Спектр распада

Комете ATLAS пророчили блестящее будущее. Астрономы ожидали, что она станет ярчайшей кометой десятилетия, сопоставимой по яркости со знаменитой кометой Хейла-Боппа. Но ожидания не сбылись: не долетев до перигелия, комета начала распадаться на фрагменты. Мы лишились фантастического зрелища, но у астрономов появилась отличная возможность узнать больше о природе комет. Ученые с помощью крупнейшего российского телескопа БТА смогли снять спектр обломков, что поможет изучить внутреннее устройство кометного ядра. Данные еще обрабатываются, но астрофизик Александра Иванова, сотрудник Астрономического института Словацкой академии наук согласилась рассказать нам, что можно сказать о комете ATLAS уже сейчас.

Кометы быстро меняются при сближении с Солнцем: летучие вещества ядер комет начинают испарятся у них появляется газопылевая атмосфера — кома, и «отрастают» хвосты. Но предсказать, как именно поведет себя каждая новая комета, попавшая во внутренние районы Солнечной системы, почти невозможно, каждый такой «эксперимент» неповторим, а кроме того, проводится в условиях, недостижимых в земных лабораториях. Поэтому важно исследовать каждую комету всеми доступными астрофизическими методами — это позволит лучше понять происхождение и эволюцию вещества в Солнечной системе.

Особенно ученых интересуют распады кометных ядер. Это случается не с каждой кометой, но это относительно частое явление. За последние 150 лет известно более 40 распавшихся комет. Частичная фрагментация ядра кометы или его полная дезинтеграция позволяют изучить внутреннюю структуру ядра.

Распадающиеся кометы делят на две группы: кометы, ядра которых распадаются на несколько крупных фрагментов (вторичные ядра), и кометы, ядра которых распадаются на мелкие осколки, а сам объект «исчезает» катастрофически быстро. Анализ динамики дробления фрагментов показывает, что распад ядра кометы может происходить на больших гелиоцентрических расстояниях (больше 50 астрономических единиц) для долгопериодических и динамически новых комет, и в любой момент — для короткопериодических комет. Астроном Зденек Секанина (Zdeněk Sekanina) в 1997 году описал два возможных механизма распада кометных ядер: 1) отрыв приповерхностного слоя (коры) от быстро вращающегося ядра и 2) распад быстро вращающегося ядра, в котором предел прочности на разрыв и плотность были достаточно низкими.

Принято считать, что ядра комет — агрегаты нескольких кометезималей, которые возникали в протопланетном диске, ближе к периферии. Там происходило интенсивное охлаждение вещества, и на пылевых частицах конденсировались различные льды. Поэтому вероятно, что распад ядер на фрагменты должен происходить по границам между кометезималями. Физические и химические различия между отдельными кометезималями могут объяснить разницу в активности фрагментов. Неоднородность физической структуры ядра может сочетаться с неоднородностью химического состава.

Долгопериодическая комета C/2019 Y4 (ATLAS) была обнаружена 28 декабря 2019 года. С момента открытия она быстро набирала яркость, и в период с начала февраля до конца марта ее видимый блеск увеличился с 17-й до 8-й звездной величины. Ожидалось, что комета будет очень яркой и похожа по характеру активности на комету C/1995 O1 (Hale-Bopp). Однако в начале апреля комета стала распадаться, теряя яркость. Ядро распадалось не в пыль, а на несколько крупных фрагментов, поэтому у нас появилась возможность наблюдать распад и исследовать характеристики отдельных фрагментов.

Нам удалось пронаблюдать комету на крупнейшем в России шестиметровом телескопе БТА Специальной астрофизической обсерватории РАН с помощью многорежимного прибора SCORPIO-2 в двух режимах — спектральном и фотометрическом.

Фотометрия — точное измерение яркости — один из наиболее эффективных методов исследования комет. Этот метод позволяет, например, оценить скорость образования газа и пыли и их изменение по мере приближения к Солнцу, измерить период вращения ядра, его размер. Снимки кометы, полученные на БТА, подтвердил что ядро кометы ATLAS распалось на несколько фрагментов — в голове кометы и вдоль хвоста.

Изучение спектров комет позволяют исследовать свойства трех компонент их атмосфер − нейтрального газа, пылевых частиц и ионизованного газа (плазмы). Предварительный анализ спектральных данных для кометы ATLAS показал, что комета обладает очень богатым эмиссионным спектром, включающим как линии излучения различных молекул и ионов, так и нейтрального кислорода.

Спектры помогают увидеть не все вещества кометы. Многие из них распадаются под действием солнечного излучения, но мы регистрируем продукты распада - дочерние молекулы, и можем строить модели реакций, чтобы понять какие родительские молекулы ядра кометы могли их породить. Именно различия в относительном содержании родительских молекул в разных кометах могут быть наиболее интересны. Кометные льды отражают молекулярный состав протосолнечной туманности в области больших планет, где они образовались, так и температуру среды, которая привела их к конденсации.

Но спектры позволяют найти химические и физические различия отдельных фрагментов ядра. Например, различия в относительном содержании дочерних молекул CN, C₂ и C₃ в разных фрагментах, различия в спектральной отражательной способности пыли позволят судить о внутренней химической неоднородности, как родительского ядра кометы, так и его фрагментов.

Кометное ядро — конгломерат летучих фракций замороженных газов в виде льдов различной природы и нелетучей фракции, состоящей из тугоплавких соединений — пылинок органической и неорганической природы. Летучая компонента в основном состоит из водяного льда H₂O с добавлениями макроскопических включений льдов CO, CO₂, легких углеводородов (CH₄, C₂H₂, C₂H₆), других льдов (CH₃OH, H₂CO, NH₃, HCN и другие). Атмосфера кометы состоит из дочерних молекул C₂, C₃, CH, CN, CS, CH₃CN, СО, HCN, NH, NH₂, OH, H₂O, CH₃OH, H₂CO, H₂S, атомов С, O, Na, S, Si, ионов С+, CH+, CO+, CO₂+, CN+, N₂+, OH+, H₂O+ и некоторых металлов. Их относительное содержание и темп производства определяются процессами распада родительских молекул, в первую очередь фотодиссоциацией, и зависят от состава кометного ядра.

Присутствие углеродсодержащих и органических соединений указывает, что ионы не образуются в результате химических реакций в коме, а, по-видимому, являются первичными продуктами разложения родительских молекул. В качестве таковых предлагаются молекулы H₂О, CO₂, HCN, CH₃CN, CH₄, NH₃, CO, H₂CO, и других. За некоторым исключением (S₂ и C₂H₆) кометные молекулы также найдены в межзвездной среде.

Первичный анализ спектра кометы ATLAS показал, что по наличию отождествленных дочерних молекул (продукты распада родительских молекул) CN, C₂, C₃, NH₂ и других данная комета не отличается по составу от большинства наблюдавшихся до этого комет. Однако более детальный анализ и оценка продуктивности выбранных дочерних молекул может выявить особенности данной кометы.

Мы планируем получить и поляриметрические данные для кометы, поскольку рассеянное излучение является информативным источником данных о пылевой составляющей кометных атмосфер. Получая карту распределения степени поляризации по коме и хвосту кометы, можно судить о свойствах частиц и их изменении с расстоянием от кометного ядра. Сравнивая данные наблюдений с результатами моделирования и лабораторных измерений, можно определить наиболее вероятный состав, структуру и некоторые другие характеристики пыли в комах и хвостах комет (пример таких наблюдений для кометы Чурюмова-Герасименко можно увидеть на сайте САО РАН).

Наблюдения и обработка данных продолжаются, но вопрос о том, доживет ли комета до своего перигелия в конце мая 2020, или полностью развалится и исчезнет до сближения с Солнцем, остается открытым.

.