Komety XXVIII aneb "Drtivý dopad"

Výzkum meziplanetární hmoty patří v posledním desetiletí k nejstěžejnějším úkolům moderní astrofyziky a kosmonautiky. Jako jedna z mála oblastí současné astronomie je totiž v přímém vztahu k praxi, neboť se snaží, zatím teoreticky, řešit problém z nejožehavějších – možné ohrožení Země a tedy lidstva impakty těles z vesmíru. Takovými objekty mohou být buď asteroidy nebo komety.

Obr. 1 a 2: Sonda Deep Space 1 a jí pořízený snímek jádra a vnitřní komy ("atmosféry") komety 19P/Borrelly. [2]

Obr. 3 a 4: 3D model sondy Deep Impact a její reálný vzhled – na závěsu v laboratoři, kde byla složena. V horní části se nachází mateřské těleso, v dolní impaktor. [5]

Obr. 5: Zaměřovací a fotografické systémy HRI a MRI sondy Deep Impact v laboratoři. [5]

Obr. 6 a 7: 3D model impaktního zařízení sondy Deep Impact. [5]

Obr. 8 a 9: Výstup numerické simulace typu Monte Carlo znázorňující fungování autonomního navigačního systému impaktoru sondy Deep Impact. [5]

Obr. 10 a 11: Výstup numerické simulace typu Monte Carlo znázorňující fungování autonomního navigačního systému impaktoru sondy Deep Impact. [5]

Obr. 12: Snímek komety 9P/Tempel pořízený CCD kamerou SBIG – ST7 6. srpna 2000 na observatoři George, Houston, USA. Autory snímku jsou Bill Dillon, Cynthia Gustava a Keith Rivich. [5], [6]

S výzkumem malých těles sluneční soustavy pomocí kosmických prostředků se začalo již v roce 1986, kdy sonda Giotto navštívila a z blízka zkoumala jádro nejznámější komety 1P/Halley. V průběhu devadesátých let minulého století zájem o tuto oblast ještě vzrostl. Bylo uskutečněno několik misí, které přinesly neocenitelné výsledky. Za všechny jmenujme přelomovou cestu sondy NEAR [1] k asteroidu Eros, či experimentální projekt Deep Space I [2] a jeho návštěvu u jádra komety 19P/Borrelly. Přes všechny úspěchy se však vždy jednalo o mise, které sice detailně zkoumaly objekty našeho zájmu, tedy asteroidy či kometární jádra, ale vždy se tak dělo pouze z oběžné dráhy či uctivé vzdálenosti.

Dalším postupným krokem na dlouhé cestě k hlubším znalostem o prapůvodní látce, ze které se formovala sluneční soustava, jsou sondy nové generace, které budou schopny získat vzorky materiálu, na místě je prozkoumat a případně dopravit na Zemi pro další rozbor. První z takových misí je právě probíhající Stardust [3], která v polovině roku 2004 úspěšně proletěla kolem jádra komety 81P/Wild a z její prachoplynné obálky odebrala vzorky prachu, které již v průběhu tohoto roku dopraví na Zemi [4].

Ještě ambicióznějším projektem je sonda Deep Impact [5], která je již připravena ke svému startu v Kennedyho vesmírném středisku na Floridě. Jejím úkolem je průzkum komety 9P/Tempel pomocí speciálního zařízení, takzvaného impaktoru (od anglického impact – dopad, srážka), které dopadne na povrch jádra. Ve vytvořeném kráteru bude možné poprvé v historii zkoumat látku, která pravděpodobně nikdy nebyla vystavena slunečnímu svitu a která tak nejspíš představuje klíč k některým záhadám spojeným se vznikem sluneční soustavy.

Mise Deep Impact je společným projektem University of Maryland a Jet Propulsion Laboratory pařící k NASA, dodavatelem veškerých letových systémů je firma Ball Aerospace and Technologies Corporation. Její start, původně plánovaný na 30. prosince 2004, byl nakonec odsunut až na 12. ledna 2005, kdy bude stejnojmenná sonda vynesena raketou Boeing Delta II 2925 na oběžnou dráhu kolem Země a vydá se na svou cestu ke kometě 9P/Tempel. Letová fáze mise potrvá jen 6 měsíců, neboť průlet kolem jádra se podle plánu má uskutečnit už 4. července (již tradičně na Den nezávislosti) roku 2005. Celkem však příprava a průběh mise zaberou asi 6 let, do kterých je započtena také předpokládaná devítiměsíční lhůta na první zpracování dat.

Samotná sonda Deep Impact je tělesem o rozměrech 3,3 m x 1,7 m x 2,3 m složeným ze dvou základních částí – mateřského tělesa a impaktoru – o celkové vzletové hmotnosti 1020 kg. Je vybavena parabolickou vysokoziskovou anténou, která jí umožní přenášet data rychlostí až 175 kb za sekundu. Komunikace se sondou probíhá v pásmu X. Navíc je využíváno také pásmo S pro předávání informací mezi sondou a impaktorem po jeho oddělení od mateřského tělesa. Energie pro všechny přístroje je získávána panely solárních článků o ploše 7,5 m2, které v době setkání s kometou (ve vzdálenosti cca 1,5 AU od Slunce) budou dodávat 620 W.

Mateřské těleso sondy Deep Impact je vybaveno hlavními zobrazovacími systémy HRI a MRI, které budou snímkovat povrch jádra před i po dopadu impaktoru. Sonda bude také podrobně dokumentovat jevy doprovázející samotnou srážku. Jejím dalším úkolem je zajištění hladkého oddělení impaktoru, jeho navedení na cíl, komunikace s ním, převzetí získaných dat a jejich odeslání na Zemi.

HRI (High Resolution Instrument) je teleskop s multispektrální CCD kamerou vybavený primárním zrcadlem o průměru 30 cm a ohniskové vzdálenosti 10,5 m. Kamera poskytuje ve viditelné oblasti spektra snímky s rozlišením 1024 x 1024 pixelů a při velikosti obrazového bodu 21 mm je schopná dosáhnout rozlišení až 1,4 m na pixel ze vzdálenosti 700 km, což je minimální předpokládaná vzdálenost, která bude dělit mateřské těleso Deep Impact od komety 9P/Tempel. Zorné pole přístroje HRI je však pouze 0,118°. Kromě detekce viditelného záření je zařízení HRI schopné pracovat také v infračervené oblasti spektra v rozsahu vlnových délek 1,5 – 4,8 mm. Snímky v IR budou mít formát 512 x 256 obrazových bodů při velikosti pixelu 36 mm a zorném poli 0,29°.

Přístroj MRI je v podstatě funkční zálohou HRI a v případě nouze je schopen částečně zastat jeho úlohu. Je osazen primárním zrcadlem o průměru 12 cm s ohniskovou vzdáleností 2,1 m a vybaven CCD kamerou, která však pracuje jen ve viditelné oblasti spektra. Zato je ale schopná dodávat různě veliké snímky až do formátu 1024 x 1024, jelikož je vybavena funkcí Split Frame Transfer – přenos rozděleného snímku. Velikost jednoho pixelu je stejná jako u HRI, což v maximálním přiblížení k jádru komety dává rozlišení asi 7 m na pixel. V ideálním případě by v okamžiku nejtěsnějšího průletu mělo jádro komety zabírat asi 0,8 zorného pole MRI, které je 0,587°. Hlavním úkolem MRI je tedy snímání jádra a vnitřních vrstev atmosféry jako celku. Navíc v době pobytu sondy v komě komety je jeho vyšší světelnost a širší zorné pole vhodné pro navigaci pomocí pointace na zvolenou skupinu hvězd.

Kromě již zmíněných HRI a MRI je mise Deep Impact vybavena zaměřovačem ITS, který je svou stavbou (kromě sady filtrů) totožný s MRI. ITS je zabudován uvnitř impaktoru a slouží jako hlavní navigační zařízení při sestupu dopadové části směrem k jádru. Jeho osa je orientována tak, aby neustále mířila směrem k cíli – paralelně s vektorem rychlosti. Bude tedy schopen průběžně pořizovat snímky pravděpodobně s kvalitou rozlišení až 0,5 m na pixel nebo dokonce lepší těsně před kolizí s jádrem. To však záleží na tom, nebude-li jeho optická soustava zničena dříve v důsledku srážek s částicemi atmosféry. Data budou ukládána na paměťové médium (pouze 17 MB – cca 35 snímků) a postupně přenášena rychlostí 64 kb za sekundu na mateřské těleso. Spojení v pásmu S je možné na vzdálenost asi 8700 km.

Impaktor o hmotnosti 370 kg bude oddělen od mateřského tělesa 24 hodin před průletem kolem jádra. Od té chvíle bude napájen z vlastních zdrojů – baterií. Sám na jádro dopadne rychlostí asi 10,2 km.s-1, tedy s kinetickou energií ekvivalentní výbuchu 4,8 t TNT, a vytvoří kráter o velikosti odpovídající svými rozměry zhruba fotbalovému hřišti. Dopad impaktoru na jádro je tou nejambicióznější částí mise. Pro úspěšný zásah je totiž nutné provést velmi přesnou navigaci. Ze vzdálenosti takřka milionu kilometrů je třeba zasáhnout cíl o průměru 6 km, což je při rychlosti 10,2 km.s-1 nelehký úkol.

Za tímto účelem je impaktor vybaven autonomním navigačním systémem, který byl původně vyvinut pro experimentální sondu Deep Space I. Ten využívá vysoce přesný optický systém ITS (měření úhlů s přesností lepší než 1 mrad, tedy asi 0,2“) k pointaci impaktoru na hvězdy a jádro komety s odchylkou 3 mrad ~ 0,172°, čímž je dostatečně zajištěn směr letu a dopad do požadované oblasti s chybou do 300 m. Pokyny navigačního systému jsou na pohyb impaktoru přenášeny sadou hydrazinových motorků, které jsou schopny docílit celkovou změnu rychlosti o 15 m.s-1 a kontrolovat trajektorii letu s přesností 1 mm.s-1.

Zvláštností impaktoru je použitý materiál. Je totiž ze 49% vyroben z mědi namísto obvykle používaného hliníku. Důvodem je fakt, že při zásahu jádra dojde k destrukci impaktoru. Při výbuchu se uvolní značné množství částic, které by, v případě použití hliníku, vyzařovaly právě na vlnových délkách, které jsou využívány ke zkoumání jádra. Použitím mědi se možnost kontaminace minimalizuje a nedojde tak ke znehodnocení cenných výsledků.

Bez zajímavosti také není předpoklad, že v důsledku kolize impaktoru s jádrem je očekáváno explozivní zvýšení aktivity komety. Důvod je fyzikálně poměrně prostý. Kometární jádro je jednoduše řečeno špinavá sněhová koule (tím špinavá rozumějte opravdu špinavá – barvou se podobá spíše toneru do tiskáren než sněhu), která je po většinu doby svého pohybu po oběžné dráze tělesem s neznatelnou vnější aktivitou, tedy podobným planetkám. Jakmile se však přiblíží do vnitřní části sluneční soustavy, je natolik zahřívána Sluncem, že materiál v ní dosud pevně vázaný začne postupně sublimovat. Ne však najednou. V závislosti na energii, kterou je nutno jednotlivým sloučeninám dodat, aby sublimace proběhla, se některé látky odpařují dříve než jiné. Tím je způsobeno, že po několika desítkách oběhů kolem Slunce kometa na svém povrchu vytvoří krustu méně aktivních vrstev – jednoduše aktivovatelný materiál prostě vyprchá. Díky tomu s každým oběhem "stárne" a mění průběh své jasnosti v závislosti na vzdálenosti od Slunce, neboť aktivita celého jádra se stále více přesouvá do malých lokálních oblastí na povrchu. Nové aktivní oblasti vznikají buď samovolně (podpovrchovým výbuchem v důsledku nárůstu tlaku) nebo například střetem jádra s malým meteoroidem, který na povrchu vyhloubí kráter a odkryje tak dosud sluncem nezasažené vrstvy materiálu. Ty jsou pak mnohem aktivnější a vytváření známé jety – výtrysky. Dopad impaktoru na jádro je pak pokusem o umělé vytvoření takové aktivní oblasti, která svou velikostí může zmnohonásobit plochu, na které k uvolňování materiálu z jádra komety 9P/Tempel v současností dochází. Odborníci mise Deep Impact předpokládají, že v důsledku střetu s impaktorem by na několik desítek hodin až dní mohlo dojít ke zvýšení aktivity v takové míře, že kometa na obloze zjasní až o 6 magnitud – asi 250 krát!!! – a mohla by být krátkodobě pozorovatelná malými dalekohledy. V souvislosti s tím je vyhlášen program pozorování komety 9P/Tempel pro amatérské i profesionální astronomy z celého světa [6].

Kometa 9P/Tempel byla objevena 3. dubna 1867 a nese jméno svého objevitele, kterým byl Ernst Wilhelm Leberecht Tempel z Marseilles ve Francii. Kometu nalezl vizuálně jako objekt o jasnosti +9 mag. Její návrat v roce 1867 byl totiž z pohledu pozorovatelů na Zemi velmi výhodný, neboť kometa proletěla ve vzdálenosti pouhých 0,567 AU od Země, a to jen 9 dní před průchodem periheliem. Už při tomto prvním pozorovaném návratu byla rozeznána její periodičnost a stanovena doba oběhu kolem Slunce na 5,68 roku. Díky spočtené dráze tak kometa mohla být znovuobjevena již při následujícím průchodu přísluním v roce 1873. Poté byla pozorována ještě v roce 1879. V roce 1881 však prošla v těsné vzdálenosti 0,55 AU od Jupiteru a v důsledku jeho gravitačního působení došlo k poměrně výrazné změně její dráhy. Vzdálenost perihelia stoupla z 1,8 AU na 2,1 AU a prodloužila se také perioda oběhu – na 6,5 roku. Díky tomu se kometa stala pro pozemské pozorovatele značně slabší a v letech 1898 ani 1905 se jí nepodařilo znovuobjevit ani fotograficky. Teprve v roce 1963 B. G. Marsden ve své práci zabývající se ztracenými kometami [7] včetně 9P/Tempel provedl výpočty, do kterých po korekci dráhy z roku 1881 zahrnul také další přiblížení k Jupiteru v letech 1941 a 1953. Ukázalo se, že tato setkání snížila vzdálenost přísluní dokonce na hodnoty nižší, než byly ty v době objevu, a navíc kometu uvedla na dráhu blízkou rezonanci 1:2 s planetou Jupiter (poměr oběžných dob komety 9P a Jupiteru se blíží 1:2). Na základě nově vypočtené dráhy B.G. Marsden také učinil předpovědi pro návraty v letech 1967 a 1972, načež se kometu podařilo v roce 1968 zpětně nalézt na jediném snímku z roku 1967 jako objekt +18 mag. To však nestačilo k jejímu definitivnímu znovuobjevení. K tomu došlo teprve při následujícím návratu v roce 1972, kdy kometa dosáhla jasnosti asi +11 mag. Od té doby je pozorována pravidelně. Další výpočty ukázaly, že zatímco vzdálenost perihelu se u komety 9P/Tempel pohybuje v rozmezí do 10 AU již 3.105 let, je afelium mnohem méně stabilní. Inklinace dráhy – úhel, který svírá s rovinou ekliptiky – byla stejně nízká jako nyní po celou dobu, po jakou mají smysl provedené numerické simulace. V současnosti se kometa 9P/Tempel nachází na dráze mezi Jupiterem a Marsem s periodou oběhu 5,5 roku a excentricitou 0,5. Tyto hodnoty se však budou v budoucnu měnit v důsledku dalších přiblížení k planetě Jupiter [5,8].

Pokud jde o podmínky pozorování komety 9P/Tempel v roce 2005, nebudou pro středoevropany nijak výhodné. Kometa se totiž bude po celou první polovinu roku nacházet v souhvězdí Panny, tedy poměrně nízko nad jižním obzorem. Projde periheliem 5. července 2005, tedy jen den po předpokládané kolizi s impaktorem mise Deep Impact a v té době se bude na obloze promítat do vzdálenosti jen asi 3° od nejjasnější stálice souhvězdí Panny, hvězdy Spica o jasnosti +1 mag. Vyhledání komety tak bude poměrně jednoduché. Nevýhodou však je, že okamžik kolize je naplánován tak, aby byl nejlépe pozorovatelný z Ameriky. Nás však může těšit, že pokud ke zvýšení jasnosti komety 9P opravdu dojde, budeme ji moci za příznivého počasí sledovat den předem v normálním stavu a den poté již ve zjasnění, což bezesporu bude zajímavým zážitkem. O aktuální jasnosti komety 9P/Tempel vás budu informovat v polovině června a přiložím i vyhledávací mapku, možná ji budeme potřebovat.

Doufejme tedy společně, že mise Deep Impact přinese očekávané výsledky a držme palce kometě 9P/Tempel, aby střet ve zdraví přežila a mohla tak těšit oči a srdce pozemšťanů ještě mnoho století.