Tähtitiede

oppimistavoitteet

tämän osion loppuun mennessä:

  • kuvaile Kentaurin kappaleiden piirteitä
  • kronikka löydöstä ja kuvaa Oortin pilven koostumusta
  • kuvaa Transneptunian ja Kuiperin vyöhykkeen kohteita
  • selitä Aurinkokunnan sisäosiin tulevien komeettojen ehdotettu kohtalo

komeetat, jotka huomaamme, kun ne tulevat lähelle maata (erityisesti ne, jotka tulevat ensimmäistä kertaa), ovat luultavasti alkeellisimpia kohteita, joita voimme tutkia, ja ne ovat säilyneet muuttumattomina miljardeja vuosia ulomman aurinkokunnan syväjäädytyksessä. Tähtitieteilijät ovat kuitenkin löytäneet monia muitakin kohteita, jotka kiertävät Aurinkoa planeettojen ulkopuolella.

kentaurit

Kuva 1: Chironin kiertorata. Chiron kiertää Aurinkoa 50 vuoden välein, lähimpänä Saturnuksen radan sisäpuolella ja kauimpana Uranuksen radan ulkopuolella.

ulommassa aurinkokunnassa, jossa useimmat kappaleet sisältävät suuria määriä vesijäätä, ero asteroidien ja komeettojen välillä hajoaa. Tähtitieteilijät käyttivät aluksi vielä nimeä ”asteroidit” uusista kappaleista, joiden havaittiin kiertävän aurinkoa radoilla, jotka kuljettavat ne kauas Jupiteria kauemmas. Ensimmäinen näistä kohteista on Chiron, joka löydettiin vuonna 1977 polulta, joka kuljettaa sen aivan Saturnuksen radan sisältä lähimpänä Aurinkoa lähes Uranuksen etäisyydelle (Kuva 1). Chironin läpimitaksi on arvioitu noin 200 kilometriä, paljon suurempi kuin yhdelläkään tunnetulla komeetalla.

vuonna 1992 löydettiin vielä kaukaisempi kohde nimeltä Pholus, jonka kiertorata vie sen 33 AU: n päähän auringosta, Neptunuksen radan ulkopuolelle. Pholuksella on aurinkokunnan kaikkien kappaleiden punaisin pinta, mikä viittaa outoon (ja vielä tuntemattomaan) pintakoostumukseen. Kun näiltä kaukaisilta alueilta löydetään lisää kohteita, tähtitieteilijät päättivät, että niille annetaan kentaurien nimet klassisesta mytologiasta; tämä johtuu siitä, että kentaurit olivat puoliksi ihmisiä, puoliksi hevosia, ja näissä uusissa kohteissa on joitakin asteroidien ja komeettojen ominaisuuksia.

Neptunuksen radan takana sijaitsee kylmä, pimeä valtakunta, jota asuttavat yksinkertaisesti transneptuniset kohteet (tnos). Ensimmäinen löydetty ja tunnetuin näistä TNOs on kääpiöplaneetta Pluto. Keskustelimme Plutosta ja New Horizons-luotain kohtaa sen renkaissa, kuissa ja Plutossa. Toinen TNO löydettiin vuonna 1992, ja nyt niitä tunnetaan yli tuhat, joista suurin osa on Plutoa pienempiä.

myös suurimmat Pluton jälkeen nimetyt Eris, Makemake ja Haumea luokitellaan kääpiöplaneetoiksi. Pientä kokoaan lukuun ottamatta kääpiöplaneetoilla on monia yhteisiä ominaisuuksia suurempien planeettojen kanssa. Plutolla on viisi kuuta, ja kaksi kuuta on havaittu kiertävän Haumeaa ja yksi kutakin Erisiä ja Makemakea.

Kuiperin vyöhyke ja Oortin pilvi

TNOs ovat osa niin sanottua Kuiperin vyöhykettä, joka on Neptunuksen takana oleva laaja avaruuden alue, josta myös monet komeetat ovat lähtöisin. Tähtitieteilijät tutkivat Kuiperin vyöhykettä kahdella tavalla. Uusien, tehokkaampien teleskooppien avulla voimme löytää monia Kuiperin vyöhykkeen suurempia jäseniä suoraan. Voimme myös mitata Kuiperin vyöhykkeeltä tulevien komeettojen koostumusta. Kuiperin vyöhykkeen kappaleita on löydetty yli tuhat, ja tähtitieteilijöiden arvion mukaan niitä on yli 100 000, joiden läpimitta on yli 100 kilometriä, kiekossa, joka ulottuu noin 50 AU: n päähän auringosta.

lyhyen ajan komeettojen (kuten Halley) arvellaan olevan lähtöisin Kuiperin vyöhykkeeltä, jossa Neptunuksen pienet gravitaatiopurkaukset voivat vähitellen muuttaa ratojaan, kunnes ne pääsevät tunkeutumaan Aurinkokunnan sisäosiin. Pitkän ajan komeetat ovat kuitenkin peräisin paljon kaukaisemmasta jäisten kappaleiden säiliöstä, jota kutsutaan Oortin pilveksi.

Kuva 2: Jan Oort (1900-1992). Jan Oort esitti ensin, että auringon gravitaatiovaikutuksen alueen reunalla saattaisi olla jäätyneitä palasia, potentiaalisia komeettojen ytimiä. (luotto: Leidenin observatorio)

pitkäjänteisten komeettojen kiertoratojen huolelliset tutkimukset paljastivat, että ne tulevat aluksi hyvin pitkiltä etäisyyksiltä. Seuraamalla niiden kiertoratoja taaksepäin voimme laskea, että vastikään löydettyjen komeettojen afeliat (pisteet kauimpana auringosta) ovat tyypillisesti arvoltaan lähellä 50 000 AU: ta (yli tuhat kertaa kauempana kuin Pluto). Tämän aphelion-etäisyyksien ryhmittelyn havaitsi ensimmäisenä Hollantilainen tähtitieteilijä Jan Oort, joka vuonna 1950 esitti ajatuksen niiden komeettojen alkuperästä, jotka hyväksytään vielä nykyäänkin (kuva 2).

on mahdollista laskea, että tähden gravitaatiopallo—etäisyys, jonka sisällä se voi käyttää riittävästi gravitaatiota pitääkseen kiinni kiertävistä kappaleista—on noin kolmannes sen etäisyydestä lähimpiin muihin tähtiin. Auringon läheisyydessä olevat tähdet sijaitsevat siten, että auringon vaikutuspiiri ulottuu hieman yli 50 000 AU: n eli noin 1 valovuoden päähän. Näin suurilla etäisyyksillä ohikulkevien tähtien painovoima voi kuitenkin häiritä aurinkoa kiertäviä kohteita. Osa häiriintyneistä kappaleista voi sitten nousta radoille, jotka tuovat ne paljon lähemmäksi aurinkoa (kun taas toiset saattavat kadota aurinkokunnasta lopullisesti).

Oort esittikin, että näkemämme uudet komeetat olivat esimerkkejä aurinkoa lähellä sen vaikutuspiirin reunaa kiertävistä kappaleista, joiden kiertoradat lähitähdet olivat häirinneet ja lopulta tuoneet ne lähelle aurinkoa, jossa voimme nähdä ne. Muinaisia jäisiä esineitä, joista komeetat ovat peräisin, kutsutaan nykyään Oortin pilveksi.

tähtitieteilijät arvioivat, että Oortin pilvessä on noin biljoona (1012) komeettaa. Lisäksi arvioimme, että noin 10 kertaa tämä määrä jäisiä kappaleita voisi kiertää Aurinkoa avaruuden tilavuudessa Kuiperin vyöhykkeen (joka on gravitaatiollisesti sidoksissa Neptunukseen) ja Oortin pilven välillä. Nämä kappaleet jäävät tutkimatta, koska ne ovat liian heikkoja katsottavaksi suoraan ja niiden kiertoradat ovat liian vakaita salliakseen minkään niistä taipuvan sisäänpäin lähelle aurinkoa. Jäisten eli komeettaisten kappaleiden kokonaismäärä aurinkokuntamme ulkoreunoilla voisi siis olla luokkaa 10 biljoonaa (1013), mikä on todella suuri määrä.

mikä on 1013 komeetan edustama massa? Voimme tehdä arvion, jos oletamme jotain komeetan koosta ja massasta. Oletetaan, että komeetta Halleyn ydin on tyypillinen. Sen havaittu tilavuus on noin 600 km3. Jos ensisijainen aineosa on vesijäätä, jonka tiheys on noin 1 g/cm3, Halleyn ytimen kokonaismassan on oltava noin 6 × 1014 kilogrammaa. Tämä on noin kymmenen miljardisosaa (10-10) maan massasta.

jos arviomme on kohtuullinen ja tämän massan omaavia komeettoja on 1013, niiden kokonaismassa olisi noin 1000 maapalloa—verrattavissa kaikkien planeettojen massaan yhteensä. Siksi jäinen, kometaarinen aine voisi olla aurinkokunnan tärkein aineosa itse auringon jälkeen.

planeettakunnan varhainen evoluutio

komeetat Oortin pilvestä auttavat meitä ottamaan näytteitä materiaalista, joka on muodostunut hyvin kaukana auringosta, kun taas Kuiperin vyöhykkeen lyhytjaksoiset komeetat ottavat näytteitä aineksista, jotka olivat planetesimaaleja aurinkosumun kiekossa, mutta eivät muodostaneet planeettoja. Myös Kuiperin vyöhykkeen tutkimukset vaikuttavat käsitykseemme planeettakuntamme varhaisesta evoluutiosta.

Oortin pilven ja Kuiperin vyöhykkeen kappaleilla on erilainen historia, joten niillä voi olla eri koostumukset. Tähtitieteilijät ovatkin hyvin kiinnostuneita vertailemaan näiltä kahdelta lähdealueelta peräisin olevien komeettojen yksityiskohtaisia mittauksia. Suurin osa aiemmin tutkituista kirkkaista komeetoista (Halley, Hyakutake, Hale-Bopp) ovat Oortin pilvikomeettoja, mutta P67 ja useat muut avaruusalusten mittauksiin ensi vuosikymmenellä tähtäävät komeetat ovat Kuiperin vyöhykkeen Jupiter-perheen komeettoja.

Kuiperin vyöhyke koostuu jää-ja kiviplaneetoista, jotka ovat jäänteitä planeettojen rakennuspalikoista. Koska se on gravitaatiollisesti sidoksissa Neptunukseen, se voi auttaa meitä ymmärtämään aurinkokunnan muodostumista ja historiaa. Jättiläisplaneettojen muodostuessa niiden painovoima vaikutti syvästi Kuiperin vyöhykkeen kappaleiden ratoihin. Planeettajärjestelmän varhaista kehitystä kuvaavat tietokonesimulaatiot viittaavat siihen, että jättiläisplaneettojen ja jäljellä olevien planetesimaalien väliset gravitaatiovuorot aiheuttivat Jupiterin radan ajautumisen sisäänpäin, kun taas Saturnuksen, Uranuksen ja Neptunuksen radat laajenivat kuljettaen Kuiperin vyöhykkeen mukanaan.

toinen hypoteesi koskee viidettä jättiläisplaneettaa, joka karkotettiin aurinkokunnasta kokonaan planeettojen ratojen siirtyessä. Neptunuksen retrogradinen (taaksepäin kiertävä) kuu Triton (joka on lähes yhtä suuri kuin Pluto) on saattanut olla Kuiperin vyöhykkeen kappale, jonka Neptunus on napannut liikkuvien ratojen aikana. Näyttää selvästi siltä, että Kuiperin vyöhykkeellä voi olla tärkeitä vihjeitä siitä, miten aurinkokuntamme saavutti nykyisen planeettakokoonpanonsa.

Komeetanmetsästys harrastuksena

kuva 3: David Levy. Amatööriastronomi David Levy on komeetalöydöissä kolmantena maailmassa. (luotto: Andrew Fraknoi)

kun amatööriastronomi David Levy (kuva 3), komeetta Shoemaker-Levy 9: n toinen löytäjä, löysi ensimmäisen komeettansa, hän oli jo käyttänyt 928 tuloksetonta tuntia etsien pimeää yötaivasta. Ensimmäisen komeetan löytyminen kuitenkin vain kuumensi hänen ruokahalunsa. Sen jälkeen hän on löytänyt 8 muuta yksin ja 13 muuta muiden kanssa työskennellyttä. Tästä vaikuttavasta ennätyksestä huolimatta hän on komeetalöytöjen määrässä vasta kolmantena ennätyskirjoissa. Mutta David toivoo voivansa rikkoa ennätyksen jonain päivänä.

ympäri maailmaa vannoutuneet harrastelijatarkkailijat viettävät lukemattomia öitä luodatessaan taivasta uusien komeettojen varalta. Tähtitiede on yksi niistä harvoista tieteenaloista, joilla amatöörit voivat vielä antaa merkityksellisen panoksen, ja komeetan löytyminen on yksi mielenkiintoisimmista tavoista, joilla he voivat vakiinnuttaa paikkansa tähtitieteen historiassa. Komeettalöytöjä tutkinut Kalifornialainen amatööri (ja komeetanmetsästäjä) Don Machholz kertoi, että vuosien 1975 ja 1995 välillä 38 prosenttia kaikista löydetyistä komeetoista oli amatöörien löytämiä. Nuo 20 vuotta tuottivat harrastelijoille 67 komeettaa eli lähes 4 vuodessa. Tämä saattaa kuulostaa melko rohkaisevalta uusien komeetanmetsästäjien silmissä, kunnes he saavat tietää, että tyypillinen amatööri käytti keskimäärin noin 420 tuntia komeetan etsimiseen ennen sen löytämistä. Tämä ei selvästikään ole kärsimättömien ihmisten toimintaa.

mitä komeettojen metsästäjät tekevät, jos he luulevat löytäneensä uuden komeetan? Ensin heidän täytyy tarkistaa kohteen sijainti taivaankartastosta varmistuakseen siitä, että se todella on komeetta. Koska ensimmäinen havainto komeetasta tehdään yleensä silloin, kun se on vielä kaukana auringosta ja ennen kuin sillä on merkittävä pyrstö, se näyttää vain pieneltä, sumealta laikulta. Ja useimpien amatööriteleskooppien kautta myös sumut (kosmisen kaasun ja pölyn pilvet) ja galaksit (kaukaiset tähtiryhmät). Seuraavaksi heidän on tarkistettava, etteivät he ole törmänneet jo tunnettuun komeettaan, jolloin he saavat maineen ja kunnian sijaan vain taputuksen selkään. Sitten niiden täytyy tarkkailla tai kuvata se uudelleen jonkin ajan kuluttua nähdäkseen, onko sen liike taivaalla sopiva komeetoille.

usein komeetanmetsästäjät, jotka luulevat tehneensä löydön, saavat toisen komeetanmetsästäjän muualta maasta vahvistamaan sen. Jos kaikki pitää paikkansa, he ottavat yhteyttä tähtitieteellisten sähkeiden Keskusvirastoon Harvard-Smithsonian astrofysiikan keskukseen Cambridgessa Massachusettsissa (http://www.cbat.eps.harvard.edu/). Jos löytö vahvistetaan, virasto lähettää tiedon tähtitieteilijöille ja observatorioille ympäri maailmaa. Yksi komeettametsästyksen ainutlaatuisista ansioista on se, että löytäjän nimi liitetään uuteen komeettaan—vähän sellaista kosmista mainetta, johon harva harrastus pystyy vastaamaan.

komeettojen kohtalo

jokainen tänään näkemämme komeetta on viettänyt lähes koko olemassaolonsa Oortin pilvessä tai Kuiperin vyöhykkeellä, jonka lämpötila on lähellä absoluuttista nollapistettä. Mutta kun komeetta saapuu Aurinkokunnan sisäosiin, sen aiemmin tapahtumaköyhä elämänhistoria alkaa kiihtyä. Se voi tietenkin selvitä alkumatkastaan auringon lähellä ja palata avaruuden kylmiin kolkkiin, joissa se vietti edelliset 4,5 miljardia vuotta. Toisessa ääripäässä se voi törmätä aurinkoon tai tulla niin lähelle, että se tuhoutuu ensimmäisellä perihelikäytävällään (useita tällaisia törmäyksiä on havaittu aurinkoa tarkkailevilla avaruusteleskoopeilla). Joskus Uusi komeetta ei kuitenkaan tule niin lähelle aurinkoa, vaan on vuorovaikutuksessa yhden tai useamman planeetan kanssa.

Sohossa (auringon ja heliosfäärin observatorio) on erinomainen kokoelma videoita komeetoista, jotka tulevat lähelle aurinkoa. Tällä paikalla komeetta ISO lähestyy Aurinkoa ja sen uskotaan tuhoutuvan kulkiessaan.

komeetalla, joka tulee planeetan painovoiman vaikutuksesta, on kolme mahdollista kohtaloa. Se voi 1) törmätä planeettaan ja päättää tarinan heti; 2) kiihdyttää ja sinkoutua pois aurinkokunnasta ikuisiksi ajoiksi; tai 3) häiriintyä kiertoradalle lyhyemmäksi ajaksi. Viimeisessä tapauksessa sen kohtalo on sinetöity. Joka kerta kun se lähestyy Aurinkoa, se menettää osan materiaalistaan ja sillä on myös merkittävä mahdollisuus törmätä planeettaan. Kun komeetta on näin lyhyellä kiertoradalla, sen elinikää aletaan mitata tuhansissa, ei miljardeissa, vuodessa.

muutamat komeetat päättävät elämänsä katastrofaalisesti hajoamalla (joskus ilman näkyvää syytä) (Kuva 4). Erityisen näyttävä oli heikon komeetan Shoemaker-Levy 9: n kohtalo, sillä se hajosi noin 20 kappaleeksi ohittaessaan Jupiterin läheltä heinäkuussa 1992. Shoemaker-levyn kappaleet vangittiin itse asiassa hyvin pitkulaiselle, kaksivuotiselle Jupiteria kiertävälle radalle, mikä yli kaksinkertaisti tunnettujen jovian kuiden määrän. Tämä oli kuitenkin vain väliaikainen rikastus Jupiterin suvulle, sillä heinäkuussa 1994 kaikki komeetan kappaleet törmäsivät Jupiteriin vapauttaen energiaa, joka vastasi miljoonia megatonneja TNT: tä.

Kuva 4: Comet LINEAR-järjestelmän hajoaminen. a) maasta käsin tehty näkymä, jossa on paljon vähemmän yksityiskohtia, ja B) paljon yksityiskohtaisempi valokuva Hubble-avaruusteleskoopilla, jossa komeetan lineaarisen ytimen useat palaset näkyvät. Komeetta hajosi heinäkuussa 2000 ilman näkyvää syytä. (Huomaa vasemmasta näkymästä, että fragmentit sekoittavat kaikki valonsa yhteen, eikä niitä voi erottaa toisistaan. Lyhyet diagonaaliset valkoiset viivat ovat kuvassa liikkuvia tähtiä, jotka pitävät kirjaa liikkuvasta komeetasta.) (luotto a: modification of work by the University of Hawaii; luotto b: modification of work NASA, Harold Weaver (Johns Hopkins University), ja HST Comet LINEAR Investigation Team)

kun jokainen komeettojen kappale viuhui jovian ilmakehään 60 kilometrin sekuntivauhdilla, se hajosi ja räjähti synnyttäen kuuman tulipallon, joka kuljetti komeetan pölyä sekä ilmakehän kaasuja korkeuksiin. Nämä tulipallot olivat selvästi näkyvissä profiilissa, ja varsinainen iskupiste oli Maasta katsottuna aivan jovian horisontin takana (kuva 5). Kun jokainen räjähdyspilvi putosi takaisin Jupiteriin, maata suurempi yläilmakehän alue kuumeni hehkuvaksi ja hehkui loistavasti noin 15 minuutin ajan, minkä havaitsimme infrapunaherkillä teleskoopeilla.

kuva 5: komeetan törmäys Jupiteriin. a) valkoisten kappaleiden” naru ” on Jupiteria lähestyvän komeetta Shoemaker-Levy 9: n kappaleita. b)komeetan ensimmäinen kappale törmää Jupiteriin, jonka kosketuspiste on kuvassa vasemmalla alhaalla. Oikealla on Jupiterin kuu, Io. Ylimmän kuvan yhtä kirkas täplä on komeetan kappale, joka leimahtaa maksimikirkkauteen. Noin 20 minuuttia myöhemmin otetussa pohjakuvassa näkyy törmäyksen aiheuttama viipyilevä leimahdus. Suuri punainen täplä näkyy lähellä Jupiterin keskustaa. Nämä infrapunakuvat on otettu saksalais-espanjalaisella teleskoopilla Calar Altossa Etelä-Espanjassa. (luotto a: EKT: n työn muuttaminen; luotto b: Tom Herbstin, Max-Planck-Institut fuer Astronomie, Heidelberg, Doug Hamilton, Max-Planck-Institut fuer Kernphysik, Heidelberg, Hermann Boehnhardt, Universitaets-Sternewarte, Muenchen, ja Jose Luis Ortiz Moreno, Instituto de Astrofisica de Andalucia, Granada)

kuva 6: Törmäyspölypilvi Jupiteriin. Hajanaisen ulkorenkaan sisäreuna on suunnilleen Maan kokoinen. (luotto: H. Hammel, MIT ja NASA / ESA)

komeetta Shoemaker-Levy 9: n törmättyä Jupiteriin, Jupiterin stratosfääriin laskeutui tummia pilviä, jotka tuottivat pitkäikäisiä ”mustelmia” (jokainen vielä maata suurempi), jotka voitiin helposti nähdä pienilläkin kaukoputkilla.Nämä piirteet havaittiin ensimmäisen kerran Hubble-avaruusteleskoopilla 105 minuuttia sen jälkeen, kun Kuvassa 6 näkyvät tummat renkaat olivat syntyneet (kompaktin taustapisteen tulos oli toisesta sirpaleesta). Myöhemmin Jupiterilla puhaltaneet tuulet sekoittivat nämä piirteet laajaksi täpläksi, joka pysyi näkyvissä yli kuukauden.

miljoonat ihmiset ympäri maailmaa katselivat Jupiteria teleskoopeilla tai seurasivat tapahtumaa television tai netin välityksellä. Toinen törmäysominaisuus nähtiin Jupiterissa kesällä 2009, mikä osoittaa, että vuoden 1994 tapahtumat eivät suinkaan olleet ainutlaatuisia. Näiden suurten törmäysräjähdysten näkeminen Jupiterissa auttaa meitä ymmärtämään, millainen katastrofi planeetallemme tapahtuisi, jos törmäisimme komeettaan tai asteroidiin.

niiden komeettojen osalta, jotka eivät kohtaa yhtä dramaattista loppua, niiden ilmakehässä olevan kaasun ja pölyn määrän mittausten perusteella voidaan arvioida yhden kiertoradan kokonaishäviöt. Tyypillinen hävikki auringon lähellä sijaitsevalta aktiiviselta komeetalta on jopa miljoona tonnia päivässä, mikä lisää jopa joitakin kymmeniä miljoonia tonneja kiertoradalla. Sillä vauhdilla tyypillinen komeetta katoaa muutaman tuhannen kiertoradan jälkeen. Tämä koitunee komeetta Halleyn kohtaloksi pitkällä aikavälillä.

tällä History Channelin videolla nähdään lyhyt keskustelu ja animaatio TV-dokumenttisarjasta Universe, jossa komeetta Shoemaker-Levy 9 törmää Jupiteriin.

avainkäsitteet ja yhteenveto

Oort esitti vuonna 1950, että pitkän aikavälin komeetat ovat peräisin niin sanotusta Oortin pilvestä, joka ympäröi aurinkoa noin 50 000 AU: n päähän (lähellä auringon gravitaatiopiirin rajaa) ja sisältää 1012-1013 komeettaa. Komeettoja tulee myös Kuiperin vyöhykkeeltä, Neptunuksen radan ulkopuoliselta kiekon muotoiselta alueelta, joka ulottuu 50 AU: n päähän auringosta. Komeetat ovat alkeellisia kappaleita, jotka ovat jääneet jäljelle ulomman aurinkokunnan muodostumisesta. Kun komeetta on ohjautunut Aurinkokunnan sisäosiin, se selviytyy tyypillisesti korkeintaan muutamasta tuhannesta perihelikäytävästä ennen kuin se menettää kaikki haihtumisensa. Jotkut komeetat kuolevat näyttävästi: esimerkiksi Shoemaker-Levy 9 hajosi 20 kappaleeksi ennen Törmäystään Jupiteriin vuonna 1994.

Sanasto

Vastaa

Sähköpostiosoitettasi ei julkaista.