom začalo postupne klesať až na pôvodnú hodnotu, ktorú nadobudlo 60 hodín po impakte.

Fotometrické merania cez rôzne veľké kruhové plochy v priemere od 1,0 do 4,0 oblúkových sekúnd s krokom 0,5`` nám umožnili porovnať vývoj prachových častíc rôznych veľkostí, ktoré sa nachádzajú v rôznych vzdialenostiach od jadra kométy. Fotometrické merania pre 1,0`` boli vo vzdialenosti 652 km od jadra a pre 4,0`` vo vzdialenosti 2608 km. Merania veľmi pekne ukázali ako sa vyvrhnuté prachové častice vzďaľovali od jadra a umožnili nám vypočítať únikovú rýchlosť prachových častíc z jadra okolo 200 m s-1. Na porovnanie tvaru blízkojadrovej prachovej kómy a vnútorných čŕt pre všetky štyri noci sme vytvorili modely, kde sme odstránili vonkajšiu kómu. Tvar vnútro-jadrových štruktúr sa hned po impakte zmenil ale za dva dni sa vrátil do pôvodného tvaru.

Fotometrické merania jasnosti cez kruhové plochy o priemere od 1,0`` do 4,0``.
Zmena jasnosti v rôznych vzdialenostiach od jadra počas prvých 4 hodín po impakte (vľavo)
a monitorovanie počas 2 dní po impakte (vpravo).

Odstránenie vonkajšej kómy na zvýraznenie blízko-jadrových štruktúr deň pred, počas a 1-2 dni po impakte.

Dlhodobé pozorovanie rôznych typov komét na ďalekohľade Hawajskej univerzity UH 2,2-m

Popri podpore dvoch vesmírnych kometárnych misií som pracovala na dlhodobom pozorovaní a mapovaní aktivity rôznych skupín komét pri rovnakom slnečnom žiarení, t.j. v rovnakej héliocentrickej vzdialenosti. V rámci tohto projektu som pozorovala 20 nocí na Mauna Kea na UH 2,2-m ďalekohľade. Použila som Tek 2048 CCD kameru so zorným poľom 7,5` x 7,5` so štyrmi širokopásmovými farebnými filtrami B, V, R, I (modrý, viditeľná oblasť spektra, červený a infračervený). V rámci projektu som pozorovala 49 komét, z toho 26 bolo krátkoperiodických s periódou medzi 3,3 a 19,5 rokov, a 23 dlhoperiodických a dynamicky nových komét. Pre obe skupiny komét som mala pred- aj po-perihéliové pozorovania. Celkovo som získala 1580 snímkov.

Dôkladné spracovanie celej databázy je stále v procese, preto som na ukážku vybrala iba 4 kométy z každej skupiny. Krátkoperiodické kométy – 6P/d'Arrest, 19P/Borrelly, 65P/Gunn a 70P/Kojima. Dlhoperiodické a dynamicky nové kométy – C/1999 T1, C/2000 WM1, C/2001 MD7 a C/2001 Q2. Na pripojených grafoch je znázornené rozpätie héliocentrických r a geocentrických ? vzdialeností, v ktorých som vybrané kométy pozorovala, ako aj ich perihéliové vzdialenosti a priemerné jasnosti M(0,0,1) redukované na jednotkovú héliocentrickú a geocentrickú vzdialenosť a nulový fázový uhol, a farba ich prachovej kómy získaná použitím B, V, R, I filtrov.

Vybrané kométy som pozorovala keď boli vzdialené od Slnka 0,99 – 8,61 AU a od Zeme 0,58 – 8,30 AU. Kométy patria do rôznych skupín v závislosti od ich veku a dráhových parametrov. Takto rozsiahla skupina objektov nám umožní porovnať kométy na blízkoparabolických dráhach s krátkoperiodickými kométami, s náhlymi zvýšeniami jasnosti, výbuchmi, či dokonca rozpadom jadra na viac častíc. Excentricity pre vybrané kométy sú v rozpätí 0,04 – 1,01 AU a perihéliové vzdialenosti medzi 0,34 – 8,24 AU.

Cieľom tohto dlhodobého pozorovania je získanie informácií o fyzikálnych parametroch jadier komét a prachových častíc, o ich kómach, a o porovnaní aktivity rôznych skupín komét v rovnakých vzdialenostiach od Slnka. S použitím Finston-Probsteinovho dynamického modelu môžeme určiť veľkosti a únikové rýchlosti prachových častíc z jadra ako aj odhad vzdialeností, v ktorých sa začína a končí aktivita jadra. Keďže každá kométa bola pozorovaná cez 4 farebné filtre možno určiť ako sa mení farba a tým aj veľkosť prachových častíc so vzdialenosťou od Slnka.

Výsledky ukazujú, že vybrané kométy sú o niečo červenšie ako Slnko a ich farba silno závisí na héliocentrickej vzdialenosti. Dlhoperiodické a dynamicky nové kométy sú aktívnejšie vo väčších héliocentrických vzdialenostiach ako krátkoperiodické kométy. Takisto zmeny v tvare kómy prvých dvoch skupín komét sú omnoho väčšie ako u skupiny tretej. Spôsobujú to čerstvé povrchové vrstvy prichádzajúce do blízkosti Slnka po prvýkrát. Intenzívne unikajúce plyny z podpovrchových rezervoárov strhávajú prachové častice usadené na ich povrchu.

Zobrazenie perihéliových vzdialeností pre všetkých 49 komét v závisloti na héliocentrickej vzdialenosti v čase pozorovania (vľavo).
Červená farba označuje krátkoperiodické, modrá dlhoperiodické kométy. Trojuholníky znázorňujú pred-prihéliové, štvorce po-perihéliové pozorovania.
Závislosť redukovanej jasnosti M(0,0,1) od vzdialenosti od Slnka znázorňuje graf v strede.
Prázdne symboly patria krátkoperiodickým, plné dlhoperiodickým kométam. Závislosť zmeny farby kómy na vzdialenosti od Slnka ukazuje graf vpravo.
Zelená farba je pre B-V, červená pre V-R a modrá pre R-I filtre. Prázdne symboly sú pre krátkoperiodické, plné pre dlhoperiodické kométy.

Pozorovanie nového typu komét na ďalekohľade Keck 10-m.

Až donedáva astronómovia tvrdili, že medzi „kamennými“ asteroidami a „ľadovými“ kométami je jednoznačný rozdiel. Predpokladali totiž výraznú odlišnosť týchto dvoch skupín malých telies slnečnej sústavy. Asteroidy, alebo tiež planétky, sú telesá zložené z pevného kamenného alebo kovového neaktívneho jadra. Väčšina z nich obieha okolo Slnka po nízkoexcentrických dráhach v hlavnom páse, medzi planétami Mars a Jupiter. Kométy, ako sme už spomenuli, sú zmrznuté snehové telesá, ktoré sa formovali vo veľkých vzdialenostich od Slnka ďaleko za dráhou Pluta, v Kuiperovej oblasti. Kométy utvárajú prachovú kómu a chvost a ich aktivita sa mení s héliocentrickou vzdialenosťou. Je možné, že by tieto dve skupiny telies predsa len mohli mať niečo spoločné? Že by niektoré telesá mohli patriť do oboch skupín, či dokonca vytvoriť novú skupinu, ktorú astronómovia začínajú nazývať "kométy hlavného pásu".

Práve astronómom Hawajskej univerzity, H. Hsiehovi a D. Jewittovi, sa v roku 2005 podarilo pozorovať asteroid 118401, ktorý mal prachovú kómu a chvost. Asteroid s ďalšími dvoma kométami, 133P/Elst-Pizzaro a P/2005 U1 Read, o ktorých máme málo informácií, sa nachádzajú v hlavnom páse asteroidov. Pohybujú sa po dráhach podobným dráham asteroidov hlavného pásu. Pravdepodobne sa formovali v teplej vnútornej časti slnečnej sústavy, nie v chladnej Kuiperovej oblasti. Je možné, že práve tieto tri telesá možu objasniť vznik oceánov na Zemi?

Asteroid 118401 bol čoskoro preklasifikovaný na kométu 176P/Linear a spolu s kométami 133P/Elst-Pizzaro a P/2005 U1 Read vytvorili novú skupinu komét – kométy hlavného pásu. Táto skupina komét je zvláštna tým, že jej členovia sa pohybujú po kruhových dráhach s malým sklonom k ekliptike, typickým pre asteroidy. Na druhej strane aktivita podobná aktivite komét a tvorba prachového chvosta ich jasne odlišuje od asteroidov. Proste sa nehodia do žiadnej doterajšej skupiny malých telies slnečnej sústavy.

Kométy patriace do skupiny komét hlavného pásu. Ich dráhy (vľavo) a snímky (vpravo) sú z práce H. Hsieho.

Spomenuté skutočnosti sú hlavným dôvodom, prečo sme začali pozorovať tieto tri kométy hlavného pásu. Súčasne pripravujeme plán na realizovanie novej vesmírnej misie ku kométe 133P/Elst-Pizzaro v najbližších 10 rokoch. Prvé rokovania s inžiniermi z JPL boli veľmi úspešné. Tím astronómov pracuje na predložení vedeckého návrhu na financovanie MBC misie pre NASA.

V rámci prípravy tohoto nového projektu sme začali 18. júna 2007 pozorovať kométy 133P/Elst-Pizzaro a 176P/Linear 10-m ďalekohľadom Keck. Pozorovania pokračovali v októbri a decembri 2007 ako aj v marci 2008 na UH 2,2-m ďalekohľade. Pre obe kométy máme pred- aj po-perihéliové snímky. V súčasnej dobe, v rámci prípravy MBC misie, pracujem na príprave modelovania aktivity týchto komét. Použitím Finston-Probsteinovho modelu počítam charakteristiky prachových častíc unikajúcich z jadra týchto komét, ako ich množstvo a veľkosť. Predbežné výsledky pre kométu 176P/Linear ukázali, že prachové častice vytvárajúce jej kómu musia byť veľkosti niekoľkých milimetrov až centimetrov. Kóma kométy neobsahuje žiadne mikroskopické častice, ktoré sú vo veľkom zastúpené v kómach iných komét. Toto môže byť zapríčinené tým, že táto kométa bola formovaná v iných podmienkach ako typické kométy.

Individuálny 600 s snímok kométy 133P/Elst-Pizzaro z 13. októbra 2007 (vľavo)
a snímok zložený zo šiestich snímkov s celkovým expozičným časom 5400 sec (vpravo).
Sever je hore, východ vľavo. Veľkosť poľa snímok je 180``x 180``.

Skutočný (vľavo) a modelový (vpravo) snímok kométy 176P/Linear pre december 2005
vypočítaný Finston-Probsteinovým modelom.

Počas niekoľkých budúcich rokov bude hlavným pozovacím programom kometárnej astronómie na ďalekohľadoch na Mauna Kea sledovať vybrané kométy pre budúce vesmírne misie. Úlohou bude získať čo najviac informácií potrebných pre uspešný priebeh plánovaných misií.

Publikováno u příležitosti výstavy fotografií J. Pittichové a spol. "Nebe nad Mauna Kea" v hale Hvězdárny a planetária v Českých Budějovicích od dubna 2009. Článek byl též publikován ve slovenském časopise Kozmos.