Cuộc gặp gỡ với sao chổi Halley đã diễn ra!

8

GẶP GỠ VỚI MỘT SAO CHUYỂN
HALLEY ĐÃ ĐƯỢC XẢY RA!

Thí sinh Vật lý và Toán học
T. K. BREUS

Sao chổi vẫn là vật thể ít được nghiên cứu nhất trong hệ mặt trời, mặc dù một số được phát hiện hàng năm. Lý do là chúng xuất hiện một cách bất ngờ, và bản thân thân của sao chổi - hạt nhân của nó - không thể tiếp cận được với các quan sát trên mặt đất, vì nó bị ẩn bởi ánh sáng của một vật thể khổng lồ, lớn hơn hàng trăm nghìn lần so với chính hạt nhân, phần đầu, hay còn gọi là “hôn mê” - một bầu không khí bụi khí phát sinh trong quá trình bốc hơi của vật chất sao chổi, được đốt nóng bởi nghiên cứu mặt trời khi sao chổi tiến gần Mặt trời.

Sao chổi Halley đã chứng tỏ mình là một trong những sao sáng nhất trong lần trở lại của nó. Ví dụ, vào năm 837, nó đã vượt qua Trái đất 6 triệu km và sáng hơn Sirius, ngôi sao sáng nhất trên bầu trời Trái đất 6,5 lần. Năm 1910, trong quá trình thực hiện ngôi sao sáng, sao chổi đã tìm thấy chính nó giữa Trái đất và Mặt trời. Và vì đuôi sao chổi luôn hướng ra xa Mặt trời và kéo dài hàng triệu km nên Trái đất đã bay qua đuôi sao chổi trong vài giờ.

Vào thời điểm này, sao chổi Halley được phát hiện ở khoảng cách kỷ lục - cách hành tinh của chúng ta và Mặt trời khoảng 1,6 triệu km. Đó là ngày 16 tháng 10 năm 1982, khi sao chổi ở trong chòm sao Canis Minor và mờ hơn 40 triệu lần so với những ngôi sao mờ nhất mà con người vẫn có thể nhìn thấy bằng mắt thường. Thông thường, sao chổi được phát hiện ở khoảng cách nhỏ hơn 2-3 lần, nhưng lần này công nghệ tiên tiến nhất đã được sử dụng, cho phép ghi lại ngay cả các lượng tử ánh sáng riêng lẻ. Nhưng do vị trí quỹ đạo của sao chổi không thuận lợi (trong các chu kỳ quỹ đạo, Mặt trời nằm giữa Trái đất và sao chổi), nên không thể “hứa hẹn” với nó một cách chính xác từ Trái đất. Nhược điểm này của sao chổi ngay lập tức được giải quyết bằng việc phóng gót tàu vũ trụ tới sao chổi - hai chiếc của Liên Xô (“Veta-1”, “Veta-2”)*, một Tây Âu (“Giotto”) và hai người Nhật Bản.

Trong lần xuất hiện trước của sao chổi Halley vào năm 1910, kính quang phổ chủ yếu nhắm vào nó, với sự trợ giúp của chúng, các Actrome đã làm rõ thành phần của đầu và đuôi của vị khách thiên thể. Thậm chí trước đó, vào năm 1835-1836, thiết bị vật lý thiên văn đầu tiên đã được sử dụng để nghiên cứu sao chổi Halley - phát minh của nhà vật lý và thiên văn học xuất sắc người Pháp Arago - một kính phân cực. Sau đó, người ta đã chứng minh rằng đuôi của sao chổi tỏa sáng chủ yếu bằng ánh sáng phản chiếu từ Mặt trời, nghĩa là chúng chứa rất nhiều bụi - các phần đá phân tán của hạt nhân, bị đẩy ra xa Mặt trời dưới dạng đuôi bởi một loại lực nào đó. Chỉ đến năm 1910, sau khi nhà vật lý người Nga P. N. Lebedev chứng minh rằng ánh sáng có thể gây áp lực lên các hạt thì sự hình thành đuôi sao chổi bụi bặm mới được giải thích.

Năm 1836, những tuyên bố về bản chất vật lý của hạt nhân thiếc của sao chổi xuất hiện trong các tài liệu khoa học. Nhà thiên văn học người Đức Bessel đưa ra ý tưởng rằng chất này dễ bay hơi, nghĩa là dễ bị đốt cháy bởi nhiệt. Một ý tưởng tương tự đã được thể hiện bởi Lapas quá cố. Trong ấn bản thứ ba của cuốn Triển lãm Hệ thống Thế giới (1808), ông đã giải thích sự hình thành phần đầu và đuôi khổng lồ của sao chổi bằng sự bốc hơi nhanh chóng của một “chất lỏng” từ bề mặt của hạt nhân gần Mặt trời. Khi xóa

*) Chuyến bay của trạm vũ trụ Veta được thực hiện trong khuôn khổ Cuộc thám hiểm quốc tế “Sao Kim - Sao chổi Halley”. Dự án Veta đã được L. S. Marochnik mô tả trong bài báo “A Date with a Comet” ở «Kvant» số 5 năm 1985.

9

Trong các sao chổi lười biếng, “chất lỏng” còn lại từ ngôi sao của chúng ta lại phải biến thành băng, v.v. với mỗi lần quay trở lại tiếp theo.

Vào thế kỷ 20, ý tưởng về hạt nhân băng giá của sao chổi mới được nhà vật lý thiên văn người Mỹ F. Whipple làm sống lại. Ông đề xuất một mô hình (1950), theo đó hạt nhân sao chổi là một tảng băng vũ trụ - một khối nguyên khối có hình dạng không đều, bao gồm các chất dễ bay hơi đông lạnh (H₂O, CH₄, NH₃, CO₂, v.v.) trộn lẫn với các hạt vật chất thiên thạch. Khi hạt nhân sao chổi đến gần Mặt trời, các chất dễ bay hơi bốc hơi khỏi bề mặt của nó và các dòng khí phát sinh mang theo các hạt bụi - tạo thành trạng thái hôn mê và đuôi.

Nhà thiên văn học Liên Xô B. A. Vorontsov-Velyaminov tin rằng nhân sao chổi chủ yếu bao gồm các chất chịu lửa (silicat, kim loại) và chỉ trên bề mặt mới có một lớp khí đông lạnh. Nhà vật lý thiên văn người Hà Lan M. Greenberg nhìn chung đồng ý với Whipple, nhưng tin rằng các tổ chức vật chất phức tạp nên được “thêm” vào thành phần giả thuyết của hạt nhân. Ông đề xuất rằng nhân của sao chổi không phải là một tảng băng trôi mà là một loại trôi tuyết và nó bao gồm các hạt vật chất liên Trái đất, được nén nén thành một cấu trúc phức tạp - một hình trụ dài vài micron, bên trong là silicat, một lớp chất hữu cơ ở trên và một lớp băng ở trên chất hữu cơ.

Những vị khách không gian sẽ đến với chúng ta từ đâu? Nơi mà những khối bụi, khí và thậm chí cả chất hữu cơ phức tạp này có thể hình thành - một lớp băng.

Những vị khách không gian sẽ đến với chúng ta từ đâu? Nơi mà những khối bụi, khí và thậm chí cả chất hữu cơ phức tạp này có thể hình thành - một lớp băng.

Có rất nhiều giả thuyết về nguồn gốc của sao chổi. Theo một trong số đó, lần đầu tiên được đề xuất bởi Lagrange (1788), và sau đó được phát triển bởi nhà khoa học Liên Xô S.K. Vsesvyatsky (1955), hạt nhân sao chổi có thể bị đẩy ra khỏi lòng các hành tinh khổng lồ và các vệ tinh của chúng trong các vụ phun trào núi lửa. Khi các nhà du hành người Mỹ phát hiện ra hoạt động núi lửa trên mặt trăng Io của sao Mộc, giả định này đã tạo ra một loại “cơn gió thứ hai”. Tuy nhiên, thái độ đối với giả thuyết này rất đáng nghi ngờ - có quá nhiều “nhưng”.

Hầu hết các chuyên gia tin rằng nhà thiên văn học xuất sắc người Hà Lan Jan Oort đã đạt được đáp số khi được hỏi về nguồn gốc của sao chổi. Tất nhiên, ngay từ đầu, tính đúng đắn của một giả thuyết cụ thể không được quyết định bởi đa số phiếu và chỉ có các dữ kiện thực nghiệm mới cung cấp bằng chứng khách quan. Tuy nhiên, giả thuyết của Oort (1950) hầu như không có sai sót.

Oort cho rằng Hệ Mặt trời được bao quanh bởi một “đám mây” sao chổi khổng lồ, kéo dài ở khoảng cách từ 20.000 đến 200.000 đơn vị thiên văn (1 AU = 150.000.000 km) tính từ Mặt trời, tức là vượt xa hệ hành tinh (quỹ đạo của Sao Diêm Vương, hành tinh cuối cùng, là khoảng 40 AU).

Điều gì khiến sao chổi rời khỏi “nơi trú ẩn” của chúng? Mặc dù vùng Oort được ước tính chứa 10¹¹ 10¹² sao chổi, nhưng sự va chạm của chúng rất hiếm*) nên chúng không thể là nguyên nhân đẩy chúng ra khỏi đám mây. Hóa ra sự đi qua gần của một ngôi sao là nguyên nhân gây ra điều này. Chúng thay đổi tốc độ chuyển động của sao chổi và đôi khi bị ném ra ngoài Hệ Mặt trời hoặc về phía Mặt trời.

Tuy nhiên, nguồn gốc của đám mây Oort, hay còn gọi là ngân hàng hoặc nơi an toàn của sao chổi, vẫn chưa rõ ràng. Lời giải vấn đề này là một trong những mục tiêu chính của thí nghiệm không gian đối với sao chổi Halley. Các nhà khoa học hy vọng rằng việc quan sát hạt nhân sao chổi ở cự ly gần, xác định thành phần của nó và kiểm tra một phần sao chổi bằng “bàn tay” của automata sẽ giúp chúng ta có thể hiểu được ngân hàng Oort được hình thành như thế nào. Nó có phải là một phần của vật chất hình thành hành tinh - tinh vân mõm khí, từ đó Mặt trời, các hành tinh và sao chổi hình thành vào cùng một thời đại? Hoặc có thể ngân hàng Oort có nguồn gốc từ thiên hà? Ví dụ, sau khi hoàn thành quá trình hình thành của nó, hệ mặt trời.

*) Thời gian giữa các lần va chạm của hai hạt nhân sao chổi có kích thước thông thường là 1 km dài hơn mười bốn bậc độ lớn so với thời gian tồn tại của Hệ Mặt trời.

10

Trạm cơ khí tự động “Veza”.
Máy phân tích khối lượng bụi “PUMA”.

Nền tảng ổn định tự động với một thiết bị được cài đặt trên đó. Hệ thống truyền hình bao gồm một camera góc hẹp có độ phân giải cao (1), một camera nhắm mục tiêu góc rộng (2) và một thiết bị truyền hình điện tử (3). Máy quang phổ ba kênh (4) và máy quang phổ hồng ngoại (5) cũng được lắp đặt trên bệ.

11

Hệ thống có thể bay qua một đám mây khí liên sao khổng lồ và thu giữ bụi, khí, các hợp chất hữu cơ mà nó chứa và thậm chí có thể cả hạt nhân sao chổi đã được tạo sẵn.

Nhân tiện, bằng phương pháp thiên văn vô tuyến, một số loại hợp chất hữu cơ đã được phát hiện trong các đám mây bụi khí trong Thiên hà - formaldetide, axit hydrocyanic, rượu - những sản phẩm ban đầu để hình thành các dẫn xuất carbon phức tạp nhất - axit amin, là “khối xây dựng” của protein. Dấu vết của các hợp chất tổ chức được ghi lại trong quá trình quan sát trên mặt đất và trong sao chổi. Ngay cả bản thân axit amin cũng được tìm thấy trong thiên thạch.

Có lẽ thiên thạch (như sao chổi) là “rác thải” từ công trường nơi Hệ Mặt trời được tạo ra. Tuy nhiên, chúng đã bị Mặt trời “hư hỏng” khá nhiều. Sao chổi được bảo quản ở một khoảng cách rất xa, như thể trong tủ lạnh, không tiếp xúc với bức xạ, và do đó phải giữ được các đặc tính cơ bản của chúng.

Đó là lý do vì sao các nhà khoa học nóng lòng chờ đợi cuộc hẹn hò với sao chổi Halley.

Nhiệm vụ quan trọng nhất trong Dự án Veta là nghiên cứu các đặc tính vật lý của nhân sao chổi. Hai phương pháp đã được sử dụng: thứ nhất là đo từ xa bằng dụng cụ quang học và thứ hai là nghiên cứu trực tiếp vật chất (khí và bụi) rời khỏi lõi và đi qua quỹ đạo mà thiết bị đang chuyển động.

Các thiết bị quang học được đặt trên một nền tảng đặc biệt, nền tảng này quay trong quá trình hoạt động của lõi và tự động theo dõi hướng về phía nó. Tuy nhiên, một trong những yếu tố chính của tổ hợp quang học là hệ thống truyền hình. Bộ này cũng bao gồm các thiết bị được cho là cung cấp các nghiên cứu quang phổ chi tiết về thành phần hóa học của các vật thể khí quyển khác nhau (hôn mê) và đuôi sao chổi. Tuy nhiên, một trong những hướng quan trọng nhất của những nghiên cứu này là tìm kiếm các phân tử sơ cấp, hay chúng còn được gọi là các phân tử “mẹ”. Thay đổi quang phổ mặt đất

những phân tử này không thể được phát hiện. Thực tế là khi băng sao chổi chuyển trực tiếp từ trạng thái rắn sang trạng thái khí, khí bay ra khỏi bề mặt sao chổi gần như với tốc độ âm thanh và mật độ của nó rất cao trong vùng hạt nhân. Do đó, các phân tử tương tác mạnh mẽ với nhau và những thay đổi hóa học xảy ra trong chúng. Trong các quá trình này, cái gọi là “con gái”, tức là các phân tử thứ cấp, được hình thành. Họ “ghi lại” những thay đổi quang phổ trên mặt đất.

Các nghiên cứu quang học về trạng thái khí của khí quyển sao chổi cần được bổ sung bằng những thay đổi của nó bằng máy phân tích khối bụi đặc biệt (PUMA).

Như đã lưu ý, bầu khí quyển sao chổi không chỉ bao gồm khí mà còn có các hạt bụi. Với tốc độ tương đối của việc hợp nhất tàu vũ trụ với sao chổi gần 80 km/s, loại bụi này gây ra mối nguy hiểm lớn. Để bảo vệ thiết bị, sao chổi tạo ra vận tốc và được sử dụng để xác định thành phần của các hạt. Nếu một mục tiêu được đặt trên đường đi của một “hạt bụi” như vậy thì khi nó bị loại bỏ, hạt đó sẽ bốc hơi một cách bùng nổ, bắt đầu và biến thành một đám mây plasma. Máy quang phổ khối xác định thành phần của nó, và do đó thành phần của hạt nhân sao chổi mà hạt này thoát ra.

12

Đây là ý tưởng của thí nghiệm PUMA (giám sát khoa học R.Z. Sagdeev (Liên Xô), U. Kissel (Max Planck Society, Đức), J.L. Berto (Pháp)).

Một số thiết bị nhằm mục đích đo các đặc tính vật lý của dòng bụi - số lượng các bộ phận có khối lượng khác nhau, kích thước và mật độ của chúng.

Nhiều thiết bị cũng được lắp đặt trên các trạm để nghiên cứu sự tương tác của các ion sao chổi với môi trường liên hành tinh, như đã biết, chứa đầy plasma phát ra từ vành nhật hoa - gió mặt trời.

Chúng ta đã học được điều gì mới trong cuộc gặp gỡ với sao chổi này?

Phân tích hình ảnh truyền hình truyền từ các trạm về Trái đất cho thấy hạt nhân của sao chổi Halley là một khối nguyên khối có hình dạng không đều. Kích thước của nó là 8x8x16 km. Con số này nhiều hơn những gì các nhà khoa học giả định (2-5 km). Thể tích của lõi, theo ước tính sơ bộ, là khoảng 5·10¹¹ m³. Hạt nhân được quay quanh một trục nằm bên trong hình nón ở khoảng cách ±45° so với mặt phẳng pháp tuyến đến mặt phẳng quỹ đạo. Hướng của bác sĩ trùng với hướng chuyển động của quỹ đạo. Độ phản xạ của lõi rất thấp. Nhân của sao chổi là một trong những vật thể tối nhất trong hệ mặt trời. Sự phát thải bụi chỉ xảy ra ở phần được chiếu sáng của lõi. Có một số khu vực trên bề mặt (khoảng 10% diện tích), từ đó bụi thoát ra theo dòng tương đối hẹp (máy bay phản lực). Tuy nhiên, bụi bám lại trên bề mặt và bên ngoài chip. Phía trên bề mặt có một lớp mỏng (khoảng 1 km), bên trong bụi được tăng tốc bởi dòng khí từ tốc độ 0 đến vài trăm mét mỗi giây. Các đặc điểm giống như miệng núi lửa dạng vòng có thể nhìn thấy được trên bề mặt.

Những bức ảnh do bộ máy Giotto Tây Âu chụp đã làm rõ thêm bức tranh này chỉ ở câu hỏi cuối cùng: các miệng hố vành chắc chắn là có thật; chúng có thể nhìn thấy rõ ràng trên các hình ảnh sigma đã được xử lý gần điểm kết thúc (ranh giới của bóng tối và ánh sáng), nơi có ít bụi phía trên bề mặt và điều kiện ánh sáng thuận lợi nhất.

Các phép đo bức xạ nhiệt của lõi được thực hiện bằng máy quang phổ Veni-1 giúp xác định nhiệt độ bề mặt. Từ các tính toán sơ bộ dựa trên các điều kiện cân bằng nhiệt, theo đó, về phía ngày của sao chổi, nó phải là 200 K. Tuy nhiên, các phép đo cho giá trị gấp đôi $T=380 \pm 30$ K.

Điều này có thể giải thích được, nhà khoa học Liên Xô V.I. Moroz, nếu chúng ta giả sử rằng bề mặt lõi được bao phủ bởi một lớp “trọng lượng” (tương tự như trường hợp thường xảy ra ở các thành phố có tuyết). Lớp này hấp thụ năng lượng mặt trời, một phần được phát lại ở vùng hồng ngoại và một phần được truyền bằng dẫn nhiệt xuống bề mặt “sạch” bên trong của lõi, nơi có nhiệt độ khoảng 200 K.

Cấu trúc của lớp này là gì? Độ dày của nó rất có thể không quá 0,1 mm, nếu không nó sẽ làm suy yếu đáng kể dòng chảy tự nhiên. Đồng thời nó phải rắn chắc, nếu không thì lõi sẽ không đen như vậy. Rõ ràng, có nhiều hạt nhỏ trong đó và khí tự do đi qua các lỗ chân lông. Lớp bề mặt ở một số nơi thỉnh thoảng nứt ra, và sau đó một vùng hoạt động được hình thành với dòng vật chất đặc biệt mạnh mẽ.

Sự hình thành của một lớp như vậy là sự đan xen của các lớp tự nhiên, nếu chúng ta nhớ rằng băng sao chổi được vận chuyển cùng với các hạt chất chịu lửa và trong quá trình bay hơi sau khi khí rời đi, nồng độ của chúng trên bề mặt tăng lên.

Nhiệt độ 380 K đề cập đến điểm ấm nhất của lõi, nằm ở phía ban ngày ở xích đạo. Điểm này được dịch chuyển so với điểm thu được khoảng một giờ do quán tính nhiệt của lớp bề mặt. Về đêm trời lạnh hơn nhiều; Theo ước tính gián tiếp, nhiệt độ ở đây là 180-200 K.

Có thể ước tính khối lượng và mật độ trung bình của hạt nhân sao chổi. Khối lượng được xác định bởi hiệu ứng phản ứng, được tạo ra bởi sự phát thải khí và bụi về phía Mặt trời. Các tính toán được thực hiện độc lập bởi nhà khoa học Thụy Điển G. Rickman và các nhà khoa học Liên Xô R. Z. Sagdeev, P. E. Elyasberg, V. I. Moroz. Kết quả

13

kết quả hóa ra rất gần - khối lượng của hạt nhân sao chổi là (0,5-2)·10¹⁴ kg. Do đó, mật độ trung bình của chất lõi (hãy nhớ rằng thể tích của nó ước tính là 5·10¹¹ m³) là 0,1–0,4 g/cm³.

Kết quả thú vị để đo các đặc tính định lượng của dòng bụi. Các thí nghiệm với máy đếm bụi đã chỉ ra rằng mỗi ngày có khoảng một triệu tấn bụi vũ trụ rời khỏi hạt nhân sao chổi. Bản chất của sự phân bố kích thước của các hạt bụi hóa ra khá bất ngờ; một số lượng lớn các hạt nhỏ có kích thước cỡ một phần trăm micron đã được phát hiện một cách bất ngờ.

Các phép đo đã chỉ ra rằng dòng khí rời khỏi sao chổi chứa nhiều hơi nước nhất. Thành phần phổ biến thứ hai là carbon dioxide. Rất có thể, CO₂ và H₂O được đưa vào lõi dưới dạng clathrate - một hợp chất tinh thể trong đó các phân tử của một chất (CO₂) được “nhúng” vào mạng tinh thể của chất kia (băng H₂O).

Thông tin cơ bản và hoàn toàn mới về trạng thái hóa học của các hạt là một phần của hạt nhân và khiến nó chịu áp lực của dòng khí, đối với thí nghiệm PUMA (trên Vega) và một thí nghiệm tương tự trên Giotto. Trong thực tế, các hạt có đường kính một phần trăm và phần mười micron đã được ghi lại, nhưng có rất nhiều trong số chúng. Thí nghiệm PUMA thu được quang phổ của khoảng 2000 hạt như vậy.

Từ quang phổ, theo thành phần hóa học, các hạt rắn của bụi sao chổi có thể được chia thành ba loại chính: loại thứ nhất chủ yếu là các nguyên tố nhẹ, loại thứ hai là carbon và loại thứ ba là kim loại. Nhà vật lý Liên Xô L.M. Mukhin, người phân tích những quang phổ này, đã đi đến hai kết luận quan trọng. Đầu tiên, các hạt giàu carbon thể hiện tỷ lệ nguyên tố C/Si lớn hơn đáng kể so với tỷ lệ được tìm thấy trong bất kỳ loại thiên thạch nào. Kết luận thứ hai là tỷ lệ C/Si lớn luôn đi kèm với sự hiện diện của nitơ và điều này chỉ có thể được giải thích bởi thực tế là carbon và nitơ là một phần của các phân tử hữu cơ. Đây là một dấu hiệu quan trọng cho thấy sự hiện diện của các công nghệ quan trọng.

Trên thực tế, không có khó khăn kỹ thuật nào không thể vượt qua để thực hiện những nghiên cứu như vậy ngay cả ở mức độ phát triển không gian hiện nay và các nhà khoa học đã thảo luận về khả năng này. Trong số các sao chổi cũng có những sao chổi có thể tiếp cận hạt nhân của chúng thậm chí đến mức tiếp xúc trực tiếp. Có lẽ một Plenet như vậy đã được thực hiện vào cuối thế kỷ này hoặc đầu thế kỷ tiếp theo.