Týdeník věnovaný aktualitám a novinkám z fyziky a astronomie. Vydavatel: AGA (Aldebaran Group for Astrophysics) Číslo 50 – vyšlo 25. prosince, ročník 18 (2020) © Copyright Aldebaran Group for Astrophysics Publikování nebo šíření obsahu je zakázáno. ISSN: 1214-1674, Email: bulletin@aldebaran.cz

50/2020

Polární záře na kometě

Petr Kulhánek

Polární záře byly pozorovány na nejrůznějších tělesech Sluneční soustavy. Především na planetách, ale i na měsících a kometách. Ne každý světelný úkaz v atmosféře tělesa lze ale považovat za auroru (polární záři). O polárních zářích hovoříme tehdy, pokud nejde o lokální jev, ale světelný úkaz je vyprovokován tokem částic slunečního větruSluneční vítr – proud nabitých částic ze Slunce, které zaplavují celou Sluneční soustavu. Zejména jde o protony, elektrony a alfa částice (jádra hélia). Typická rychlost částic u Země je kolem 500 km/s (rychlost zvuku v tomto prostředí je 50 km/s), teplota 3 eV (30 000 K) a koncentrace několik protonů v cm³. Částice vylétávající podél otevřených siločar mají vyšší rychlost (přibližně 750 km/s) a nazýváme je rychlý sluneční vítr. Sluneční vítr objevil anglický astronom Richard Carrington v roce 1859, kdy bylo za půl dne po slunečním vzplanutí narušeno magnetické pole Země. Pojmenování sluneční vítr pochází od amerického astronoma Eugena Parkera.. Název polární záře je příhodný na naší Zemi, kde k úkazu dochází v polárních oblastech. U ostatních těles je asi vhodnější termín aurora, neboť světelné úkazy nemusí souviset s magnetickými póly tělesa, většina komet dokonce ani magnetické pole nemá. Sonda RosettaRosetta – 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., která v letech 2014 až 2016 operovala v blízkosti komety 67P Čurjumov-Gerasimenko (pravidelně jsme o ní referovali), pořídila obrovské množství dat, jejichž zpracování probíhá dodnes. Skupina osmnácti vědců z Anglie, Francie, Spojených států, Itálie, Švédska a Švýcarska analyzovala na sklonku roku 2020 dvě události, které jsou prokazatelně aurorami vyvolanými energetickými elektrony slunečního větru. Zajímavý je nejen mechanizmus vzniku záře, ale i fakt, že jedna ze spektrálních čar může být velmi dobrým indikátorem množství elektronů ve slunečním větru.

Záběr jádra komety 67P / Čurjumov-Gerasimenko pořízený kamerou NavCam
na sondě Rosetta dne 31. ledna 2015. Zdroj: ESA/Rosetta.

Polární záře – nepravidelné, proměnlivé elektromagnetické záření vytvářené v atmosféře tokem nabitých částic z okolního prostoru. Energetické částice pronikají do hlubších vrstev atmosféry, kde excitují neutrální molekuly. Typickým zdrojem nabitých částic z vnějšího prostředí je sluneční vítr. Na Zemi se polární záře typicky vytvářejí v polárních oblastech, kde podél uzavřených siločar vlastního magnetického pole planety pronikají do atmosféry nabité částice. U planet bez vlastního magnetického se polární záře vyskytují také, avšak navzdory svému názvu již nejsou vázány na polární oblasti, protože tyto planety žádné magnetické póly nemají. 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. Koma – plynný obal jádra komety, vzniká při přiblížení komety ke Slunci. Koma může mít rozměry stovek až tisíců kilometrů. Sluneční vítr – proud nabitých částic ze Slunce, které zaplavují celou Sluneční soustavu. Zejména jde o protony, elektrony a alfa částice (jádra hélia). Typická rychlost částic u Země je kolem 500 km/s (rychlost zvuku v tomto prostředí je 50 km/s), teplota 3 eV (30 000 K) a koncentrace několik protonů v cm3. Částice vylétávající podél otevřených siločar mají vyšší rychlost (přibližně 750 km/s) a nazýváme je rychlý sluneční vítr. Sluneční vítr objevil anglický astronom Richard Carrington v roce 1859, kdy bylo za půl dne po slunečním vzplanutí narušeno magnetické pole Země. Pojmenování sluneční vítr pochází od amerického astronoma Eugena Parkera. 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.

Mechanizmus vzniku polární záře

Polární záře mají nejrůznější mechanizmy. Na Zemi pronikají elektrony slunečního větruSluneční vítr – proud nabitých částic ze Slunce, které zaplavují celou Sluneční soustavu. Zejména jde o protony, elektrony a alfa částice (jádra hélia). Typická rychlost částic u Země je kolem 500 km/s (rychlost zvuku v tomto prostředí je 50 km/s), teplota 3 eV (30 000 K) a koncentrace několik protonů v cm³. Částice vylétávající podél otevřených siločar mají vyšší rychlost (přibližně 750 km/s) a nazýváme je rychlý sluneční vítr. Sluneční vítr objevil anglický astronom Richard Carrington v roce 1859, kdy bylo za půl dne po slunečním vzplanutí narušeno magnetické pole Země. Pojmenování sluneční vítr pochází od amerického astronoma Eugena Parkera. polárními oblastmi magnetosféryMagnetosféra – oblast magnetického vlivu planety nebo jiného nebeského tělesa. U naší Země je dipólové magnetické pole vytvářeno v jádru elektrickými proudy o řádové hodnotě 10⁹ A. Toto pole je deformováno interakcí se slunečním větrem do charakteristického tvaru – magnetosféry Země. Magnetosféry planet jsou přirozeným ochranným štítem před nabitými částicemi slunečního větru. do horních vrstev atmosféry, kde excitují kyslík, vodík a dusík, a tyto excitované atomy či molekuly následně září. Na MarsuMars – rudá planeta se dvěma malými měsíci, Phobosem a Deimosem, je v pořadí čtvrtým tělesem sluneční soustavy. Povrch planety je pokryt načervenalým pískem a prachem. Barva je způsobena vysokým obsahem železa. Načervenalá barva celé planety jí dala jméno (Mars je bůh válek). Na povrchu se nacházejí obrovské sopky, z nichž ta největší, Olympus Mons, je 24 km vysoká a její základna je 550 km široká. Na vrcholu je kráter o průměru 72 km. Pro Mars jsou charakteristické systémy kaňonů vzniklé pohybem kůry. Snímky ze sond ukazují místa, kudy dříve tekla voda. Zdá se, že Mars byl dříve vlhčí a teplejší, než je dnes. Rozpětí teplot, které na Marsu panují (zima ne větší než v Antarktidě) by bylo snesitelné pro některé primitivní formy života žijící na Zemi. Jejich existence se však dosud nepotvrdila. jde o energetické protony slunečního větru, které si „ukradnou“ elektron z vodíku řídké atmosféry (tzv. nábojová výměna), aby jako neutrální částice pronikly ionizovanou částí atmosféry. Poté excitují prostředí a dají vzniknout tzv. protonovým zářím (viz AB 30/2018). U kometKometa – 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. je celá řada lokálních mechanizmů, které vedou k emisím elektromagnetického signálu, ty ale nepovažujeme za polární záře. Ultrafialové záření ze Slunce je schopné disociovat některé molekuly (nejčastěji vodní) a excitovaný vodík a kyslík následně září ve vzdálené ultrafialové oblasti: neutrální vodík na Lymanově beta čáře (102,6 nm) a neutrální kyslík na čáře 130,4 nm. Je otázkou, zda tyto elektromagnetické emise řadit k aurorám. Na jedné straně jsou způsobeny vlivem vnějšího prostředí (fotony ze Slunce), na straně druhé nejde ale o sluneční vítr. Energetické elektrony slunečního větru (s minimální energií 14 až 17 eVElektronvolt – jednotka energie. Jde o energii, kterou získá elektron urychlením v potenciálovém rozdílu jeden volt, 1 eV = 1,6×10⁻¹⁹ J. V jaderné fyzice se používají spíše větší násobky této jednotky, kiloelektronvolt keV (10³ eV), megaelektronvolt MeV (10⁶ eV), gigaelektronvolt GeV (10⁹ eV), teraelektronvolt TeV (10¹² eV) nebo petaelektronvolt PeV (10¹⁵ eV). V těchto jednotkách se také vyjadřuje hmotnost (E=mc²) a teplota (E=k_BT). Jeden elektronvolt odpovídá teplotě přibližně 11 600 K.) jsou také schopné disociovat vodní molekuly. Výsledkem je opět excitovaný neutrální vodík a kyslík. Vodík, stejně jako v předchozím případě, září na Lymanově beta čáře s vlnovou délkou 102,6 nm. Excitovaný neutrální kyslík ale nyní září i na „zakázané“ čáře s vlnovou délkou 135,6 nm. Ta se u excitace fotony nevyskytuje z důvodu nezachování spinu. Emise způsobené elektrony slunečního větru jsou „polárními zářemi“ v původním smyslu definice těchto úkazů – jde o elektromagnetické emise způsobené částicemi slunečního větru.

Mechanizmus vzniku polárních září na kometách způsobený disociací vodních
molekul energetickými elektrony slunečního větru. Zdroj: autor/[1].

Výsledky měření Rosetty

Sonda RosettaRosetta – 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. Evropské kosmické agenturyESA – 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. zkoumala velmi podrobně kometu 67P Čurjumov-Gerasimenko a její přistávací modul Philae dokonce na kometě přistál. Sonda byla vybavena velkým množstvím přístrojů schopných detekovat veškeré fáze vzniku polárních září na kometě 67P. Elektronový spektrometr RPC (Rosetta Plasma Consortium) detekoval energetické spektrum elektronů přilétajících ze Slunce. Přítomnost vodních molekul, které v blízkosti Slunce vytvářejí kolem jádra komety typickou komuKoma – plynný obal jádra komety, vzniká při přiblížení komety ke Slunci. Koma může mít rozměry stovek až tisíců kilometrů., byla detekována hned třemi přístroji. Přímo lokálně v místě sondy Rosetta vodní molekuly zachytával molekulární spektrometr ROSINA (Rosetta Orbiter Spectrometer for Ion and Neutral Analysis). Vzdáleně byly schopny vodní molekuly detekovat mikrovlnný přístroj MIRO (Microwave Instrument for the Rosetta Orbiter) a vizuální a infračervený spektrometr VIRTIS (Visisble and InfraRed Thermal Imagining Spectrometer). Vlastní aurorální emise ve vzdálené ultrafialové oblasti byly doménou UV spektrografu Alice (pojmenovaného podle postavy z amerického televizního seriálu The Honeymooners).

Přímá měření aurorálních emisí byla doplněna numerickými simulacemi disociace vodních molekul a následné atomární emise excitovaných atomů. Jako vstupní data numerické simulace posloužila energetická spektra přítomných elektronů slunečního větru, která měřil elektronový spektrometr RPC. Data z numerických simulací jsou ve velmi dobrém souladu s měřenými emisemi, což poukazuje na to, že mechanizmus vzniku polárních září je dobře chápán. Ověřování probíhalo na vybraných datech ze dvou dvoudenních úseků z října 2014. Výsledky simulací i pozorování naleznete v následujícím obrázku.

Porovnání měření se simulacemi ve dvou vybraných intervalech. Zdroj: [1].

Závěr

Opět se ukázalo, že současná vědecká zařízení chrlí velké množství dat, z nichž většina zůstane nezpracována. Jen malá část naměřených dat projde skutečnou vědeckou analýzou, a to mnohdy i řadu let po jejich zaznamenání. Sonda Rosetta potvrdila jeden z důležitých mechanizmů vzniku polárních září na kometách – disociaci vodních molekul energetickými elektrony slunečního větru a následnou emisi excitovaného vodíku a kyslíku ve vzdálené ultrafialové oblasti. Nejde ale jen o polární záře samotné. Kyslíková čára s vlnovou délkou 135,6 nanometru je důležitým indikátorem přítomnosti energetických elektronů slunečního větru a mohla by v budoucnu posloužit ke vzdálenému měření koncentrace elektronů slunečního větru v blízkosti aktivních komet.

Rosetta, pod ní přistávací modul Philae a kometa Čurjumov-Gerasimenko.
Zdroj: Evropská kosmická agentura.

Odkazy