Týdeník věnovaný aktualitám a novinkám z fyziky a astronomie. Vydavatel: AGA (Aldebaran Group for Astrophysics) Číslo 24 – vyšlo 3. července, ročník 13 (2015) © Copyright Aldebaran Group for Astrophysics Publikování nebo šíření obsahu je zakázáno. ISSN: 1214-1674, Email: bulletin@aldebaran.cz

24/2015

Philae volat domů

Radek Beňo

Zprávy z mise Rosetta, provozované Evropskou kosmickou agenturouESA – European Space Agency, Evropská kosmická agentura. ESA spojuje úsilí 18 evropských zemí na poli kosmického výzkumu. Centrální sídlo je v Paříži, pobočky jsou v mnoha členských zemích. ESA byla založena v roce 1964 jako přímý následovník organizací ESRO a ELDO. Nejznámější nosnou raketou využívanou ESA je Ariane. Česká republika vstoupila do ESA v listopadu 2008., se staly již pravidelnou součástí Aldebaran Bulletinů – plánování a start naleznete v čísle AB 20/2003, dosažení oběžné dráhy komety 67P/Čurjumov-Gerasimenko (dále jen 67P/C-G) v AB 29/2014, úspěšné přistání modulu Philae na kometěKometa – těleso malých rozměrů obíhající kolem Slunce většinou po protažené eliptické dráze s periodou od několika let po tisíce roků. Při přiblížení ke Slunci se vypařuje část materiálu jádra a kometa vytváří komu a eventuálně ohon. Jde o pozůstatky materiálu z doby tvorby sluneční soustavy. Dnes se nacházejí v Oortově oblaku za hranicemi sluneční soustavy, ve vzdálenosti 20 000÷100 000 au. Některé komety pocházejí i z bližšího Kuiperova pásu. v AB 37/2014 a detailní popis jeho přístrojového vybavení v AB 06/2015. Osud tohoto malého hrdiny se ovšem zdál být již zpečetěn. Po zdařilém, avšak nepříliš šťastném přistání na jádru komety 67P/C-G, provedl Philae sadu vědeckých experimentů napájen bateriemi s životností přibližně 60 hodin. Po uplynutí této doby nebylo sluneční záření natolik intenzivní, aby mohlo zásobit solární panely modulu takovou energií, která by stačila na jeho další činnost. Dne 15. listopadu 2014 v 00:36 UTUT – světový čas, Universal Time. Čas je dnes měřen podle standardu UTC (Universal Time Coordinated) a je totožný s pásmovým časem na Greenwichském poledníku. Do roku 1928 se označoval zkratkou GMT (Greenwich Mean Time), v té době byl odvozen od střední doby oběhu Země kolem Slunce. se Philae, ukrytý ve stínu komety, nadobro odmlčel.

Mise Rosetta, umělecká vize ESA.

ESA – European Space Agency, Evropská kosmická agentura. ESA spojuje úsilí 18 evropských zemí na poli kosmického výzkumu. Centrální sídlo je v Paříži, pobočky jsou v mnoha členských zemích. ESA byla založena v roce 1964 jako přímý následovník organizací ESRO a ELDO. Nejznámější nosnou raketou využívanou ESA je Ariane. Česká republika vstoupila do ESA v listopadu 2008. Rosetta – sonda ESA vypuštěná 2. března 2004, která byla jako první navedena na oběžnou dráhu kolem jádra komety (67P/Čurjumov–Gerasimenko dne 6. srpna 2014). Dále uskutečnila průlet kolem planetek 2867 Steins (5. září 2008) a 21 Lutetia (10. července 2010); řízené přistání na jádru komety (modul Philae, 12. listopadu 2014). Během cesty ke kometě se podílela na projektu Deep Impact při pozorování komety 9P/Tempel 1 a projektu New Horizons při pozorování Jupiteru a plazmového toru měsíce Io. Sonda spolu s kometou prošla perihéliem 13. srpna 2015. Mise byla několikrát prodloužena a definitivně byla ukončena dne 30. září 2016 řízeným pádem na povrch komety. Philae – robotický přistávací modul ESA, který 12. listopadu 2014 jako první provedl řízené přistání na povrch komety. Ke kometě 67P/Čurjumov-Gerasimenko byl dopraven na sondě Rosetta. Přistávací manévr se nerealizoval podle plánu a výsledná poloha po dvou odpoutáních od povrchu komety je zhruba kilometr od vybrané lokality v poloze na boku a ve stínu terénní nerovnosti. Po vyčerpání energie primárních baterií byl modul v listopadu 2014 hibernován. Po přiblížení ke Slunci se baterie dobily a modul se ze spánku probudil v červnu 2015. Kometa – těleso malých rozměrů obíhající kolem Slunce většinou po protažené eliptické dráze s periodou od několika let po tisíce roků. Při přiblížení ke Slunci se vypařuje část materiálu jádra a kometa vytváří komu a eventuálně ohon. Jde o pozůstatky materiálu z doby tvorby sluneční soustavy. Dnes se nacházejí v Oortově oblaku za hranicemi sluneční soustavy, ve vzdálenosti 20 000÷100 000 au. Některé komety pocházejí i z bližšího Kuiperova pásu.

I když se optimistické odhady trefovaly do data možného obživnutí modulu PhilaePhilae – robotický přistávací modul ESA, který 12. listopadu 2014 jako první provedl řízené přistání na povrch komety. Ke kometě 67P/Čurjumov-Gerasimenko byl dopraven na sondě Rosetta. Přistávací manévr se nerealizoval podle plánu a výsledná poloha po dvou odpoutáních od povrchu komety je zhruba kilometr od vybrané lokality v poloze na boku a ve stínu terénní nerovnosti. Po vyčerpání energie primárních baterií byl modul v listopadu 2014 hibernován. Po přiblížení ke Slunci se baterie dobily a modul se ze spánku probudil v červnu 2015. někdy kolem března tohoto roku, nakonec trvalo celkem 211 dní (13. června 2015), než bylo znovu navázáno spojení mezi modulem a sondou. Vše bylo zapříčiněno přiblížením komety blíže ke Slunci. Z celkem dvanáctihodinové doby rotace komety dopadá na modul světlo pouze hodinu a půl a až nyní mohly jeho solární panely i za tak krátkou dobu dodat dostatečné množství energie. Během 85 sekund vysílání mezi modulem a sondou bylo odesláno a přijato přibližně 300 paketů (663 kbitbit – základní jednotka klasické informace, která nabývá dvou hodnot (ano/ne), (0/1), (pravda/nepravda) atd. Násobnou jednotkou je kilobit označující 2¹⁰ = 1024 možností. Termín zavedl Claude Elwood Shanon coby zkratku anglického termínu binary digit. Fyzikální realizace bitu si žádá systém se dvěma dobře definovanými stavy – například logický obvod bez napětí a s napětím.) historických dat týkajících se především telemetrie modulu. Ty pak sonda předala operačnímu středisku ESAESA – European Space Agency, Evropská kosmická agentura. ESA spojuje úsilí 18 evropských zemí na poli kosmického výzkumu. Centrální sídlo je v Paříži, pobočky jsou v mnoha členských zemích. ESA byla založena v roce 1964 jako přímý následovník organizací ESRO a ELDO. Nejznámější nosnou raketou využívanou ESA je Ariane. Česká republika vstoupila do ESA v listopadu 2008. v Darmstadtu. To, že se jednalo o stará data, však naznačovalo, že se Philae probudil z hibernovaného stavu dříve, avšak nebyl schopen uskutečnit komunikaci se sondou Rosetta. Při dalším spojení bylo zjištěno, že se v paměti modulu nachází dalších 8 000 datových paketů z poslední doby. K dalšímu kontaktu mezi sondou a modulem došlo 19. června 2015 a přenesená data byla přijata na Zemi v 15:37 a 15:54 UTUT – světový čas, Universal Time. Čas je dnes měřen podle standardu UTC (Universal Time Coordinated) a je totožný s pásmovým časem na Greenwichském poledníku. Do roku 1928 se označoval zkratkou GMT (Greenwich Mean Time), v té době byl odvozen od střední doby oběhu Země kolem Slunce.. Oba dva datové balíčky se svým obsahem věnovaly především současnému stavu modulu. Při operační teplotě −35 °C a s dodávkou energie 24 W je Philae nyní schopen spustit diagnostiku a připravit se na obnovení provozu. Philae bude tedy schopen plnit další příkazy ESA, které povedou, vzhledem k tomu, že se kometa blíží k perihéliu, k tomu nejzajímavějšímu, co může celá mise Rosetta poskytnout.

Tweet sondy Rosetta prozrazuje, že se Philae probudil z dlouhého „zimního“ spánku.
Zdroj: ESA.

Alice nezahálela

Mezitím, co modul Philae tvrdě spal na povrchu komety, sonda Rosetta rozhodně nezahálela. Především její spektrometr ALICE, který vyrobil Southwest Research InstituteSwRI – Southwest Research Institute, komplex vědeckých ústavů ve Spojených státech, který byl založen v roce 1947. Jde o jeden z nejstarších nevýdělečných ústavů v USA. Téměř 2 800 zaměstnanců provádí výzkum v řadě oblastí (od aplikované fyziky, přes chemii, inženýrství, až po kosmické lety). Ředitelství se nachází v texaském San Antoniu, roční obrat byl v roce 2014 přes půl miliardy dolarů. a který pracuje v extrémním a vzdáleném ultrafialovém oboru (70÷205 nm), již od loňského srpna zaznamenával a analyzoval složení komyKoma – plynný obal jádra komety, vzniká při přiblížení komety ke Slunci. Koma může mít rozměry stovek až tisíců kilometrů. („atmosféry“ komety). ALICE je první spektrograf, který byl použit k přímému pozorování komety. Má za úkol především hledat a analyzovat vzácné plyny v jádře komety, ze kterých bude následně odhadnuta teplota během vzniku komety. Detekce se provádí pomocí bromidu draselného a jodidu cesia. Od loňského srpna učinil spektrograf ALICE jeden z nejvýznamnějších ale také jeden z velmi nečekaných objevů mise Rosetta – za rychlý rozpad molekul vody a oxidu uhličitého v blízkosti povrchu jádra komety jsou odpovědné elektronyElektron – první objevená elementární částice. Je stabilní. Hmotnost má 9,1×10⁻³¹ kg a elektrický náboj 1,6×10⁻¹⁹ C. Elektron objevil sir Joseph John Thomson v roce 1897. Existenci antičástice k elektronu (pozitron) teoreticky předpověděl Paul Dirac v roce 1928 a objevil Carl Anderson v roce 1932. a ne fotonyFoton – základní kvantum energie elektromagnetického záření, polní částice elektromagnetické interakce. Má nulovou klidovou hmotnost a nemá elektrický náboj. Jeho energie a hybnost jsou přímo úměrné frekvenci záření (E = ħω, p = E/c). Stav fotonu zahrnuje také polarizaci, protože jde o příčné vlnění. Kvantování energie poprvé zavedl Max Planck při pokusech o vysvětlení záření černého tělesa. Albert Einstein dal těmto kvantům reálný význam v roce 1905 při vysvětlení fotoelektrického jevu. Samotný název foton poprvé pro tuto částici použil až americký fyzikální chemik Gilbert Lewis v dopise časopisu Nature z roku 1926., jak se vědci domnívali doposud. Navíc jde o dvoustupňový proces.

Hodně vody a oxidu uhličitého v koměKoma – plynný obal jádra komety, vzniká při přiblížení komety ke Slunci. Koma může mít rozměry stovek až tisíců kilometrů. pochází z erupcí z jádra komety. Molekuly jsou pak přibližně ve výšce jednoho kilometru nad povrchem jádra komety ionizovány ultrafialovými slunečními fotony, které z molekul vyrazí elektrony a přetvoří je tak na kationty. Rychlé elektrony pak dále způsobí rozpad molekul vody a oxidu uhličitého na atomy vodíkuVodík – Hydrogenium, je nejlehčí a nejjednodušší plynný chemický prvek, tvořící převážnou část hmoty ve vesmíru. Má široké praktické využití jako zdroj energie, redukční činidlo při chemické syntéze a v metalurgii nebo jako náplň balonů a vzducholodí. Vodík objevil roku 1766 Henry Cavendish., kyslíkuKyslík – Oxygenium, plynný chemický prvek, tvoří druhou hlavní složku zemské atmosféry. Je biogenním prvkem a jeho přítomnost je nezbytná pro existenci většiny živých organizmů na naší planetě. V atmosféře tvoří plynný kyslík 21 objemových %. Kromě obvyklých dvouatomových molekul O₂ se kyslík vyskytuje i ve formě tříatomové molekuly jako ozon O₃. Produkty hoření se nazývají oxidy, dříve kysličníky. Kyslík je třetím nejhojnějším prvkem ve vesmíru. a uhlíkuUhlík – Carboneum, chemický prvek, tvořící základní stavební kámen všech organismů. Sloučeniny uhlíku jsou jedním ze základů světové energetiky, kde především fosilní paliva jako zemní plyn a uhlí slouží jako energetický zdroj pro výrobu elektřiny a vytápění, produkty zpracování ropy jsou nezbytné pro pohon spalovacích motorů a silniční dopravu. Výrobky chemického průmyslu na bázi uhlíku jsou součástí našeho každodenního života ať jde o plastické hmoty, umělá vlákna, nátěrové hmoty, léčiva a mnoho dalších. a jednoduchých molekul oxidu uhelnatého, jejichž ultrafialové záření je pak zaznamenáváno právě spektrografem ALICE.

Zajímavostí je, že tyto procesy již byly v naší sluneční soustavě pozorovány – výtrysky z jádra komety jsou velmi podobné těm, které byly pomocí Hubblova vesmírného dalekohleduHST (Hubble Space Telescope) – Hubblův vesmírný dalekohled. Největší dalekohled na oběžné dráze kolem Země, kde byl v roce 1990 umístěn do výšky 614 km. Průměr primárního zrcadla je 2,4 m. Z hlediska kosmologie je zajímavý HST Key Project (klíčový projekt HST), který v roce 1999 posloužil k prvnímu přesnému určení Hubbleovy konstanty. V lednu 2004 NASA zrušila servisní mise k tomuto unikátnímu přístroji, nicméně v roce 2006 bylo rozhodnuto o poslední servisní misi, která měla proběhnout v roce 2008. Mise byla kvůli závadě na dalekohledu odložena a uskutečnila se v květnu 2009.  pozorovány na Europě – měsíci Jupiteru. I zde probíhá rychlý rozpad molekul vody a oxidu uhličitého pomocí elektronů, ty však pocházejí z magnetosféry Jupiteru.

Názorné vysvětlení procesu rychlého rozpadu molekul vody a oxidu uličitého
v komě komety. Zdroj: ESA

Led na kometě

Z moudrých knih o vesmíru jistě každý zná, že komety jsou tvořeny především kamením a ledem, který uvolňuje molekuly vody působením slunečního záření při přiblížení komety ke SlunciSlunce – nám nejbližší hvězda, tzv. hvězda hlavní posloupnosti, která se nachází ve vzdálenosti 149,6×10⁶ km od Země. Jde o žhavou plazmatickou kouli s průměrem 1,392×10⁶ km, teplotou na povrchu 5 780 K, teplotou v centru přibližně 15×10⁶ K a zářivým výkonem 3,846×10²⁶ W. Zdrojem energie je jaderná syntéza, při které se za každou sekundu sloučí v jádru Slunce 700 milionů tun vodíku na hélium.. Vlivem slunečního záření je pak vytvořen ohon komety směřující od Slunce (pokud je tvořen menšími částečkami, u velkých převládne gravitace). Objevení ledu na kometě by tedy nemělo být nic nového ani výjimečného. Podivné bylo pouze to, že všechny komety pozorované při blízkých průletech sond byly šedivého zbarvení.

A pak začal současné učebnice astronomie pozvolna upravovat Osiris – kamerový systém sondy Rosetta s úzkým (f = 700 mm) a širokoúhlým (f = 140 mm) objektivem. Jeho CCDCCD – Charge Coupled Device, zařízení s nábojovou vazbou, umožňuje převést paralelní analogový signál (elektrický náboj kumulovaný v potenciálových jámách) na sériový signál, daný časovou posloupností proudových pulzů úměrných kumulovanému náboji. Při serializaci paralelní informace CCD funguje jako posuvný registr, který umožňuje postupné posouvání náboje změnou potenciálového profilu řízenou hodinovým signálem. (Přesun náboje si lze přestavit podobně jako řetěz lidí předávajících si při požáru na povel různě naplněná vědra s vodou. S každým povelem se konkrétní vědro posune o krok blíže k požáru. Časový průběh proudu vody vylitého do ohně odráží prostorové rozložení objemů vody ve vědrech.) Potenciálové jámy mohou být umístěny vedle sebe pouze v jediné řadě (lineární CCD) nebo ve více řadách (plošné CCD). Nejznámějšími CCD jsou fotoelektrické snímače, kdy se rozložení náboje vytváří vnitřním fotoefektem. Mohou však sloužit i jako paměťové prvky (například jako odkládací paměť pro výše zmíněné fotoelektrické snímače). V zobrazovacích zařízeních jsou nejmenší rozměry jednoho CCD pixelu 9×9 mikrometrů a plošné senzory jsou tvořeny maticí velkou až 5120×5120 pixelů. Chlazené CCD senzory pracují se šumem odpovídajícím 4 až 7 elektronům. (Údaje z roku 2008.) čip má rozlišení 2048×2048 pixelů. Za soustavného fotografování povrchu jádra komety se mu podařilo v září 2014 identifikovat celkem 120 přibližně 1 m² velkých skvrn, jejichž jas byl desetkrát větší než průměrný jas okolí. Šlo povětšinou o skvrny ukryté v oblastech, kam minimálně dopadá sluneční záření, nebo o balvanům podobné útvary, které se patrně oddělily od jádra komety, ale jejich úniková rychlost nebyla natolik dostačující, aby ho opustily. Navíc jejich modré zabarvení napovídalo, že se skutečně jedná o odhalený led. Tyto útvary byly soustavně pozorovány déle než měsíc a během této doby u nich nedošlo k žádným změnám, což může být zapříčiněno především velkou vzdáleností komety od perihéliaPerihelium – přísluní, bod na eliptické dráze kolem Slunce, který je Slunci nejblíže. Obdobně perigeum je stejný bod na orbitě kolem Země a periluna na orbitě kolem Měsíce. – rychlost sublimace vodního ledu byla v této vzdálenosti menší než 1 mm za hodinu. Dá se tedy očekávat, že při přibližování se perihéliu bude aktivita na povrchu komety stále silnější a bude docházet k postupnému exponování dalších oblastí ledu.

Již zmíněný šedý povrch komety se vědcům podařilo vysvětlit přítomností prachové vrstvy složené především z minerálních a organických látek. Tato vrstva však nemusí být nijak silná. Tým Antoine Pommerola z univerzity v Bernu, jež je hlavním autorem studie uveřejněné v časopise Astronomy & Astrophysics, která se zabývá výzkumem ledu na kometě 67P/C-G, taktéž provedl řadu laboratorních pokusů, kde byl led smíšený s různými minerály vystaven adekvátnímu slunečnímu osvětlení. Po několika hodinách sublimace se na povrchu ledu vytvořila několik milimetrů silná vrstvička, která ale dokonale ukryla pod ní přítomný led před jakýmkoliv optickým přístrojem. Pozorovaná šedá vrstva tak může být pouhou slupkou jádra komety, pod kterou se ukrývají velká ložiska ledu.

Led na kometě 67P/Čurjumov-Gerasimenko. Obrázky byly pořízeny sondou
Rosetta v září 2014 ze vzdáleností 10÷80 km od jádra. Zdroj: ESA.

Závěr

O sondě Rosetta a jejím malém pomocníkovi, modulu Philae, jistě neslyšíme naposledy. Spolu s kometou 67P/C-G jsou nyní přibližně ve vzdálenosti 1,34 au (cca 200 milionů km) od Slunce a v nejbližší době se přiblíží perihéliu (1,2458 auAU – astronomická jednotka (Astronomical Unit), původně střední vzdálenost Země od Slunce, v roce 2012 ji IAU definovala jako 149 597 870 700 m přesně a změnila zkratku z AU na au. Astronomická jednotka se používá především pro určování vzdáleností ve sluneční soustavě, pro přibližné odhady postačí hodnota 150 milionů kilometrů. = 186 milionů km), což bude vyvrcholení celé mise Rosetta. Ta byla dne 23. června 2015 oproti předpokládanému ukončení, které bylo plánované na konec prosince roku 2015, prodloužena až do září 2016. Aktuální polohu komety 67P/C-G a sondy Rosetta lze sledovat na stránkách Live Comet Data.

Odkazy