Ślady ciężkich pierwiastków w zimnych atmosferach komet. Polacy wśród odkrywców

Obecność luźnych skupisk atomów żelaza i niklu w atmosferze komet, które obserwowano w ciągu ostatnich dwóch dekad stanowi nie lada zaskoczenie. Dotyczy to około 20 z nich, w tym nawet jednej znajdującej się daleko od Słońca, w zimnym kosmicznym otoczeniu – sugeruje Jean Manfroid z University of Liège, kierujący belgijskimi badaniami dotyczącymi Układu Słonecznego, których wyniki opublikowano ostatnio w magazynie Nature. 

Astronomowie wiedzieli dotychczas, że ciężkie pierwiastki występują w pyłowych i skalistych wnętrzach komet. Zważywszy jednak na to, że metale w stanie stałym zwykle nie sublimują do stanu gazowego w niskich temperaturach, nie spodziewano się znaleźć ich w atmosferach zimnych komet, które znajdują się daleko od Słońca. Tymczasem nikiel i żelazo w stanie gazowym wykryto nawet w kometach odległych o 480 mln kilometrów od Słońca, czyli trzy razy dalej niż dystans Ziemia-Słońce.

Belgijski zespół wykrył żelazo i nikiel w kometarnych atmosferach mniej więcej w równych ilościach. Materia w naszym Układzie Słonecznym, na przykład obserwowana na Słońcu lub w meteorytach, zwykle zawiera około dziesięć razy więcej żelaza niż niklu. Nowy wynik ma więc duże znaczenie dla astronomów próbujących zrozumieć wczesny Układ Słoneczny, chociaż badacze wciąż próbują ustalić szczegóły.

"Obserwowane komety powstały około 4,6 mld lat temu, w bardzo młodym Układzie Słonecznym i nie zmieniły się od tamtych czasów. W tym sensie są dla astronomów jak skamieniałości" – mówi Emmanuel Jehin z University of Liège, współautor badań. Pomimo, że belgijska grupa badała te „skamieniałe” obiekty przy pomocy teleskopu VLT przez blisko 20 lat, aż do tej pory nie dostrzeżono występowania niklu i żelaza w atmosferach tych ciał. "To odkrycie ukrywało się przed naszym wzrokiem przez wiele lat" – wskazuje Jehin. 

Zespół użył danych z instrumentu Ultraviolet and Visual Echelle Spectrograph (UVES) na należącym do ESO teleskopie VLT. Wykorzystano technikę zwaną spektroskopią, aby przeanalizować atmosfery komet w różnych odległościach od Słońca. Technika ta pozwala astronomom na sprawdzenie składu chemicznego obiektów kosmicznych: każdy pierwiastek chemiczny pozostawia unikalną sygnaturę – zestaw linii – w widmie światła pochodzącego z tych obiektów.

Grupa z Belgii dostrzegła słabe, niezidentyfikowane linie widmowe w swoich danych z UVES, a po dokładniejszym zbadaniu zauważono, że sygnalizują one występowanie neutralnych atomów żelaza i niklu. Powodem trudności w zidentyfikowaniu ciężkich pierwiastków jest ich występowanie w bardzo małych ilościach: naukowcy szacują, że na każde 100 kg wody w kometarnych atmosferach  jest tylko 1 g żelaza i podobna ilość niklu.

Zwykle jest 10 razy więcej żelaza niż niklu, a w atmosferach tych komet znaleźliśmy mniej więcej takie same ilości obu pierwiastków. Wywnioskowaliśmy, że mogą one pochodzić ze specjalnego rodzaju materiału na powierzchni jądra kometarnego, sublimującego w raczej niskich temperaturach i uwalniającego żelazo oraz nikiel w zbliżonych proporcjach.

Chociaż badacze nie są obecnie pewni, jaki może to być materiał, być może postępy w tworzeniu sprzętu astronomicznego – takie jak w przypadku Mid-infrared ELT Imager and Spectrograph (METIS) na Ekstremalnie Wielkim Teleskopie (ELT) — pozwolą na ustalenie źródła atomów żelaza i niklu wykrywanych w atmosferach tych komet. Naukowcy z belgijskiego zespołu mają nadzieję, że ich badania przetrą szlaki dla przyszłych odkryć. "Teraz ludzie będą szukać tych linii w swoich danych archiwalnych z innych teleskopów" – mówi Jehin. "Sądzimy, że pobudzi to także nowe badania z tej tematyki" - dodaje.

Inny znaczący zbiór wyników opublikowany ostatnio w Nature pochodzi z badań dokonanych przez Polaków. Wskazują one, że cięższe metale występują także w atmosferze międzygwiazdowej komety 2I/Borisov. Zespół z Polski obserwował ten obiekt, pierwszą obcą kometę, która odwiedziła nasz Układ Słoneczny, około półtora roku temu, korzystając ze spektrografu X-shooter na teleskopie VLT. Okazało się, że zimna atmosfera 2I/Borisov zawiera gazowy nikiel.

"Najpierw trudno nam było uwierzyć, że atomowy nikiel naprawdę mógłby występować w 2I/Borisov, tak daleko od Słońca. Trzeba było zrobić wiele testów sprawdzających zanim sami siebie przekonaliśmy, że tak faktycznie jest" – wskazał Piotr Guzik z Uniwersytetu Jagiellońskiego w Krakowie. Odkrycie jest zaskakujące, ponieważ gazy z atomami ciężkich metali obserwowano jedynie w gorących środowiskach, takich jak atmosfery ultragorących egzoplanet lub parujące komety przechodzące zbyt blisko Słońca. 2I/Borisov obserwowano, gdy kometa znajdowała się około 300 milionów kilometrów od Słońca, czyli około dwa razy dalej niż dystans Ziemia-Słońce.

"Szczegółowe badanie obiektów międzygwiazdowych jest kluczowe dla nauki, ponieważ niosą one bezcenną informację o obcych systemach planetarnych, z których pochodzą. Nagle zrozumieliśmy, że gazowy nikiel jest obecny w atmosferach komet w innych zakątkach Galaktyki" - podkreślił Michał Drahus, współautor badań z Uniwersytetu Jagiellońskiego. Polskie i belgijskie badania pokazują, że 2I/Borisov i komety Układu Słonecznego mają jeszcze więcej wspólnego ze sobą niż do tej pory sądzono. "Wyobraźmy sobie, że komety Układu Słonecznego mają swoje prawdziwe odpowiedniczki w innych systemach planetarnych – super, nieprawdaż?" – podsumował Drahus.

Źródło: ESO