Objavy a fyzika komét



RNDr. Ján Svoreň, DrSc.

Astronomický ústav SAV


Skúmanie komét patrí od založenia observatória na Skalnatom plese pred šesťdesiatimi rokmi medzi ťažiskové programy. Mimo výpočtov a analýzy dráh (čo je predmetom osobitného článku) patrí oblasť výskumu fyzikálneho vývoja komét medzi najúspešnejšie dlhodobé programy, čo vidieť aj z toho, že pracovník ústavu bol jedno obdobie prezidentom komisie Medzinárodnej astronomickej únie č. 15 pre fyziku komét, asteroidov a meteoritov. Z množstva úspešných projektov a programov môžeme spomenúť len niektoré.





Text k obrázku: Lovci komét na Skalnatom plese vyzbrojení batériou Somet binarov.


Celkom na začiatku treba spomenúť tatranské objavy komét. V rokoch po 2. svetovej vojne sa pracovníci observatória na Skalnatom plese systematicky venovali hľadaniu nových komét. Ich úsilie prinieslo mimoriadne výsledky. Zo 70 komét objavených v rokoch 1946-1959 na celom svete, pripadlo 18 na observatóriá  na Skalnatom plese a Lomnickom štíte, na observatórium MtPalomar v USA 13 objavov a na ostatné svetové observatóriá po 5 alebo menej. Pracovníci ústavu si pripísali na svoje konto plné dve tretiny všetkých vizuálnych objavov, vrátane tých, ktoré bolo možné pozorovať len z južnej pologule. Medzinárodný ohlas týchto objavov bol výnimočný. Na kongrese Medzinárodnej astronomickej únie v Ríme v roku 1954 bolo Československo, vďaka objavom zo Skalnatého plesa, vyhlásené za kometárnu veľmoc.

Kométy objavené pracovníkmi Astronomického ústavu SAV

staré označenie

meno

nové označenie

dátum objavu

jasnosť pri objave (mag.)

1946 II

Pajdušáková-Rotbar-Weber

C/1946 K1

30. 05. 1946

7

1947 III

Bečvář

C/1947 F2

27. 03. 1947

9

1948 II

Mrkos

C/1947 Y1

20. 12. 1947

9,5

1948 V

Pajdušáková-Mrkos

C/1948 E1

15. 02. 1948

10

1948 XII

P/Honda-Mrkos-Pajdušáková

45P

03. 12. 1948

9

1951 II

Pajdušáková

C/1951 C1

04. 02. 1951

8,5

1951 IV

P/Tuttle-Giacobini-Kresák

41P

24. 04. 1951

10,5

1952 V

Mrkos

C/1952 H1

27. 04. 1952

10

1953 II

Mrkos

C/1952 W1

28. 11. 1952

10

1953 III

Mrkos-Honda

C/1953 G1

12. 04. 1953

9

1954 II

Pajdušáková

C/1953 X1

03. 12. 1953

11

1954 VIII

Vozárová

C/1954 O1

28. 07. 1954

9

1954 XII

Kresák-Peltier

C/1954 M2

26. 06. 1954

10

1955 III

Mrkos

C/1955 L1

12. 06. 1955

3,5

1955 VII

P/Perrine-Mrkos

18D

19. 10. 1955

9

1956 III

Mrkos

C/1956 E1

12. 03. 1956

9

1957 V

Mrkos

C/1957 P1

29. 07. 1957

3

1959 IX

Mrkos

C/1959 X1

03. 12. 1959

8


Na objavoch sa podieľalo 5 objaviteľov: Antonín Mrkos, Ľudmila Pajdušáková, Ľubor Kresák, Antonín Bečvář a Margita Vozárová-Kresáková. Prvou kométou tatranskej série bola kométa 1946 II Pajdušáková -Rotbart-Weber objavená 30. mája 1946 zo Skalnatého plesa, poslednou kométa 1959 IX Mrkos objavená  3. decembra 1959 z Lomnického štítu. Tri z objavených komét boli krátkoperiodické. Kométa P/Honda-Mrkos-Pajdušáková má obežnú dobu len niečo cez 5 rokov a pravdepodobne súvisí s meteorickým rojom Alfa Capricorníd. Kométa P/Tuttle-Giacobini-Kresák patrí ku kométam, ktoré dlhšie obdobia kľudu prerušujú náhlym nečakaným zvýšením jasnosti. V roku 1973 zvýšila svoju jasnosť pri dvoch výbuchoch prechodne až 4 000 násobne. U tejto kométy, rovnako ako u kométy P/Perrine-Mrkos, išlo o objav dávno stratených periodických komét nepozorovaných od začiatku storočia. Najkrajšou z tatranských komét bolo nesporne kométa 1957 V Mrkos. Vytvorila široký prachový chvost a štruktúrou plazmového a prachového chvosta pripomínala kométu Hale-Bopp. Spolu s kométou 1955 III Mrkos bola nájdená voľným okom v súmraku v blízkosti Slnka. Vzájomná poloha dráhy kométy 1954 III Vozárová  a Zeme umožnila pozorovať pomerne vzácny anomálny chvost. Vzniká ako priemet väčších častíc vypudených z kométy smerom ku Slnku v rovine jej dráhy, ktoré vzhľadom na ich veľkosť tlak žiarenia nie je schopný premiestniť do hlavného chvosta mieriaceho od Slnka.


Dlhodobým a veľmi úspešným projektom bolo skúmanie procesov starnutia v kométach. Teoretické závery boli overované na reálnych dátach excerpovaných z katalógov a prehľadov pozorovaní komét. Takmer všetky procesy, ktoré môžeme pozorovať na kometárnych jadrách sú spojené s ich postupným rozpadom. Procesy starnutia v kométach, majú za následok ohraničený čas aktívnej existencie komét. Pracovníci ústavu zistili, že procesy starnutia, zrýchľujúce sa s klesajúcou heliocentrickou vzdialenosťou, sú príliš pomalé a nepravidelné, aby sme ich mohli zaznamenať počas jednotlivého návratu. Akokoľvek, životné doby jednotlivých komét sú veľmi krátke v porovnaní s históriou Slnečnej sústavy a dopĺňanie predtým neaktívnymi objektmi je nutné na vysvetlenie súčasného stavu kometárnej populácie. Prvou možnosťou pozorovať prejavy starnutia je štúdium sekulárneho poklesu jasnosti periodických komét. Unikajúce plyny ovlyvňujú fyzikálne vlastnosti jadra, keďže menia jeho pórovitosť, premiestňujú prchavé látky a vytvárajú kôru z minerálnych látok na povrchu. Pracovníci ústavu vyvrátili reálnosť veľmi prudkého poklesu jasnosti pre Jupiterovu rodinu komét, ktorý našiel ruský astronóm Všechsvjatskij. Podstatná časť poklesu bola vysvetlená ako dôsledok prístrojových efektov závislých na čase. Ukázali tiež, že púhe odstránenie objavového pozorovania stačí na zredukovanie odvodenej hodnoty sekulárneho poklesu o 40% a že pokles jasnosti vyzerá byť limitovaný v čase a nemôžeme ho považovať za spojite sekulárny. Aktívny životný čas kométy sa môže skladať z opakujúcich sa aktívnych fáz oddelených dočasnou nečinnosťou. Zdá sa, že straty spôsobené sublimáciou sú veľmi pomalé. Ak kométy skutočne slabnú, robia tak veľmi pomaly, alebo príležitostne. Zistilo sa, že typická periodická kométa prekoná 200-300 priblížení k Slnku ako aktívne teleso. Pomalý pokles jasnosti občas prerušia krátke výbuchy. Skúmaním časového a priestorového rozloženia náhlych zvýšení jasnosti pracovníci ústavu zistili, že práve výbuchy takmer pri každej desiatej kométe umožnia, alebo aspoň uľahčia jej objav.




Text k obrázku: Kométa Bennett fotografovaná na Skalnatom plese astrografom 0,3-m f/5 dňa 10. apríla 1970.



Druhou možnosťou pozorovať pokles jasnosti je hľadanie rozdielov medzi skupinami komét. Kométy môžu byť uskladnené miliardy rokov v Oortovom oblaku skôr ako prejdú blízko popri Slnku a vstúpia do akívnej fázy. Existuje množstvo štúdií a niektoré z nich našli štatistické rozdiely v aktivite medzi krátkoperiodickými kométami a novými kométami v zmysle Oorta. Je veľmi dôležité vedieť odlíšiť efekty starnutia od prvotných rozdielov medzi kométami. Štatisticky veľmi významný je poznatok, že hodnoty fotometrických exponentov pred perihéliom sú spravidla menšie ako po perihéliu. Tento jav predtým vysvetľoval americký astronóm Whipple odstránením povrchovej veľmi aktívnej vrstvy nových komét pri ich prvom priblížení k Slnku. Prekvapivo sme ho však našli aj u dynamicky starých komét, čo svedčí o tom, že je dôsledkom výberových efektov spojených so získavaním pozorovacích údajov ďalekohľadmi s rozdielnou svetelnosťou optických systémov. Neskôr Weissman podporil tieto závery, keď zistil, že kométy vnikajú do pozorovateľnej oblasti z Oortovho oblaku pomaly a preto nemáme žiadny dôvod očakávať väčší obsah prchavých látok v nových kométach v porovnaní so starými. Tento proces spôsobuje, že pozorovanie efektov starnutia je obtiažne.

Jednou zo spoločných požiadaviek na zaznamenanie mnohých vývojových procesov je schopnosť pozorovať holé jadro a zaznamenať aktivitu vo veľkých heliocentrických vzdialenostiach. Pracovníci ústavu odvodili fotometrické parametre pre súbor 67 dlhoperiodických komét na základe fotometrických pozorovaní za 2,5 AU. Počas tejto práce vznikol unikátny počítačový katalóg obsahujúci 10 000 odhadov a meraní jasnosti dlhoperiodických komét pozorovaných v rokoch 1861–1976. Vizuálne alebo fotografické odhady jasnosti sú často jediným zdrojom informácií o kométach, ktoré prešli perihéliom pred tým ako sa začali všeobecne používať elektronické detektory. Výhodou tohto katalógu v porovnaní s inými databázami sú kompletné referencie umožňujúce návrat k primárnym zdrojom, údaje o heliocentrických a geocentrických vzdialenostiach a fázových uhloch uľahčujúce prácu s dátami a elektronická forma umožňujúca prácu v poloautomatickom režime.


Poslednou možnosťou pozorovať starnutie je pátrať po jednom z finálnych štádií kometárneho vývoja: hľadať asteroidálne objekty na kometárnych dráhach. Z čisto dynamického pohľadu sú len dve možnosti konca komét: katastrofická zrážka s nejakým ďalším objektom a hyperbolický únik zo Slnečnej sústavy, ktorý je pravdepodobnejší. Fyzikálny vývoj komét však prináša ďalšie možnosti: úplný rozpad na meteoroidy, prach a plyn; úplnú stratu prchavých látok spôsobujúcu prítomnosť neaktívnych jadier podobných asteroidom; a kompletné uzavretie povrchovou kôrou, kde spiace jadro môže byť znovu aktivované nekatastrofickou zrážkou alebo rozpadom. Veľmi podrobná analýza komét v oddychujúcej fáze, ktorú urobili pracovníci ústavu ukázala, že väčšina podozrivých komét nebola v minulosti nájdená z dôvodu, že nedosiahla jasnosť pozorovateľnú voľným okom.

Podrobnou analýzou javov sprevádzajúcich pád telesa na Sibíri v roku 1908 pracovníci ústavu zistili, že Tunguzskú katastrofu pravdepodobne zapríčinil úlomok Enckeho kométy. Vo svete sú rozšírené aj teórie, že išlo o zrážku Zeme s malým asteroidom.


Pracovníci ústavu študovali aktivitu komét, ktorá sa prejavuje od mierneho zvýšenia zdanlivej jasnosti, cez náhle zvýšenie jasnosti až o niekoľko magnitúd, až po čiastočný alebo úplný rozpad jadra nepriamo, z hodnotenia údajov o objavoch komét a ich dynamických charakteristík. Práce boli prvým pokusom sumárne zhodnotiť výberové efekty pri objave nových komét a získať údaje o aktivite kometárnych jadier v rôznych heliocentrických vzdialenostiach. Štúdium priestorového rozloženia rozpadov jadier a náhlych zvýšení jasnosti komét ukázalo na spojitosť týchto javov s intenzitou slnečnej radiácie a slapových síl Jupitera.

Veľkú pozornosť venovali pracovníci ústavu určovaniu rozmerov kometárnych jadier. Použili sa rôzne metódy, najrezultatívnejšie bolo skúmanie chovania komét vo veľkých vzdialenostiach od Slnka, v čase keď nie je prítomná kóma a jasnosť kométy je takmer výlučne spôsobená odrazom slnečného svetla na pevnom jadre. Odvodili sme, že pre ľubovoľnú náhodne vybranú dlhoperiodickú kométu je pravdepodobnosť 67%, že rozmery určené na základe pozorovaní v maximálnej heliocentrickej vzdialenosti sú približne rozmermi jadra. Pre nové kométy vzrastie táto hodnota až na 75% bez ohľadu na to či uvažujeme pred- alebo po-perihéliový oblúk dráhy. Pre staré kométy v Oortovom zmysle je táto pravdepodobnosť nižšia. Celkove je to 50% a na predperihéliovom oblúku len 33%.

Na vysvetlenie nápadne malého rozdielu v rozmeroch medzi dlhoperiodickými kométami a najväčšími objektmi populácie krátkoperiodických komét formulovali pracovníci ústavu hypotézu, ktorá umožňuje vysvetliť nízke odvodené hustoty jadra (100-200 kg/m3) bez posunu oblasti formovania komét z oblasti Urána a Neptúna do väčších heliocentrických vzdialeností. Vývoj kométy spojený so stratou hmoty nemusí byť totiž nutne sprevádzaný rýchlym zmenšovaním lineárnych rozmerov, ale strata hmotnosti môže ísť hlavne na úkor poklesu hustoty jadra. Je však zrejmé, že pri prekonaní takéhoto vývoja by väčšina komét neobsahovala tak primitívny materiál ako sa doteraz predpokladalo.


V rokoch 1985-86 sa Astronomický ústav podieľal na medzinárodnom programe výskumu Halleyovej kométy – International Halley Watch. Dosiahol významné výsledky, ktoré znamenali ďalšie upevnenie dobrého mena slovenského výskumu malých telies Slnečnej sústavy vo svetovej astronomickej komunite. Ústav sa podieľal tak na získavaní pozorovacieho materiálu, ako aj na spracovaní a interpretácii. O výsledkoch bolo referované na sympóziu v Heidelbergu.

V rámci astrometrickej siete (superpresné meranie polôh jadra kométy) bolo získaných 110 presných polôh. Boli odosielané bezprostredne po spracovaní do letových centier a využité na korekciu letu sond ku kométe. Počtom predperihéliových astrometrických pozorovaní sa ústav zaradil medzi prvú desiatku svetových observatórií. V rámci siete veľkoškálových javov bolo získaných celkove 63 snímok, ktoré boli po kalibrácii odoslané do archívu IHW a slúžili na mapovanie stavu medziplanetárneho prostredia v oblasti medzi Zemou a Slnkom. V rámci fotometrickej siete bola kométa pozorovaná v 15 nociach. Na pozorovacej stanici Modra-Piesky sa získalo celkove 33 fotografických pozorovaní veľkoškálových javov, z ktorých boli odvodené rýchlosti slnečného vetra.

Na základe konštrukcie spoľahlivej fotometrickej krivky na predperihéliovom oblúku dráhy periodickej Halleyovej kométy (11,0-2,5 AU) a vymedzenia oblasti prvotného formovania komy pracovníci ústavu ukázali, že v čase objavu bola Halleyova kométa jasnejšia než predpovedá štandardný fotometrický zákon a že jej objav už v októbri 1982 bol umožnený jej mimoriadnym zjasnením. Z hodnôt zdanlivých jasností súboru komét v čase pozorovania v maximálnej heliocentrickej vzdialenosti sme odhadli očakávaný priebeh jasnosti Halleyovej kométy v budúcnosti. Je reálna nádej, že zlepšovanie pozorovacej techniky, umožní sledovať túto kométu až do afélia a potom nepretržite ďalej.


Pri overovaní všetkých teórií hrá v astronómii významnú úlohu kvalitný pozorovací materiál. Fotoelektrická metóda, ako jedna z najpresnejších metód, by mala, po získaní dostatočne štatisticky významného materiálu, povedať rozhodné slovo do klasifikácie komét z hľadiska ich chemického zloženia. V minulosti sa aj vo fotometrii komét používal farebný systém UBV široko používaný v hviezdnej fotometrii. Pozorovania však poskytovali málo informácií o zložení komét, pretože nezvyklé rozdelenie intenzít v kometárnom spektre spôsobuje praktickú nepoužiteľnosť akéhokoľvek farebného systému. V rámci svetového trendu štandardizácie meraných spektrálnych oblastí pracovníci ústavu zaviedli na Slovensku fotoelektrickú fotometriu komét cez strednepásmové filtre centrované na najvýznamnejšie kometárne emisie a na relatívne čisté oblasti spektra bez emisií potrebné na kalibráciu vyžarovania v emisiách. Pri zavádzaní tejto metódy boli využité dlhoročné skúsennosti pracovníkov nášho stelárneho oddelenia. V rokoch 1973-1998 sa uvedenou metodikou získal kvalitný pozorovací materiál o všetkých jasných kométach (Kohoutek, P/Halley, P/Brorsen-Metcalf, Austin, Hale-Bopp).

Metodika spracovania fotoelektrických meraní pomocou dvojitej interpolácie denných závislostí magnitúd na priemeroch použitých ohniskových clôn, umožňuje priamu redukciu pozorovaní získaných rôznymi ďalekohľadmi vybavenými odlišnými ohniskovými clonami a ich prevod na jednotnú škálu. To je dôležité z hľadiska skúmania evolúcie jasnosti kométy na dlhšej časovej škále, hlavne v období, keď z jednotlivého miesta na povrchu Zeme je kométa pozorovateľná len počas krátkeho časového intervalu v súmraku pred východom, alebo tesne po západe Slnka.

Mimo akúkoľvek pochybnosť bolo ukázané, že v podmienkach observatória na Skalnatom plese je extinkcia veľmi premenná veličina a používanie akokoľvek spriemerovaných extinkčných koeficientov nemá reálny základ a značne zvyšuje výslednú chybu odvodených veličín. Záver má obecnejšiu platnosť, miminálne pre stredoeurópske klimatické pomery s častou výmenou vzduchových hmôt.

Fotoelektrické merania C2-magnitúd v najväčšej použitej clone (220 oblúkových sekúnd) boli vo veľmi dobrej zhode s priemernou hodnotou celkových vizuálnych odhadov, čo umožňuje bezproblémové naviazanie v čase, keď nie je možné kométy merať fotoelektricky pre malú uhlovú vzdialenosť od Slnka.

Odvodili sme údaje o jasnostiach komét v rôznych emisiách, výskyte molekúl v rôznych vzdialenostiach od jadra a zmenách ich produkcie s meniacou sa heliocentrickou vzdialenosťou. Pre Halleyovu kométu bol postupný vzrast jasnosti spôsobený približovaním sa kométy k Zemi a Slnku prekrytý náhlymi zjasneniami. Zaznamenali sme výrazné zjasnenie pred 13. decembrom 1985 detekované v emisiách C3, CN a oboch kontinuách. Výbuch bol potvrdený nezávisle z Japonska v C2-emisii. Pre kométu Austin sme na základe porovnania zmeny produkcie materských molekúl C2 a CN po perihéliu zistili, že tvorba týchto dvoch radikálov podlieha rôznym mechanizmom, z ktorých jeden je spojený s uvoľňovaním prachu z jadra kométy. Pre kométu Hale-Bopp v období dvoch mesiacov pred prechodom perihéliom sme zistili, že produkcia prachu sa menila so vzdialenosťou od Slnka ako r-5,2, na rozdiel od produkcie molekúl spôsobujúcich emisiu C2 (r-3,3) a CN (r-2,5). Tento anomálny chod sme vysvetlili zatienením žiariacich molekúl plynu oblakmi prachu.

Zo štúdia strájov kométy Hale-Bopp z obdobia 12.-15. marca 1997 odvodili pracovníci ústavu hodnotu tlaku žiarenia na ejekované prachové častice z jadra (0.55) ako aj ich fragmentačný čas života (13-15 dní). Materiál strájov pochádza z jednej aktívnej oblasti jadra a bol vyvrhnutý asi 60-40 dní pred prechodom jadra perihéliom. Pozorovanie aktivity prachovej časti komy jasných komét nám umožnilo študovať fyzikálne vlastnosti a evolúciu emisie prachu z jadier. Generovaním pozorovaných prejavov ejekcie prachu z jadier komét na fyzikálnom modeli komy jadra sme získali údaje o rozložení a evolúcii disktrétnych aktívnych oblastí jadra pozorovaných komét, ich rotácii, a dynamike ejekcie prachu. Pri tomto výskume sme sa zamerali hlavne na kométy, ktoré su cieľovými objektami kozmických misií.


Výskum v tejto oblasti však najviac preslávil prof. Kresák založením vedeckej školy zaoberajúcej sa vzájomnými súvislosťami jednotlivých populácií medziplanetárnych telies. Jej značný medzinárodný ohlas sa prejavil predovšetkým obrovským počtom citácií vedeckých výsledkov, z ktorých mnohé sú uvedené vyššie. Výsledky slovenskej školy výskumu medziplanetárnej hmoty sa odzrkadlili aj na počtoch astronómov z Japonska, Švédska, USA, ZSSR, Talianska i mnohých ďalších štátov, ktorí prejavovali záujem o spoluprácu.


Prezentované výsledky vo fyzike komét dosiahli pracovníci Astronomického ústavu SAV Ľubor Kresák, Eduard Pittich, Jana Pittichová a Ján Svoreň.

Text k obrázku na ďalšej strane: Kométa Hale-Bopp fotografovaná na Skalnatom plese astrografom 0,3-m f/5 dňa 3. apríla 1997.