Астрономы обнаружили комету 28P/Неймина на архивных снимках, полученных японским телескопом Subaru совершенно для другой научной задачи. Неожиданная находка оказалась особенно ценной: объект находился более чем в 10 астрономических единицах от Солнца и практически не проявлял кометной активности. Поэтому на изображениях удалось увидеть свет, отражённый непосредственно от ядра кометы, без заметного влияния окружающей газопылевой комы.
Для исследования комет это редкая возможность. Когда комета приближается к Солнцу, нагрев заставляет льды на её поверхности переходить непосредственно в газ. Вырывающийся газ уносит с собой пыль и формирует кому — окружающее ядро облако. Чем активнее комета, тем сложнее по её наблюдаемому свету определить свойства непосредственно поверхности ядра.
В случае 28P/Неймина ситуация оказалась противоположной. На большом расстоянии от Солнца её активность настолько слаба, что ядро выглядит практически как точечный объект. Анализ его отражательной способности позволил исследовать необычное усиление яркости около противостояния и сравнить свойства поверхности кометы с астероидами. Результат показал интересное сочетание: по цвету поверхность 28P напоминает астероиды типа D, но характер её поведения при наблюдении почти со стороны Солнца указывает на отличия в микроструктуре поверхности.
Почему комету без комы так трудно увидеть
Обычный образ кометы связан прежде всего с комой и хвостом. Однако эти структуры являются не самой кометой, а результатом воздействия солнечного излучения на её ядро. Твёрдое ядро представляет собой сравнительно небольшое тело, состоящее из смеси летучих веществ и пылевого материала. Именно оно является исходным объектом, вокруг которого при приближении к Солнцу развивается кометная активность.
Когда поверхность нагревается, содержащиеся в ней льды начинают сублимировать. Выделяющийся газ создаёт вокруг ядра кому, а пылевые частицы, вынесенные наружу, могут формировать протяжённые структуры. В результате наблюдаемое издалека изображение начинает определяться уже не только поверхностью ядра.
Для исследователя это серьёзная проблема. Свет от комы добавляется к свету ядра, а пыль и газ могут полностью скрыть слабые особенности поверхности. Поэтому непосредственное изучение ядра наиболее удобно тогда, когда комета находится далеко от Солнца и практически неактивна.
Большое расстояние одновременно помогает и мешает
Удалённая комета имеет важное преимущество: её поверхность практически не закрыта комой. Но возникает другая проблема — объект становится чрезвычайно слабым. Солнце освещает ядро гораздо слабее, чем при нахождении во внутренней части Солнечной системы, а до Земли отражённый свет проходит огромное расстояние.
Поэтому для такого наблюдения требуется телескоп с большим главным зеркалом и чувствительной камерой. Subaru обладает главным зеркалом диаметром 8,2 метра, что позволяет собирать достаточно света даже от очень слабых удалённых объектов. Кроме того, установленная на телескопе камера Hyper Suprime-Cam имеет широкое поле зрения, что оказалось особенно важным для случайного обнаружения кометы.
Как 28P/Неймина оказалась на снимках, предназначенных для других целей
Открытие стало результатом анализа архива уже выполненных наблюдений. Hyper Suprime-Cam использовалась для масштабного обзора неба, а полученные изображения охватывают большие участки небесной сферы. Основная научная задача этих наблюдений не была связана непосредственно с кометой 28P/Неймина.
Однако на широкоугольных снимках могут случайно оказываться объекты Солнечной системы. Если объект достаточно слабый, он способен остаться незамеченным при первоначальном анализе, особенно если наблюдение проводилось для исследования далёких галактик или других источников.
Исследовательская группа решила систематически искать такие случайные попадания известных малых тел Солнечной системы в архивных данных Subaru. В результате в данных публичного релиза HSC-SSP была найдена комета 28P/Неймина. Архив оказался полезен не только для первоначальных задач наблюдений, но и для нового исследования, проведённого спустя годы после получения изображений.
Почему широкое поле зрения Subaru сыграло важную роль
Поле зрения Hyper Suprime-Cam имеет диаметр около 1,5 градуса. Это примерно соответствует площади девяти полных лунных дисков на небе. Для поиска случайно попавших объектов такая характеристика особенно полезна: за одну экспозицию камера охватывает значительную область небесной сферы.
В архиве HSC-SSP использовались наблюдения, покрывающие около 1400 квадратных градусов неба. Глубина обзора достигала примерно 26-й звёздной величины в зависимости от фильтра. Большая площадь и высокая чувствительность создали условия, при которых слабая удалённая комета могла оказаться среди объектов, попавших на изображения по случайности.
Таким образом, «фотобомбирование» в данном случае не означает, что комету специально фотографировали. Она оказалась в кадре во время наблюдения другого участка неба, а уже последующий анализ архива превратил случайное присутствие объекта в полноценное научное наблюдение.
Комета оказалась дальше Сатурна
Особая ценность обнаружения связана с расстоянием до Солнца. Во время наблюдений 28P/Неймина находилась более чем в 10 астрономических единицах от Солнца. Астрономическая единица примерно соответствует среднему расстоянию между Землёй и Солнцем. Для сравнения, среднее расстояние Сатурна от Солнца составляет около 9,5 астрономической единицы.
Следовательно, комета наблюдалась дальше среднего расстояния орбиты Сатурна. Более того, в момент одного из наблюдений расстояние до Солнца составляло около 10,51 астрономической единицы, а до Земли — около 9,52 астрономической единицы. Именно такое удаление от Солнца существенно снижает активность поверхности.
28P/Неймина — короткопериодическая комета семейства Юпитера. Она обращается вокруг Солнца примерно за 18,4 года. Её орбита имеет эксцентриситет около 0,774, а максимальное расстояние от Солнца достигает примерно 12,38 астрономической единицы.
Наблюдения пришлись на район афелия
Исследования проводились после прохождения кометой афелия — наиболее удалённой от Солнца точки её орбиты. 12 февраля 2016 года расстояние 28P от Солнца составляло около 10,57 астрономической единицы. В марте расстояние уменьшилось примерно до 10,51 астрономической единицы.
Именно эти условия сделали объект особенно подходящим для изучения поверхности. При таком удалении солнечного тепла недостаточно для значительной сублимационной активности, которая характерна для кометы при приближении к Солнцу.
На полученных изображениях ядро выглядело точечным: признаков разрешённой комы исследователи не обнаружили. Это не означает, что вокруг кометы вообще не могло существовать ни одной частицы газа или пыли. Речь идёт о том, что заметной кометной комы, способной существенно повлиять на измерения, на снимках не наблюдалось.
Что представляет собой 28P/Неймина
Комета 28P/Neujmin была открыта в 1916 году советским астрономом Григорием Нейминым. Она относится к семейству комет Юпитера, то есть её динамические характеристики связаны с гравитационным влиянием крупнейшей планеты Солнечной системы.
Период обращения 28P составляет около 18,4 года. По имеющимся оценкам, эффективный радиус её ядра составляет примерно 10,7 километра, а геометрическое альбедо — около 0,026. Это означает, что поверхность ядра очень тёмная и отражает лишь небольшую долю падающего на неё света.
Наблюдения также указывают на вращение ядра с периодом около 12,75 часа. Изменение его блеска достигает примерно 0,45 звёздной величины от максимума до минимума, что указывает на заметно вытянутую форму ядра. Оценка осевого отношения составляет не менее примерно 1,5.
Главная находка связана не с самой кометой, а с тем, как она отражает свет
Получить фотографию далёкой кометы без комы — уже редкая возможность. Но исследователей интересовало не только само обнаружение. Они смогли изучить, каким образом поверхность ядра отражает солнечный свет при разных условиях освещения.
Особое внимание уделили так называемому эффекту противостояния. Это увеличение яркости поверхности небольшого безатмосферного тела, наблюдаемое при очень малых фазовых углах, когда наблюдатель смотрит на объект практически со стороны Солнца. Для кометы 28P удалось получить наблюдение при фазовом угле всего около 0,334 градуса.
Такое положение особенно интересно, поскольку при почти полном «взгляде навстречу Солнцу» обычные тени от частиц поверхности оказываются скрыты от наблюдателя. Кроме того, свет может многократно рассеиваться между частицами и частично возвращаться в направлении наблюдателя. Оба механизма способны способствовать резкому увеличению яркости около противостояния.
Почему исчезновение теней делает поверхность ярче
Представим поверхность, покрытую большим количеством неровностей и частиц. При боковом освещении одни участки поверхности освещены, а другие находятся в тени. Наблюдатель видит одновременно светлые и затенённые области.
Когда источник света находится почти позади наблюдателя, направление освещения и наблюдения становится практически одинаковым. Многие тени перестают быть видимыми, потому что находятся непосредственно за своими породившими их частицами. Поверхность поэтому может казаться заметно ярче.
Но эффект противостояния не сводится только к исчезновению теней. На него может влиять когерентное обратное рассеяние — квантовый оптический эффект, при котором многократно рассеянные световые волны усиливают друг друга в направлении, близком к обратному. Именно вклад этого механизма оказался особенно интересным в случае 28P.
Комета 28P имеет цвет, похожий на астероиды типа D
Исследователи измерили цвет ядра в нескольких диапазонах видимого света. Полученные значения составили примерно 0,67 для разности цветов g–r и 0,41 для r–y.
На основе этих измерений был определён спектральный наклон около 8,8% на 100 нанометров. Такой показатель сопоставим с характерными значениями для астероидов типа D и с ранее полученными измерениями самой 28P в других диапазонах.
Астероиды типа D отличаются очень тёмными и красноватыми поверхностями. Они широко представлены среди троянских астероидов Юпитера, хотя объекты с подобными спектральными свойствами встречаются и в других областях Солнечной системы.
Сходство цвета не означает, что 28P является астероидом или имеет точно такую же поверхность. Напротив, дальнейший анализ показал различия, которые становятся заметными при изучении эффекта противостояния.
Цвет и структура поверхности — не одно и то же
Цвет объекта определяется тем, как его материал отражает свет на разных длинах волн. Это позволяет получать сведения о составе и свойствах поверхности, но не даёт полной информации о её физической структуре.
Два объекта могут иметь сходные цвета, но совершенно разное расположение частиц на поверхности. Пористость, размер частиц, степень их уплотнения, шероховатость и структура верхнего слоя влияют на то, каким образом свет рассеивается.
Именно поэтому исследователи не ограничились сравнением цвета 28P с астероидами. Эффект противостояния дал дополнительную информацию, которая указывает на отличия микроструктуры поверхности ядра кометы.
Поверхность кометы ведёт себя не совсем как поверхность астероида
Главный результат исследования заключается в сочетании двух наблюдений. По цвету 28P/Неймина напоминает астероиды типа D, однако усиление яркости около противостояния имеет характеристики, отличающиеся от типичных для астероидов C- и D-типа.
Даже при консервативной оценке исследователи получили признаки более значительного вклада когерентного обратного рассеяния, чем обычно наблюдается у таких астероидов. Это указывает на вероятные различия в микроструктуре поверхности.
При этом авторы подчёркивают, что точная физическая причина наблюдаемого эффекта пока не установлена окончательно. На результаты может влиять неопределённость параметров, полученных из наблюдений кометы в разные периоды её обращения вокруг Солнца. Для окончательного определения механизма необходимы дополнительные наблюдения.
Что можно узнать о поверхности по рассеянию света
Свет, отражённый от поверхности небольшого тела, несёт информацию не только о химическом составе вещества. Характер рассеяния зависит от того, насколько поверхность рыхлая или уплотнённая, как расположены частицы и насколько сильно они взаимодействуют со светом.
Поэтому наблюдение эффекта противостояния позволяет косвенно исследовать верхние слои поверхности, которые невозможно рассмотреть непосредственно даже с помощью крупного телескопа.
В случае 28P это особенно ценно, поскольку комета находится слишком далеко для детального разрешения отдельных элементов рельефа. Исследователи получают сведения о микроструктуре не через прямую фотографию поверхности, а через её оптические свойства.
Почему кометы и астероиды нельзя разделить простой границей
Долгое время кометы и астероиды удобно было рассматривать как два принципиально разных класса тел. Кометы связывали прежде всего со льдом, газом и активностью при приближении к Солнцу, а астероиды — с относительно инертными каменными или металлическими поверхностями.
Современные наблюдения показывают, что такая граница значительно сложнее. Некоторые астероиды содержат воду или гидратированные минералы, а на ядрах комет обнаруживаются признаки материалов, которые традиционно связывались с астероидными телами.
Существуют и объекты, которые трудно однозначно отнести к одной из двух категорий по одному признаку. Поэтому исследование поверхности 28P важно не только для понимания конкретной кометы, но и для изучения общего разнообразия малых тел Солнечной системы.
Комета может выглядеть как астероид, когда активность прекращается
При большом удалении от Солнца комета теряет свой наиболее узнаваемый признак — яркую кому. В таком состоянии наблюдатель видит прежде всего тёмное ядро, отражающее солнечный свет.
Если смотреть только на внешний вид, удалённое неактивное ядро может выглядеть как обычное небольшое безатмосферное тело. Поэтому для его классификации приходится использовать орбиту, спектр, цвет, динамические характеристики и другие физические свойства.
28P является хорошим примером такой ситуации. Она сохраняет кометную орбиту и относится к семейству Юпитера, но при наблюдении на расстоянии более 10 астрономических единиц выглядит практически как точечный неактивный объект.
Наблюдения проводились в трёх цветовых диапазонах
Для исследования использовали архивные изображения Hyper Suprime-Cam в фильтрах g, r и y. Наблюдения проходили в три ночи в феврале и марте 2016 года.
12 февраля были получены восемь экспозиций в y-диапазоне продолжительностью по 200 секунд. 7 марта комету наблюдали в g-диапазоне, сделав три экспозиции по 150 секунд. 9 марта были получены пять 150-секундных экспозиций в r-диапазоне.
Наиболее важными стали мартовские наблюдения, поскольку они проводились при очень малом фазовом угле. Средний фазовый угол для r-фильтра составлял примерно 0,334 градуса, а для g-фильтра — около 0,521 градуса. Это значительно ближе к точному противостоянию, чем большая часть предыдущих наблюдений кометы.
Комета двигалась медленно, несмотря на необходимость наземного наблюдения
Hyper Suprime-Cam не использовала специальное сопровождение движущейся кометы во время этих наблюдений. Однако из-за огромного расстояния 28P двигалась по небу достаточно медленно, поэтому даже при экспозициях продолжительностью 150–200 секунд её изображение оставалось практически точечным.
Расчётное смещение кометы во время отдельных экспозиций составляло около 0,55–0,60 угловой секунды. Атмосферное размытие изображений находилось примерно в диапазоне 0,6–1,2 угловой секунды. Поэтому движение объекта не приводило к существенному ухудшению измерений.
Почему архивные наблюдения оказались настолько полезными
Обычно ценность научного архива возрастает со временем: накопленные изображения позволяют исследователям задавать новые вопросы, которые не ставились при первоначальном наблюдении.
В данном случае архив Subaru содержал данные, полученные ещё в 2016 году. Исследователи смогли определить положение 28P в каждый момент времени по её орбитальным расчётам, найти соответствующие изображения и затем проверить, присутствует ли комета в каталогах источников.
После обнаружения объекта были отобраны качественные изображения, пригодные для фотометрического анализа. Несколько кадров пришлось исключить из дальнейшей обработки из-за положения кометы возле края детектора или рядом с особенностями изображения. На остальных кадрах признаков разрешённой комы обнаружено не было.
Архив может содержать ещё неизвестные наблюдения малых тел
Авторы исследования считают, что аналогичный поиск можно проводить и для других комет. Большие обзоры неба регулярно получают изображения, на которых случайно оказываются малые тела Солнечной системы.
Причём ценность таких кадров может проявляться только при определённом сочетании условий. Комета должна оказаться достаточно далеко от Солнца, чтобы её активность была слабой, и одновременно находиться в области неба, наблюдаемой крупным телескопом с высокой чувствительностью.
Поиск архивных данных позволяет не ждать следующего подходящего положения кометы. Уже полученные изображения можно повторно анализировать с учётом новых научных задач.
Что означает эффект противостояния для исследования комет
Эффект противостояния известен для различных безатмосферных тел Солнечной системы. Он наблюдается, когда фазовый угол становится очень малым, а объект оказывается практически полностью освещённым с точки зрения наблюдателя.
Для астероидов этот эффект используется при изучении физических свойств поверхности. В случае комет он особенно интересен, поскольку верхний слой ядра может иметь другую структуру из-за присутствия льдов, пыли, пор и продуктов предыдущих эпизодов активности.
При многочисленных сближениях с Солнцем поверхность кометы подвергается сублимации. Летучие вещества покидают верхние слои, пыль может оставаться на поверхности, а структура материала постепенно изменяется. Поэтому современная поверхность ядра может представлять собой результат длительной эволюции, а не полностью первичный материал, сохранившийся с момента образования Солнечной системы.
Наблюдение 28P даёт редкую точку на кривой яркости
Для изучения эффекта противостояния недостаточно просто получить один снимок кометы. Необходимо сравнивать её яркость при различных фазовых углах и учитывать другие факторы, способные изменять наблюдаемый блеск.
Новые данные Subaru оказались особенно ценными потому, что они добавили измерения практически непосредственно около противостояния. Вместе с более ранними наблюдениями исследователи смогли построить фазовую зависимость яркости ядра и подтвердить наличие усиления блеска при малых фазовых углах.
Предыдущие наблюдения уже указывали на возможное начало эффекта противостояния примерно при фазовых углах около 1,5 градуса, однако данных при ещё меньших углах было недостаточно для уверенного вывода. Новые наблюдения значительно улучшили эту часть картины.
Почему полученный результат важен для истории Солнечной системы
Кометы считаются остатками материала, из которого формировалась Солнечная система. Они сохранили значительную часть вещества, существовавшего на ранних этапах формирования планет, хотя их поверхности за последующие миллиарды лет неоднократно изменялись.
Особенно важны удалённые и неактивные кометы, поскольку их наблюдение позволяет отделить свойства ядра от процессов, происходящих в активной коме.
Изучая отражение света от ядра, астрономы могут сравнивать кометы между собой и с астероидами. Это помогает понять, насколько сильно различались исходные материалы малых тел и какие процессы впоследствии изменяли их поверхности.
Сравнение с астероидами показывает сложность происхождения малых тел
Если цвет поверхности кометы похож на цвет определённого типа астероидов, это говорит о сходстве некоторых оптических свойств материала. Но различия в эффекте противостояния показывают, что одинаковый цвет не обязательно означает одинаковую физическую структуру.
Для планетологии это важный результат. Состав и структура поверхности формируются не только исходным материалом, но и последующей историей тела. Температура, солнечное излучение, столкновения, сублимация и накопление пыли могут постепенно изменить внешний слой.
Поэтому изучение одновременно цвета, яркости и фазовой зависимости позволяет получить более полную картину, чем измерение одного параметра.
Что пока нельзя утверждать по результатам исследования
Новые данные не позволяют непосредственно увидеть отдельные частицы на поверхности 28P или однозначно определить их размер и форму. Полученные выводы основаны на характере отражения и рассеяния света, поэтому речь идёт о косвенной диагностике физических свойств поверхности.
Кроме того, величина эффекта противостояния зависит от выбранного способа описания обычного изменения яркости кометы с фазовым углом. Исследователи отмечают, что коэффициент этой зависимости имеет неопределённость, в том числе из-за возможных систематических различий между наблюдениями, выполненными во время разных прохождений кометы по орбите.
Поэтому результат следует интерпретировать как свидетельство того, что микроструктура поверхности 28P, вероятно, отличается от поверхностей типичных астероидов C- и D-типа, а не как окончательное определение конкретного механизма, отвечающего за наблюдаемое усиление яркости.
Какие наблюдения нужны дальше
Чтобы разобраться в физической природе эффекта более уверенно, необходимо наблюдать одну и ту же комету в широком диапазоне фазовых углов во время одного прохождения по орбите. Такой подход позволит уменьшить неопределённость, возникающую при объединении данных разных эпох.
Особенно важны наблюдения непосредственно около противостояния и при более крупных фазовых углах. Они позволят точнее отделить узкий пик усиления яркости от более плавного изменения блеска поверхности.
Поляриметрия даст дополнительную информацию
Исследователи также указывают на необходимость поляриметрических наблюдений. Поляризация отражённого света зависит от характера взаимодействия света с частицами поверхности и может предоставить дополнительную информацию о структуре материала.
Совместный анализ фотометрии, фазовой зависимости и поляризации способен лучше различить механизмы, отвечающие за наблюдаемый эффект. Это особенно важно для определения того, какую роль в ярком всплеске около противостояния играет исчезновение видимых теней, а какую — когерентное обратное рассеяние.
Случайный объект в архиве превратился в исследование поверхности далёкой кометы
История 28P/Неймина хорошо показывает, какую научную ценность могут иметь архивные наблюдения. Комета не была главной целью первоначальной съёмки. Она просто оказалась в поле зрения Subaru во время широкого обзора неба.
Но сочетание нескольких обстоятельств сделало этот случай необычным: большой телескоп смог зарегистрировать чрезвычайно слабый объект, широкое поле зрения позволило ему случайно попасть в кадр, а большое расстояние от Солнца практически избавило наблюдения от мешающей комы. В результате исследователи получили редкую возможность изучить непосредственно отражённый свет от ядра кометы.
28P/Неймина была обнаружена в данных на расстоянии более 10 астрономических единиц от Солнца. Её цвет оказался сопоставимым с астероидами типа D, но эффект противостояния свидетельствует о вероятных различиях в микроструктуре поверхности.
Главный практический вывод заключается в том, что подобные наблюдения можно искать систематически. В больших астрономических архивах уже накоплены изображения, на которых могли случайно оказаться другие далёкие и неактивные кометы. Их поиск способен расширить выборку объектов, поверхность которых можно изучать без прямого посещения космическими аппаратами.
Для планетологии это особенно важно: чем больше таких объектов будет исследовано, тем лучше астрономы смогут определить, какие свойства характерны для кометных ядер в целом, а какие являются особенностями отдельных тел. В конечном итоге сравнение комет и астероидов поможет точнее понять, как менялись малые тела Солнечной системы с момента её формирования.
Источники:
Статья создана по материалам Phys.Org
