Pochodzenie, struktura i różnorodność komet

Adrianna Polewaczyk
Perkoz, 16–19 X 2003

Historia badań komet

Pierwszy opisał komety w sposób ściśle naukowy Arystoteles, filozof grecki żyjący w IV wieku p.n.e. W jego uporządkowanym świecie homocentrycznych sfer komety były intruzami i dlatego wielki myśliciel uznał je za wyziewy atmosferyczne. W I wieku n.e. rzymski stoik Seneka wyraził wprawdzie przypuszczenie, że komety prawdopodobnie pochodzą spoza Ziemi, ale pozostało ono zapomniane przez następne półtora tysiąca lat, aż do czasów XVI-wiecznych odkryć astronomicznych.

Wówczas bowiem Mikołaj Kopernik miał śmiałość podważyć obowiązujący w nauce pogląd Arystotelesa, sugerując, że komety mogą być ciałami niebieskimi. Sugestię tę potwierdził w roku 1577 na podstawie obserwacji duński astronom Tycho Brahe, któremu udało się dowieść, że obserwowana przezeń kometa znajduje się dalej od Ziemi niż Księżyc. Dzięki temu pogląd Brahego zyskał w początkach XVII wieku powszechne uznanie w środowisku uczonych astronomów, którzy jednak nadal wyrażali sprzeczne opinie na temat natury komet i ich zachowania się w Układzie Słonecznym.

Twórca praw rządzących ruchem planet, Johannes Kepler, potraktował komety jako ciała chwilowo tylko goszczące w naszym układzie planetarnym, które po prostoliniowych trajektoriach przemykają przezeń dalej we wszechświat. Nie zadał sobie zatem trudu, aby za pomocą swoich praw opisać drogę komet, a nie dopuszczał również myśli, że orbity mogą mieć inny kształt niż eliptyczny. Dopiero w drugiej połowie XVII wieku Jan Heweliusz sformułował hipotezę, że orbity niektórych komet mogą być parabolami. W roku 1680 jeden z jego uczniów udowodnił, że orbita obserwowanej przez niego komety była istotnie parabolą, w której ognisku znajdowało się Słońce.

Wynalazek lunety w XVII wieku, a następnie prostego teleskopu umożliwił obserwację coraz większej liczby komet i dokładniejszy pomiar ich orbit. Na przełomie lat 1667/1668 Stanisław Lubieniecki opracował pierwszy katalog poznanych komet „Theatrum cometicum”, w którym zebrał informacje o kometach odkrytych w 1. połowie XVII wieku. W 1687 roku Isaac Newton w swoim dziele „Matematyczne zasady filozofii przyrody” dowodził, że komety poruszają się po krzywych stożkowych — w ich ogniskach znajduje się Słońce.

Dopiero uczeń Newtona, Edmund Halley, poważnie zajął się badaniami komet, obliczając orbity paraboliczne ruchu wielu z nich. W 1682 roku zaobserwował on bardzo jasną kometę, która, jak się okazało po dokładniejszym przeanalizowaniu dawnych kronik, pojawiała się na niebie co 76 lat. Późniejsi uczeni ze zdumieniem odkryli, że stare przekazy wspominają o komecie — nazwanej na cześć jej odkrywcy kometą Halleya — aż 28 razy. Porównując dane uzyskane z kronik, astronomowie obliczyli, że kometa Halleya znajdowała się najbliżej Ziemi w 837 roku, wówczas bowiem dzieliło ją od naszej planety niespełna 5,8 miliona kilometrów.

Udoskonalenie teleskopów w XX wieku zaowocowało dalszym postępem w badaniach nad kometami. W 1950 roku holenderski astronom Jan Hendrik Oort sformułował pogląd, że komety stanowią ogromny rój ciał niebieskich, otaczający Słońce, oddalony od niego o kilkaset tysięcy jednostek astronomicznych. Ich liczebność, zdaniem holenderskiego badacza, może wynosić nawet 200 miliardów. Fakt, że wiele komet zostaje skierowanych w stronę Słońca, Oort tłumaczy perturbacjami, których źródłem są pobliskie gwiazdy.

Józef Witkowski natomiast za przyczynę pojawiania się komet okresowych (czyli widocznych na niebie z pewną regularnością) uważa zmianę ich orbity parabolicznej na eliptyczną w momencie, gdy kometa przybywająca spoza Układu Słonecznego trafia w obręb pola grawitacyjnego Jowisza. Istnieją nawet teorie podające jako przyczyny powstawania komet okresowe erupcje wulkaniczne wielkich planet i ich satelitów. Teorie te nie znalazły jednak zbyt wielu zwolenników. Pytanie, jak powstają komety, pozostaje zatem nadal otwarte.

Zapoczątkowane w drugiej połowie XX wieku bezpośrednie badania przestrzeni kosmicznej przez sondy i próbniki wysyłane z Ziemi, wyposażone w doskonałą aparaturę fotograficzną, rozszerzyły znacznie wiedzę o tym, czym w istocie są komety i jaka jest ich budowa. Szczególnie owocne okazały się kompleksowe programy badawcze dotyczące komety Halleya, jak podjęty w 1982 roku International Halley Watch, czyli seria obserwacji za pomocą sond, które zbliżyły się do obiektu na stosunkowo niewielką odległość. W 1986 roku w kierunku komety Halleya wyruszyło aż pięć sond jednocześnie: dwie radzieckie — Wega 1 i Wega 2, dwie japońskie — Suisei i Sakigake, oraz sonda Europejskiej Agencji Kosmicznej — Giotto. Ta ostatnia zbliżyła się do komety na odległość 605 kilometrów, dzięki czemu na Ziemię dotarły sensacyjne zdjęcia jądra komety, jak i okrywającej je głowy gazowej.

Budowa komet

Obecnie komety najczęściej definiuje się jako niewielkie ciała niebieskie w Układzie Słonecznym o masach rzędu 10¹¹ do 10¹⁷ kg (dla porównania masa Ziemi wynosi około 6×10²⁴ kg). Ich gęstość jest znacznie mniejsza od gęstości Ziemi, czego przykładem może być kometa Halleya, która według pomiarów sondy Giotto ma gęstość rzędu 0,1 g/m³. Wszystkie komety obiegają Słońce, przy czym ich orbity mogą być zarówno eliptyczne, jak i zbliżone do paraboli. Ze względu na charakter ruchu wokół Słońca wśród komet wyróżnia się komety okresowe — jak kometa Halleya, lub tak zwane komety jednopojawieniowe, obserwowane z Ziemi tylko jeden jedyny raz w swej kosmicznej wędrówce. Przeważająca większość komet, bo aż 80%, należy właśnie do tej drugiej kategorii.

Sercem każdej komety jest jądro, w którym można wyodrębnić skalny rdzeń oraz zamrożone ciecze i gazy, takie jak woda, amoniak, cyjan czy metan. Jądro ma średnicę od kilku do kilkudziesięciu kilometrów i ono decyduje o masie obiektu. W miarę podchodzenia komety do Słońca wzrost temperatury uwalnia zestalone gazy i ciecze, które tworzą wokół jądra otoczkę zwaną głową komety. Jej średnica może się wahać od kilkudziesięciu tysięcy do miliona kilometrów. Jednocześnie z głowy komety zostaje wypuszczony warkocz, którego długość dochodzi nieraz do wielu milionów kilometrów. Przyczyną jego powstawania jest najprawdopodobniej ciśnienie promieniowania, jak również wiatr słoneczny.

Kometa, zbliżając się do Słońca, staje się widoczna z Ziemi, gdyż zarówno odbija światło słoneczne, jak i wysyła własne promieniowanie. Jej materia bowiem zostaje pobudzona do świecenia przez docierającą coraz większą ilość energii słonecznej. Obserwacje widm komety wykazują obecność linii emisyjnych i absorpcyjnych węgla, wodoru, azotu i tlenu. Wielu badaczy sądzi zatem, że jądro komety może być równie dobrze bryłą lodową, złożoną z wody, amoniaku i dwutlenku węgla z wtopionymi w nie resztkami meteorytów, jak i zawiesiną pyłu kosmicznego.

Astronomowie uważają komety za obiekty nietrwałe, ponieważ bardzo często obserwują ich rozpad bądź stałą utratę przez nie masy. Produktem takiego rozpadu bywają najczęściej meteoroidy, czyli ciała niebieskie o rozmiarach wahających się od ułamka milimetra do wielu setek metrów, osiągające wówczas masę setek, a nawet tysięcy ton. Zjawisko rozpadu nie ominęło również komety Halleya. Prawdopodobnie z niej właśnie wywodzą się roje meteoroidów Akwarydy i Orionidy. Oprócz komety Halleya w ciągu ostatnich trzydziestu lat na niebie pojawiło się kilka innych, bardzo jasnych komet. Należą do nich: kometa Seki-Lines (odkryta w roku 1962), Ikeya-Seki (zaobserwowana w roku 1965) i kometa Kohoutka (zaobserwowana w roku 1973), znana z tego, że była pierwszym obiektem obserwowanym bezpośrednio w przestrzeni kosmicznej z amerykańskiej stacji orbitalnej Skylab.

Przeszukiwaniem nieba w celu odszukania komet zajmują się przede wszystkim astronomowie. Istnieje jednak na świecie spora grupa amatorów tego pasjonującego zajęcia. Co ciekawe, wielu z nich odniosło prawdziwe sukcesy. Japoński rekordzista w tej dziedzinie, Ikeya, w ciągu czterech lat namierzył aż cztery nieznane wcześniej komety.

Kometa Halleya

Jest jedną z najsłynniejszych (jak nie najsłynniejszą) komet. Jej pojawianie się odnotowywano już od 240 r. p.n.e. , a dotychczas widziano ją 29 razy (ostatni raz w 1986 roku). Nazwa komety pochodzi od nazwiska angielskiego uczonego Edmonda Halleya, ucznia Newtona, który w XVII w. ustalił, że komety mają dające się obliczyć orbity. Halley widział tę kometę w 1682 r. i przewidział jej powrót w 1758 r. Komety krążą wokół Słońca pod wpływem sił grawitacyjnych, po orbitach silnie spłaszczonych. Kiedy kometa Halleya znajduje się w najbardziej odległym miejscu swojej orbity, jest 35 razy bardziej oddalona od Słońca niż Ziemia. Nie można jej wówczas zobaczyć nawet przez największy na świecie teleskop. Gdy jednak znajdzie się najbliżej Ziemi, porusza się wewnątrz orbity ziemskiej. Ogrzana Słońcem kometa z jej lodowatym jądrem otoczonym olbrzymią chmurą gazu i pyłu, przez kilka miesięcy może być olśniewającym obiektem na naszym niebie. Okres orbitalny komety Halleya wynosi 76 lat. Pojawiania się komety można by zatem oczekiwać w tym samym miejscu w regularnych odstępach czasu, gdyby oddziaływała na nią tylko grawitacja Słońca. Na komety oddziałuja także planety Układu Słonecznego, zwłaszcza Jowisz i Saturn. Jeśli kometa zmierza w kierunku planety, siła grawitacyjna tej ostatniej nadaje jej przyspieszenie. I odwrotnie: jeśli kometa oddala się od planety działa przeciwnie do kierunku ruchu komety zmniejszając jej prędkość.

Najkrótszy zaobserwowany dotąd okres obiegu komety Halleya wyniósł zaledwie 74,5 lat. Po przejściu obok Słońca w listopadzie 1835 r., jej ruch został przyspiesziony przez planety tak skutecznie, że powróciła w kwietniu 1910 r. jednocześnie dzięki obserwacjom astronomów chińskich i japońskich wiemy, że kometa pojawiła się w 451 r., a następnie w 530 r. jej okres obiegu wyniósł zatem aż 79 lat, co sugeruje, że jej ruch uległ spowolnieniu pod wpływem planet. Jądro komety Halleya przypomina orzeszek ziemny o rozmiarach 16×8×8 km. Widać wzgórza i doliny na jego powierzchni, a także smugi gazu i pyłu. Dzięki sondom Vega i Giotto znana jest nam budowa jądra komety: jest to wydłużona fasolkowata bryła o masie 2×10¹⁴ kg, gęstości 0,92 g/cm³, z bardzo ciemnym jądrem o temperaturze 330\plusmn;30 K. W tej temperaturze lód sublimuje, jądro komety Halleya musi mieć zatem powierzchnię pokrytą trudno topliwa skorupką. Wyrzucane anizotropowo, z tzw. aktywnych miejsc, strugi gazu i pyłu, powodują obrót jądra komety Halleya — rozkręcają kometę, tak jak strugi wody ogrodowa fontannę. Utrata masy w tym procesie jest bardzo szybka — blisko peryhelium kometa traci 35 ton/s — 30 ton w postaci wody i 5 ton w postaci pyłu. Opis obrotu jądra komety Halleya napotyka więc wiele trudności; w przybliżeniu przyjmuje się, że oś obracającego się z okresem 7,4 dnia jądra wykonuje ruch precesyjny o okresie 2,2 dnia. Głównym skłanikiem jądra komety Halleya jest lód wodny zanieczyszczony różnymi pyłami. Z kometą Halleya są związane dwa roje meteorów: majowe Akwarydy i październikowe Orionidy. Następne przejście komety Halleya przez peryhelium będzie miało miejsce w lipcu 2061 r.

Zdjęcie komety Halleya

Kometa Enckego

Kometa o najkrótszym znanym okresie obiegu, wynoszącym 3,3 roku. Nazwana na cześć niemieckiego matematyka i astronoma Johanna Franza Encke (1791–1865), który obliczył jej orbitę w 1819 r. na podstawie wcześniejszych obserwacji. Dostrzeżona po raz pierwszy w r. 1786 przez francuskiego astronoma Pierre'a Méchaina (1744–1804) jest ciałem dającym początek deszczowi meteorów zwanych Taurydami; być może, fragment jej uderzył w Ziemię podczas katastrofy w Małej Tunguskiej w 1908 r. W 1913 r., gdy amerykańscy astronomowie z obserwatorium na Mount Wilson w Kalifornii sfotografowali ją w pobliżu afelium, stała się ona pierwszą kometą zaobserwowaną na całej długości swej orbity.

Chiron