Teleskop fotografował zupełnie inny fragment Wszechświata. W kadr przypadkiem weszła znana kometa znajdująca się ponad 10 razy dalej od Słońca niż Ziemia.
Teleskop nie miał obserwować żadnej komety. Robił kolejne zdjęcia w ramach ogromnego przeglądu nieba, a niewielki punkt po prostu znalazł się przypadkowo w kadrze. Dopiero po latach naukowcy przeszukali publiczne archiwum i zorientowali się, co adekwatnie sfotografowano. Była to 28P/Neujmin znajdująca się ponad 10 razy dalej od Słońca niż Ziemia. Tak daleko, iż zniknęła otaczająca ją zwykle chmura gazu i pyłu, odsłaniając adekwatną powierzchnię komety.
Zdjęcie zrobili w 2016 r. Komety choćby nie szukali
Historia zaczyna się tak naprawdę dekadę temu. W lutym i marcu 2016 r. 8,2-metrowy teleskop Subaru na Hawajach prowadził obserwacje w ramach Hyper Suprime-Cam Subaru Strategic Program. To gigantyczny przegląd nieba wykorzystujący kamerę HSC o polu widzenia obejmującym jednocześnie obszar odpowiadający mniej więcej 9 tarczom Księżyca w pełni. Astronomowie interesowali się przede wszystkim odległym Wszechświatem. 28P/Neujmin była przypadkowym pasażerem.
Przecięła fragment nieba znajdujący się akurat w polu kamery i została zarejestrowana podczas ekspozycji wykonywanych w trzech różnych filtrach. Dane później trafiły do publicznego archiwum.
Naukowcy wrócili do nich znacznie później. Wiedząc, jak wygląda orbita komety, obliczyli jej przewidywane położenie w momencie wykonania każdej archiwalnej fotografii, a następnie sprawdzili katalog zarejestrowanych obiektów. Trafili w dziesiątkę.
Na zdjęciach z 12 lutego, 7 marca i 9 marca 2016 r. słaby punkt znajdował się dokładnie tam, gdzie powinna być kometa. To więc nie jest odkrycie nowej komety. 28P/Neujmin znamy od 1913 r. Nowe jest odkrycie niezwykle cennych obserwacji, których pierwotnie nikt nie wykonał z myślą o jej badaniu.
Była ponad 1,5 mld km od Słońca
Wyjątkowym te zdjęcia czyni przede wszystkim samo położenie komety. W lutym 28P znajdowała się około 10,57 au od Słońca, a w marcu około 10,51 au. 1 au to średnia odległość Ziemi od Słońca, czyli prawie 150 mln km. Mówimy więc o około 1,57 mld km od naszej gwiazdy. Saturn krąży średnio w odległości około 9,5 au. 28P była zatem dalej.
Od samej Ziemi dzieliło ją około 9,5-9,7 au, czyli ponad 1,4 mld km. Na zdjęciach miała jasność mniej więcej 22 magnitudo, absolutnie poza zasięgiem ludzkiego oka i małych teleskopów. Subaru może ją jednak zobaczyć dzięki ogromnemu zwierciadłu i bardzo czułej kamerze.
A ta gigantyczna odległość dawała astronomom coś jeszcze bardziej wartościowego, niż sam fakt znalezienia komety. 28P praktycznie się wtedy rozebrała.
Kometa bez charakterystycznej komety
Gdy myślimy o komecie, przed oczami pojawia się nam jasny obiekt z efektownym warkoczem. Tyle iż większość tego, co widzimy, nie jest jej adekwatnym ciałem. Sercem komety jest jądro zbudowane z lodów, pyłu i materiału skalnego. Kiedy obiekt zbliża się do Słońca, dostaje coraz więcej energii. Lody zaczynają sublimować, czyli przechodzą bezpośrednio ze stanu stałego w gaz.
Gaz porywa pył i wokół jądra tworzy się ogromna koma. Z niej mogą natomiast później wyrastać warkocze. To efektowne, ale dla człowieka próbującego badać samą powierzchnię jądra bardzo niewygodne, ponieważ jądro zostaje schowane w jasnej chmurze własnej materii. Świetnie widać to choćby na obserwacjach komety 3I/ATLAS, gdzie instrumenty muszą rozdzielać emisję gazów i pyłu otaczających niewielkie adekwatne jądro. Z 28P było odwrotnie.
Ponad 10 au od Słońca natężenie docierającego promieniowania jest około 110 razy mniejsze, niż na orbicie Ziemi. W takich warunkach sublimacja wody praktycznie zamiera, a choćby dwutlenek węgla przestaje skutecznie napędzać klasyczną aktywność kometarną. Na zdjęciach Subaru obiekt wyglądał punktowo. Astronomowie nie znaleźli wokół niego rozciągłej komy. Patrzyli więc praktycznie bezpośrednio na jądro.
To całkiem duża kometa
28P/Neujmin nie jest zresztą jakimś maleńkim kawałkiem lodu. Jej efektywny promień szacuje się na około 10,7 km, czyli średnica wynosi mniej więcej 21 km. Jak na kometę rodziny Jowisza jest to naprawdę duży obiekt. Powierzchnia jest ekstremalnie ciemna, bo albedo wynosi około 0,026, co oznacza, iż odbija zaledwie kilka procent padającego światła. Jądro obraca się raz na około 12 godz. i 45 min. Zmiany jasności podczas rotacji wskazują dodatkowo, iż nie jest kulą. Stosunek długości jego osi wynosi co najmniej około 1,5.
Sama kometa okrąża Słońce mniej więcej raz na 18,4 roku. W peryhelium schodzi do około 1,58 au, czyli pozostaje dalej od Słońca niż Ziemia. Później wykonuje gigantyczny łuk na zewnątrz i w aphelium dociera aż do około 12,38 au.
To właśnie po takim dalekim nawrocie sfotografowało ją Subaru. Co zabawne, obiekt od samego początku swojej historii miał problem z tożsamością. Gdy Grigorij Nieujmin odkrył go w 1913 r., początkowo zgłosił nowe ciało jako planetoidę, bo wyglądało punktowo. Dopiero kolejne obserwacje ujawniły kometarną naturę obiektu. 113 lat później naukowcy ponownie przyglądają się temu, jak bardzo powierzchnia 28P przypomina planetoidy.
Kolorem wygląda niemal jak planetoida
Subaru obserwował jądro przez filtry g, r i y. Różnica jasności pomiędzy poszczególnymi pasmami pozwala ustalić, jak powierzchnia odbija różne długości fal światła, a więc w uproszczeniu określić jej kolor. 28P okazała się czerwonawa. Badacze wyliczyli nachylenie widma na 8,8 ą 4,2 proc. na 100 nm. To wynik bardzo podobny do planetoid typu D oraz trojańczyków Jowisza.
D-type to jedne z najciemniejszych i najbardziej czerwonych planetoid Układu Słonecznego. Ich powierzchnie prawdopodobnie zawierają dużo złożonych związków organicznych i materiału silnie zmienionego przez miliardy lat oddziaływania przestrzeni kosmicznej. Granica pomiędzy planetoidą i kometą od dawna zresztą nie jest już tak czysta, jak może nam się wydawać. Niedawno na Spider’s Web opisywaliśmy 1998 SH2, który przez 27 lat uchodził za planetoidę, aż ekstremalnie słaba aktywność zdradziła jego kometarną naturę. 28P daje ciekawą sytuację odwrotną.
Wiemy, iż jest aktywną kometą. Kiedy jednak zdejmiemy z niej komę i przyjrzymy się samej powierzchni, pod względem koloru zaczyna bardzo przypominać niektóre planetoidy. Tyle iż kolor nie opowiada całej historii.
Przyjrzeli się, jak kometa jaśnieje dokładnie naprzeciwko Słońca
Najważniejszym wynikiem pracy jest tak naprawdę tzw. efekt opozycji. W marcu 2016 r. geometria obserwacji była niemal idealna. Kąt fazowy, czyli kąt Słońce-kometa-obserwator, wynosił podczas najlepszych zdjęć zaledwie około 0,334 st. Innymi słowy, z punktu widzenia komety Ziemia i Słońce znajdowały się prawie na tej samej linii.
W takich warunkach powierzchnie wielu małych ciał Układu Słonecznego robią się po prostu nagle jaśniejsze. Jedna przyczyna jest dość intuicyjna. Gdy światło pada i wraca niemal z dokładnie tego samego kierunku, drobiny znajdujące się na powierzchni przestają rzucać widoczne dla obserwatora cienie. To tzw. shadow hiding. Drugi mechanizm jest bardziej kwantowy i nosi nazwę coherent backscattering, czyli koherentnego wstecznego rozpraszania.
Fale światła mogą przebyć przez porowaty materiał dwie odwrócone względem siebie drogi, wielokrotnie rozpraszając się między ziarnami. Gdy obserwujemy obiekt niemal dokładnie od strony źródła światła, takie fale mogą konstruktywnie się wzmacniać. Efektem jest gwałtowny wzrost jasności tuż przy opozycji. A jego wielkość zdradza coś o mikroskopijnej strukturze powierzchni.
Kolor jak planetoida, powierzchnia już niekoniecznie
Naukowcy połączyli więc nowe obserwacje z wcześniejszymi pomiarami 28P wykonywanymi przy większych kątach fazowych i zbudowali funkcję opisującą zmianę jasności jądra. Wynik potwierdził wyraźny wzrost jasności przy bardzo małym kącie. Co ciekawsze, udział koherentnego rozpraszania wydaje się większy niż typowo obserwowany dla planetoid typu C i D.
I tutaj historia robi się naukowo znacznie ciekawsza, niż samo określenie, iż kometa weszła w kadr. Jej barwa wygląda podobnie jak powierzchnia ciemnych planetoid, ale sposób, w jaki odbija światło w skali mikroskopowej, sugeruje inną strukturę. Może chodzić o rozmiary ziaren, ich porowatość, sposób ułożenia albo adekwatności materiału znajdującego się w najbardziej zewnętrznej warstwie.
Autorzy nie twierdzą jeszcze, iż wiedzą, który mechanizm odpowiada za różnicę. Do tego potrzebne będą przede wszystkim obserwacje wykonane podczas jednego przejścia komety przez szeroki zakres kątów fazowych oraz pomiary polaryzacji światła. Obecny wynik mówi jednak coś bardzo ważnego. Kometa i planetoida mogą wyglądać podobnie pod względem prostego koloru, a mimo to ich powierzchnie w mikroskali mogą być zupełnie inaczej zbudowane.
W archiwach mogą czekać kolejne komety
Subaru nie został w 2016 r. skierowany na 28P. Nikt nie pisał specjalnego programu obserwacyjnego i nie rezerwował drogocennego czasu teleskopu na kometę. Obiekt znalazł się tam przypadkiem.
HSC-SSP objął około 1400 stopni kwadratowych nieba i sięgał do obiektów o jasności około 26 mag. To oznacza gigantyczną liczbę słabych punktów zarejestrowanych podczas kolejnych lat obserwacji. o ile znamy orbitę komety, można cofnąć ją matematycznie w czasie i sprawdzić, czy przypadkiem nie przecięła któregoś z tych pól. Dokładnie tak znaleziono 28P.
A astronomowie chcą teraz robić to systematycznie dla kolejnych obiektów. To wyjątkowo atrakcyjny sposób badania jąder komet, ponieważ najlepiej byłoby obserwować je właśnie daleko od Słońca, gdy nie mają komy. Tyle iż wtedy są ekstremalnie słabe i trudno uzasadnić poświęcanie wielu godzin największych teleskopów świata na szukanie ich na żywo. Archiwum rozwiązuje część problemu. Teleskop już wykonał zdjęcia. Czas obserwacyjny został wykorzystany i opłacony wiele lat temu. Teraz wystarczy wiedzieć, czego w tych danych szukać.
*Źródło grafiki wprowadzającej: NAOJ
