T´ oth Imre: V´ alaszok Petrovay Krist´of opponens k´erd´eseire
1
V´ alasz Dr. Petrovay Krist´ of opponens k´ erd´ eseire Doktori ´ ertekez´ es c´ıme: Az ekliptikai u ¨st¨ok¨os¨ok eredete ´es fizikai tulajdons´agai Doktori ´ ertekez´ es szerz˝ oje: T´oth Imre, PhD (MTA CSFK KTM CSI) Doktori ´ ertekez´ es kateg´ ori´ aja: MTA doktori disszert´aci´o Doktori ´ ertekez´ es tudom´ anyos oszt´ alya: MTA XI. Fizikai Tudom´anyok Oszt´alya K¨ osz¨ on¨ om Dr. Petrovay Krist´of opponensnek a disszert´aci´om gondos ´attanulm´anyoz´ as´ at ´es ´ert´ekel´es´et. K¨ ul¨ on k¨osz¨on¨om az opponensi v´elem´enyben feltett 3. ´es 4. sz´ am´ u k´erd´eseket, amelyek a Naprendszer kis ´egitestei fizikai tulajdons´agaival kapcsolatos tov´ abbi vizsg´ alatok ir´any´aba el˝oremutat´oak. A konkr´et k´erd´esekre a v´ alaszaim a k¨ovetkez˝ok: 1. A 24. ´ abr´ an milyen koordin´ atah´ al´ o van az ´ egitestre r´ avet´ıtve? M´ ask´ eppen: milyen (csillag´ aszati? geodetikus?) koordin´ atarendszerben ekvidiszt´ ansak az ott mutatott hossz´ us´ agi k¨ or¨ ok? R´ an´ ez´ esre ugyanis a r´ avet´ıtett koordin´ atah´ al´ o lapult (obl´ at) szferoid´ alis alakot sugall. Az ´ertekez´es 24. ´ abr´ aj´ an l´athat´o koordin´atah´al´o az ellipszoid modell l´athat´os´ag´at seg´ıti el˝ o. A koordin´ atah´ al´ o az (x, y, z) t´erbeli der´eksz¨og˝ u kordin´atarendszer (x, y) s´ıkj´ aban m´ert (0 ≤ λ0 ≤ 2π) hossz´ us´ag ´es 0 ≤ |φ0 | ≤ π/2 sz´eless´eg param´eteres koordin´ at´ ak ekvidiszt´ ans l´ep´eseivel k´esz¨ ult, amelyek az ellipszoid k¨oz´eppontj´aban felvett der´eksz¨ og˝ u koordin´ at´ akkal a k¨ovetkez˝o ¨osszef¨ ufgg´esben ´allnak: x
= a cos φ0 cos λ0
y
= b cos φ0 sin λ0
z
= c sin φ0 ,
(1)
ahol a ≥ b ≥ c az ellipszoid f´elnagytengelyeinek hossza. Az ´ertekez´es 24. ´abr´aj´an az ellipszoid modell nem a lapult forg´asszimmetrikus (obl´at: a = b > c, ami a c tengely k¨ or¨ ul forg´ asszimmetrikus), hanem az elny´ ujtott modell (prol´at: a > b = c, ami az a tengely k¨ or¨ ul forg´ asszimmetrikus, de eset¨ unkben a test, u ¨st¨ok¨osmag a c tengelye k¨ or¨ ul forog). Az u ¨st¨ ok¨ osmag c tengelyir´any´ u forg´astengely´enek megfigyel´esekb˝ol adott ekliptikai koordin´ at´ ai ´es a Deep Space 1 u ˝rszonda ´altal k´esz´ıtett k´ep orient´aci´oja (¨ ust¨ ok¨ osmag ´es kamera ir´ anya) figyelembe lett v´eve. L´athat´o, hogy az ´abr´an a a param´eteres koordin´ at´ ak (sz¨ogek) ekvidiszt´ans l´ep´esk¨oze nem adja az ellipszoid fel¨ ulet´en a koordin´ atah´ al´ ozat egyenk¨oz˝ u l´ep´eseit, hiszen p´eld´aul k´et hossz´ us´agi k¨or k¨ oz¨ otti ´ıvhosszak t´ avols´ aga er˝osen v´altoz´o. Felmer¨ ul a k´erd´es, hogyan lehetne jobban ´erz´ekeltetni az ellipszoid fel¨ ulet´en a koordin´ atah´ al´ ozatot az ekvidiszt´ans l´ep´esk¨oz s˝ ur´ıt´ese n´elk¨ ul - hogyan lehetne az ellipszoid alak, fel¨ ulet l´ athat´ os´ag´at jav´ıtani? Milyen koordin´atah´al´ozat lenne jobban ekvidiszt´ ansnak l´ athat´ o az ellipszoidra? Az ellipszoid fel¨ ulet´enek legnagyobb r´esz´en ekvidiszt´ans koordin´atah´al´ozat egy megold´ as´ at a XIX. sz´ azadban Carl Jacobi dolgozta ki az ellipszoid´alis sz´eless´eg ´es hossz´ us´ ag (β, ω) koordin´ at´ ak bevezet´es´evel, ezek ´es az (x, y, z) der´eksz¨og˝ u koordin´at´ak k¨ oz¨ ott a k¨ ovetkez˝ o¨ osszef¨ ugg´es ´all fenn (Karney, 2013: GeopgraphicLIB 1.29 - Geodesics on a triaxial ellipsoid): p a2 − b2 sin2 β − c2 cos2 β √ x = a cos ω a2 − c2 y = b cos β sin ω p a2 sin2 ω + b2 cos2 ω − c2 √ z = c sin β . (2) a2 − c2
T´ oth Imre: V´ alaszok Petrovay Krist´of opponens k´erd´eseire
2
Az ellipszoid p´ olusai k¨ or¨ ul (a +z ´es −z tengelyek v´egpontjain´al) a hossz´ us´agi k¨or¨ok nem egy pontban, hanem egy z´art ter¨ ulet ´altal k¨ozrefogott ter¨ uleten haladnak ´at (1. abra). ´
1. ´ abra. Ellipszoid fel¨ulet´en a Jacobi-f´ele ellipszoid sz´eless´egi ´es hossz´us´agi k¨or¨ok (β, ω) szeml´eltet´ese 10◦ l´epesekben. Az a ´bra egy h´ aromtengely˝ u ellipszoidot mutat: a = 1, 01, b = 1, c = 0, 8 f´elnagytengelyekkel, ortografikus vet¨ uletben (forr´ as: Charles F. F. Karney, 2013, GeographicLIB 1.29 - Geodesics on a triaxial Ellipsoid, http://geographiclib.sourceforge.net/1.29/triaxial.html).
Lehetne egy m´ asik megold´as is az ellipszoid fel¨ uleti koordin´atah´al´ozat´anak egyenletess´e t´etel´ere: p´eld´ aul a sz´eless´egi k¨or¨ok k¨oz¨ott egyenl˝o ´ıvhosszak felv´etel´evel, de a hossz´ us´ agi k¨ or¨ ok ´ abr´ azol´as´ara a legnagyobb f˝og¨orb¨ ulet˝ u (legkisebb f˝og¨orb¨ uleti sugar´ u) orrpontban (nagytengely-v´egpont) a j´o l´athat´os´ag szempontj´ab´ol elegend˝oen kis ´ıvhossz v´ alaszt´ asa lenne c´elszer˝ u.
2. Az EPOXI misszi´ onak a 103P/Hartley u ¨ st¨ ok¨ os magj´ ara vonatkoz´ o eredm´ enyei (2,33 km hossz´ u, elny´ ult s´ ulyz´ o alak´ u mag) hogyan egyeztethet˝ ok ossze a jel¨ ¨ olt kor´ abbi idev´ ag´ o m´ er´ esi eredm´ enyeivel? A k´erd´es a 103P/Hartley 2-¨ ust¨ok¨os magj´anak val´odi alakja ´es el˝ozetes u ˝rcsillag´aszati megfigyel´es´evel kapott eredm´eny ¨osszehasonl´ıt´as´aval kapcsolatos. A 103P/Hartley 2 ekliptikai u ¨st¨ok¨os (103P) u ˝rcsillag´aszati megfigyel´ese az ISO ˝ Infrav¨ or¨ os Urobszervat´ orium (Infrared Space Observatory) ISOCAM (Infrared Camera) m˝ uszer´evel t¨ ort´ent 1998. febru´ar 5-´en 46 nappal a napk¨ozels´ege ut´an, amikor az u ¨st¨ ok¨ os 1,21 CsE napt´ avols´ agbhan ´es 0,91 CsE f¨oldt´avols´agban volt 53,2◦ f´azissz¨ogn´el. Az infrav¨ or¨ os detektor egy k´epelem´enek m´erete az u ¨st¨ok¨osn´el 988 km m´eret˝ u volt. Az u ¨st¨ ok¨ osmag megfigyelhet˝ o volt a 11,5 mikronos hull´amhosszon (LW10 sz´eless´av´ u sz˝ ur˝ o) term´ alis infrav¨ or¨ os sug´arz´asi fluxusa 41,2 millijansky volt.
T´ oth Imre: V´ alaszok Petrovay Krist´of opponens k´erd´eseire
3
Csak snapshot (”pillanatfelv´etel”) jelleg˝ u megfigyel´es volt, teh´at nem volt az u ¨st¨ ok¨ osmag teljes tengelyk¨ or¨ uli forg´asidej´et ´atfog´o fluxusg¨orbe (f´enyg¨orbe) megfigyel´es, amelyb˝ ol az u ¨st¨ ok¨ osmag hosz´ uk´as alakja elny´ ujtotts´ag´anak m´ert´ek´enek lehets´eges als´ o hat´ ara fmin megbecs¨ ulhet˝o lett volna: egy (a > b = c f´elnagytengelyekkel le´ırhat´ o, a c tengelye k¨ or¨ ul forg´o elny´ ujott ellipszoid test modellben fval´odi ≥ fmin . ˝ S˝ ot, sajnos nem volt a Hubble Urteleszk´ oppal sem megfigyelve a 103P u ¨st¨ok¨os a l´ athat´ o f´enytartom´ anyban, ´ıgy nem volt a HST-vel f¨ uggetlen megfigyel´es, ami lehet˝ov´e tette volt a m´eret ´es albed´ o egyidej˝ u meghat´aroz´as´at, illetve a l´athat´o f´enyg¨orbe az infrav¨ or¨ os fluxusg¨ orbe mellett, ann´al pontosabb alak meghat´aroz´ast (fmin becsl´est) tett volna lehet˝ ov´e. A HST PC2 (Bolyg´okamera 2) m˝ uszer´enek egy k´epeleme az u ¨st¨ ok¨ os t´ avols´ ag´ aban 16,8 km lett volna, ami jobb u ¨st¨ok¨osmag/k´oma kontrasztot eredm´enyezett volna, mint az infrav¨or¨os detektor eset´en volt ugyanolyan megfigyel´esi geometria mellett. Mivel sajnos nem volt az infrav¨or¨os megfigyel´esekkel (ISO) k¨ozel egyidej˝ u (HST) megfigyel´es a l´ athat´ o f´enytartom´anyban, ez´ert az u ¨st¨ok¨osmagokra ´altal´anosan elfogadott ´es ´erv´enyes 0,04 geometriai albed´o ´ert´eket kellett felt´etelezni. Az ISO megfigyel´es alapj´ an a 103P u ¨st¨ ok¨ os magj´ anak effkt´ıv r´adiusza 0, 71 ± 0.13 km, ami egy 1,42 km-es atm´er˝ ´ oj˝ u g¨ omb alak´ u testnek felel meg. Az EPOXI (Extrasolar Planet Observation and Deep Impact Extended Investigation) u ˝rszonda 103P u ¨st¨ ok¨ os magja k¨ozel´eben t¨ort´ent helysz´ıni elrep¨ ul´ese alapj´an kapott eredm´enyek szerint az u ¨st¨ok¨osmag egy 2,33 km hossztengely˝ u, erre a tengelyre k¨ ozel forg´ asszimmetrikus s´ ulyz´o alak´ u test (Thomas ´es m´asok, 2013: Icarus 222, 550-558). Egy ilyen elny´ ujtott alak´ u forg´o test forg´asi f´azisa ´es r´al´at´asi geometri´aja k¨ ovetkezm´enye lehet, hogy az ISO megfigyel´esek az u ¨st¨ok¨osmagnak a m˝ uszer detektor´ anak k´eps´ıkj´ aba es˝ o kisebb keresztmetszet˝ u vet¨ ulet´et mutatt´ak. Az EPOXI megfigyel´esekb˝ol ismert forg´astengely ´es az ISO megfigyel´esi geometriai lehet˝ ov´e teszi, hogy az ISO megfigyel´es idej´en az u ¨st¨ok¨osmagot ne a forg´astengelye ir´ any´ ab´ ol n´ezz¨ uk, hanem egy k¨ozb¨ uls˝o r´al´at´asi sz¨ogn´el ´es olyan forg´asi f´azisn´al, hogy ezekb˝ ol az ISO ´ altal megfigyelt kisebb keresztmetszetet ad´odhat. Megjegyzem, hogy a 103P magja ¨osszetett forg´omozg´ast v´egez (Belton ´es m´asok, 2013: Icarus 222, 595-609), ami befoly´asolhatja az egyszer˝ u forg´omozg´as figyelembe v´etel´evel ad´ od´ o megfigyel´esi geometri´at, de az ¨osszetett forg´omozg´as is lehet˝ov´e teszi az ISO megfigyel´esek idej´en megfigyelt kisebb keresztmetszetet. Egy´ebk´ent az ISO megfigyel´esek alapj´an t¨ort´ent m´eretmeghat´aroz´asban az u ¨st¨ ok¨ osmag geometriai albed´ oj´anak, valamint a f´azisintegr´alnak a 103P u ¨st¨ok¨os´et˝ol k¨ ul¨ onb¨ oz˝ o ´ert´ekei is okozhatnak elt´er´est a helysz´ıni u ˝rszonda ´altal megfigyeltekt˝ol. ¨ Osszefoglalva: a 103P/Hartley 2 u ¨st¨ok¨os magj´anak m´erete k¨oz¨otti k¨ ul¨onbs´eg, ami az ISO ´es EPOXI megfigyel´esek k¨oz¨ott tapasztalhat´o, els˝osorban az er˝osen elny´ ujtott alak´ uu ¨st¨ ok¨ osmagnak az ISO megfigyel´es idej´en fenn´alt megfigyel´esi, r´al´at´asi geometriai helyzet´eb˝ ol ad´ odik (snaphsot megfigyel´es).
3. Milyen okai lehetnek a 17P/Holmes-¨ ust¨ ok¨ os szuperkit¨ or´ eseinek? 2007. okt´ ober 24,0 UT-kor felfedezt´ek, hogy a 17P/Holmes ekliptikai u ¨st¨ok¨os v´ aratlanul mintegy 14 magnit´ ud˝oval kif´enyesedett ´es szabad szemmel is j´ol l´athat´ov´a v´ alt a napk¨ ozels´ege ut´ an mintegy 5 h´onappal. Egy´ebk´ent az u ¨st¨ok¨os felfedez´es´et is egy ilyen szuperm´eret˝ u f´enyess´egkit¨or´es tette lehet˝ov´e 1892-ben, s a 2007-es u ´jabb, megfigyelt szuperkit¨ or´es´eig 115 ´ev telt el. A Holmes-¨ ust¨ok¨os impulzusszer˝ uen (n´eh´any ora leforg´ ´ asa alatt) mintegy (2 − 90) × 1010 kg poranyagot dobott ki a k´om´aba, a porkibocs´ at´ as cs´ ucsa 2007. okt´ober 24,54±0,01 UT-kor volt 3, 5 × 105 kg s−1 maxim´ alis porkibocs´ at´ assal (Li ´es m´asok, 2011: Astrophys. J. 728, 31). A hirtelen nagy f´enyess´egn¨ oveked´es, illetve nagy mennyis´eg˝ u poranyagnak a k´om´aba t¨ort´ent kidob´ od´ asa alapj´ an ”szuperkit¨or´esr˝ol” vagy ”megakit¨or´esr˝ol” tesz eml´ıt´est a szakirodalom (superoutburst, megaoutburst, megaburst).
T´ oth Imre: V´ alaszok Petrovay Krist´of opponens k´erd´eseire
4
2. ´ abra. A hidrog´en-peroxid (H2 O2 ) molekula szerkezete (bal fels˝o panel), szil´ard f´azis´anak szerkezete (jobb fels˝ o panel), valamint szil´ ard-foly´ekony a ´llapot´ anak f´ azisdiagramja (nem a szok´ asos p-T s´ıkon, hanem a T-koncentr´ aci´ o s´ıkon) (Giguere, 1975: Complements au Nouveau Traite de Chimie Min´erale, No. 4, Paris, Masson 1975; Miles, 2007: astro-ph: ArXiv 0712.3314).
Itt most k´et, els˝ osorban tudom´anyt¨ort´eneti jelleg˝ u magyar´azat ut´an ismertetem a ma sz´elesk¨ orben elfogadott, de m´eg vitatott, nem v´egleges modelleket a 17P/Holmes u ¨st¨ ok¨ os megfigyelt szuperkit¨ or´eseinek magyar´azat´ara. Els˝ osorban tudom´ anyt¨ ort´eneti jelent˝os´eg˝ u magyar´azatok: ¨ oz´esi hipot´ezis. Az u 1. Utk¨ ¨st¨ok¨os magja kett˝os ´egitest: egy kis m´eret˝ u k´ıs´er˝oje van ´es ez k´etszer s´ urlolta a nagyobb mag felsz´ın´et, ami anyag felszabadul´assal j´ art 1892. ˝ osz´en ´es 1893. janu´arj´aban (Whipple, 1984: Icarus 60, 522-531). Ez a feltev´es a 2007-es szuperkit¨or´est is figyelembe v´eve teljesen val´osz´ın˝ utlen, ugyanis az ilyen u ¨tk¨ oz´esek nem okozhatnak olyan nagy mennyis´eg˝ u anyag kiszabadul´ as´ at az u ¨st¨ ok¨ osmagb´ol, ami a megfigyelt f´enyess´egn¨oveked´est eredm´enyezn´e (ak´ ar az 1892/93-as, ak´ar a 2007-es szuperkit¨or´esek eset´en). Amennyiben ez a ”s´ url´ o” (grazing) u ¨tk¨oz´esi hipot´ezist t´etelezn´enk fel a 2007-es szuperkit¨or´es magyar´ azat´ ara, ez a mechanizmus nem m˝ uk¨odne, mert egy´altal´an a 115 ´even kereszt¨ ul igen sok ilyen u ¨tk¨oz´esnek kellett volna t¨ort´ennie, ami miatt ezt az u ¨st¨ ok¨ os egy rendszeresen szuperkit¨or´esben l´ev˝o ´egitest lenne, amit nem figyelt¨ unk meg, illetve m´ ar 1-2 s´ url´od´o u ¨tk¨oz´es ut´an vagy teljesen sz´etese vagy pedig teljesen m´ as, u ¨tk¨ oz´est elker¨ ul˝o p´aly´ara ´allna a kis ´egitest, ami nem eredm´enyezne tov´ abbi kit¨ or´eseket. Az u ¨t¨ok¨oz´esi hipot´ezis m´ar nem is ker¨ ult el˝o a Holmesu ¨st¨ ok¨ os 2007-es szuperkit¨or´es´enek magyar´azat´ara.
T´ oth Imre: V´ alaszok Petrovay Krist´of opponens k´erd´eseire
5
2. A hidrog´en-peroxid, illetve a folyad´ek f´azis lehets´eges szerepe az u ¨st¨ok¨oskit¨or´esekben. A hidrog´en-peroxid (H2 O2 vagy m´as k´emiai k´eplettel HOOH, amit n´eha ”oxid´ alt v´ıznek” is szoktak nevezni), az u ¨st¨ok¨osmag por´ozus felsz´ınen ultraibolya sug´ arz´ as, napsz´el r´eszecsk´ek vagy kozmikus sug´arz´as hat´as´ara alakulhat ki (pl. elektronok hat´as´ara krist´alyos v´ızj´egben, l. Zheng ´es m´asok, 2006: Astrophys. J. 639, 534), de m´ar l´etrej¨ohetett a csillagk¨ozi anyagban, illetve a csillagk¨ or¨ uli ˝ osk¨ odben is. Az ESO APEX (Atacama Pathfinder EXperiment) teleszk´ opj´ aval a szubmillim´eteres tartom´anyban a rho Ophiuchii magj´aban kimutatt´ ak a hidrog´en-peroxidot (Bergman ´es m´asok, 2011: Astron. Astrophys. 531, L8). A Naprendszerben a Ganymedes, Callisto ´es Enceladus holdakon, valamint a Marson is kimutatt´ak a hidrog´en-perodixot (Hendrix ´es m´asok, 1999: LPSC 30, 2043; Encrenaz, 2004: Icarus 170, 424). A hidrog´en-peroxid teh´at el˝ ofordul a csillagok k¨ or¨ uli korongok anyag´aban ´es el˝ofordulhatott a Naprendszer ˝ osk¨ od´eben is, amib˝ol az u ¨st¨ok¨os¨ok kialakultak. Az u ¨st¨ ok¨ osmagban a hidrog´en-peroxid izol´alt krist´alyos v´ızj´eg trimerben van jelen (HOOOH • 2H2 O) mintegy 80 K h˝om´ers´ekleten ´es ha a h˝om´ers´eklet el´eri a mintegy 150 K-ot, akkor a trimerek krist´alyos HOOOH • 2H2 O dihidr´atokk´a alakulnak. A 2. ´ abra a hidrog´en-peroxid f´azis all´apotait mutatja a h˝om´ers´eklet ´es koncentr´ aci´ o s´ıkon. Mintegy 217 K (-56 C) k¨or¨ ul a szil´ard-foly´ekony f´azis´atmenet lehets´eges. A NASA Stardust u ¨st¨ ok¨osszond´aja ´altal a 81P/Wild 2 ekliptikai u ¨st¨ok¨osn´el begy˝ ujt¨ ott porminta laborat´oriumi vizsg´alata kimutatta a vas-odixdok ´es vashidroxidok jelenl´et´et (hematit, goethite: FeOOH, stb.), amik az u ¨st¨ok¨osmagokban a hidrog´en-peroxid katalitikus sz´etbont´as´at teszik lehet˝ov´e, s ez a folyamat alapja lehet az u ¨st¨ ok¨ os¨ ok szuperkit¨or´es´enek. A v´ızhez k¨ ot¨ ott hidrog´en-peroxidb´ol (H2 O2 (aqueous)) p´eld´aul egy f´em kataliz´ ator seg´ıts´eg´evel (vas: Fe) v´egbemen˝o katalitikus folyamat sor´an oxig´en g´az szabadul fel - ez a hidrog´en-peroxid katalitikus felbont´asa, dekompoz´ıci´oja (Abbot ´es Brown, 2004: J. Chem. Kinetics 22(9), 963): 2 H2 O2 → 2 H2 O(foly´ekony) + O2 A folyamat h˝ otermel˝ o ´es oxig´en g´azt szabad´ıt fel ami tov´abbi jegek (v´ızj´eg, sz´enmonoxid-j´eg, sz´endioxid-j´eg) heves szublim´aci´oj´at ind´ıtja el. Az oxig´en pedig az u ¨st¨ ok¨ osmag felsz´ıne al´ol hevesen (nagy sebess´eggel) kit¨orni igyekszik. A kit¨ or˝ o g´ azok a port ´es a mag k¨ uls˝o felsz´ıni r´eteg´et k´epesek leszak´ıtani ´es a k´ om´ aba kisz´ orni. A Stardust eredm´enyei alapj´an Miles (2007: astro-ph ArXiv 0712.3314) felt´etelezi, hogy az u ¨st¨ok¨osmagban van elegend˝o f´em is, p´eld´aul vas (Fe), amely k´epes katalitikus reakci´oba l´epni a hidrog´en-peroxiddal a mag felsz´ıne alatt ´es heves kit¨or´est produk´alni. A hidrog´en-peroxid vas-kataliz´alt dekompoz´ıci´ oja alapja lehet egy u ¨st¨ok¨osmag szuperkit¨or´es´enek, s˝ot a mag teljes sz´etes´esi folyamat´ at is elind´ıthatja (Miles 2007).
T´ oth Imre: V´ alaszok Petrovay Krist´of opponens k´erd´eseire
6
Meg kell jegyezni, hogy hidrog´en-peroxidnak az u ¨st¨ok¨oskit¨or´esekben bet¨olt¨ott esetleges szerep´evel kapcsolatban Miles (2007: astro-ph ArXiv 0712.3314) k´eziratot k¨ uld¨ ott be a Monthly Notices of the Royal Astronomical Society neves szakfoly´ oiratba, ahol v´eg¨ ulis nem jelent meg, de a k¨ ul¨onb¨oz˝o vegy¨ uletek lehets´eges folyad´ek f´ azis´ ar´ ol v´eg¨ ulis megjelentetett egy r´eszletesebben kidolgozott cikket Miles ´es Faillace (2012: Icarus 219, 567-595. oldal). A cikk szerint a v´ız (H2 O), metanol (CH3 OH), et´an (C2 H6 ) ´es n´eh´any m´as egyes k¨ot´es˝ u egyszer˝ ubb sz´enhidrog´enek Cn H2n+2 , u ´n. alk´anok, pl.: az et´an C2 H6 , (n = 2) ´es prop´en C3 H8 , (n = 3), illetve Cn H2n alk´enek nagy napt´avols´agban folyad´ek f´azisban lehetnek az u ¨st¨ ok¨ osmag belsej´eben. Miles ´es Faillace (2012) az u ¨st¨ok¨osmagokra r´eszletes h˝ o- ´es anyagszerkezeti modellt alkalmaztak ´es figyelembe vett´ek a h¨ ovezet´est, porozit´ ast ´es a poros-jeges anyag termo-mechanikai tulajdons´agait is. Ezeknek a vegy¨ uleteknek a f´azisdiagramj´an ugyanis a h´armaspont nagyon alacsony h˝ om´ers´ekletn´el van ´es ´ıgy nagy napt´avols´agban el˝ofordulhatnak folyad´ek f´ azisban. A felsz´ın alatt a felsz´ınhez k¨ozel kialakulhat egy stabil, hossz´ u ´elettartam´ u folyad´ekr´eteg, amely megn¨oveli a h˝ovezet˝ok´epess´eget, amelynek k¨ ovetkezt´eben a mag egyre m´elyebb r´eszei is felf˝ ut˝odhetnek. Amennyiben ill´ekony sz´enmonoxid (CO), sz´endioxid (CO2 ) ´es met´an (CH4 ) is jelen van, p´eld´aul m´ as jegekbe ´ agyazottan (”trapped volatiles”, ”trapped gases”), akkor ezek heves szublim´ aci´ oba kezdhetnek ´es jeges-poros szemcs´eket magukkal ragadva kit¨or´est produk´ alhatnak az u ¨st¨ ok¨osmagon. Ez az elk´epzel´es ma m´eg vitatott ´es csak a k¨ ozelj¨ ov˝ o helysz´ıni u ˝rszond´as vizsg´alatai - pl. az ESA Rosetta programja ´altal ellen˝ orizhet˝ o az elm´elet helyess´ege. A ma legelfogadottabb magyar´azatok a 17P/Holmes-¨ ust¨ok¨os szuperkit¨or´eseinek magyar´ azat´ ara, amelyek 2007-t˝ ol 2012-ig az ut´obbi ¨ot ´evben l´attak napvil´agot: 1. Amorf-krist´ alyos v´ızj´eg f´azis´atalakul´asa ´es az u ¨st¨ok¨oskit¨or´es. F¨oldi k¨or¨ ulm´enyek k¨ oz¨ ott a term´eszetben a v´ızj´eg krist´alyos form´aban fordul el˝o, de asztrofizikai k¨ ornyezetben alacsony h˝om´ers´ekleten (a nyom´ast´ol ´es az aktu´alis h˝om´ers´eklett˝ol f¨ ugg˝ oen) 120 K alatt metastabil, amorf f´azisban. Amikor a h˝om´ers´eklet 150 K f¨ ol´e kezd emelkedni az amorf v´ızj´eg k¨ob¨os krist´alyos form´aba alakul ´at, majd egy j´ ol behat´ arolhat´ o sz¨ uk h˝om´ers´eklettartom´anyban 195-223 K k¨oz¨ott stabil hexagon´ alis krist´ alyos form´aba alakul ´at (3. ´abra). A folyamat h˝ofelszabadul´ assal j´ ar, amelynek m´ert´eke 9 × 104 J kg−1 (Ghormley, 1968: J. Chem. Phys. 48, 503-508). A Halley-¨ ust¨ ok¨ os 1991-es kit¨or´es´enek legval´osz´ın˝ ubb magyar´azata az u ¨st¨ok¨osmagban lev˝ o v´ızj´eg amorf-krist´alyos f´azis´atalakul´asa lehet (Prialnik ´es Bar-Nun, 1992: Astron. Astrophys. 258, L9-L12; Sekanina ´es m´asok, 1992: Astron. Astrophys. 263, 367-386). Ehhez hasonl´oan Sekanina (2008: ICQ 30, 3-28) szerint a 17P/Holmes-¨ ust¨ok¨os szuperkit¨or´eseinek, k¨ozt¨ uk a 2007-ben megfigyeltnek is az u ¨st¨ ok¨ osmagban l´ev˝o amorf v´ızj´eg krist´alyos v´ızj´egg´e val´o f´azis´atalakul´asakor felszabadul´ o h˝ o´ altal meg´ınd´ıtott heves szublim´aci´o, g´az- ´es porkibocs´at´as lehetett. A mag felsz´ıne alatt egy krist´alyosod´asi front z´ona alakul ki, amely lassan, a napk¨ or¨ uli kering´esenk´ent egyre m´elyebbre hatol a magban ´es az addig m´eg amorf f´ azisban lev˝ o v´ızjeget krist´alyos f´azisba alak´ıtja ´at mik¨ozben heves szublim´ aci´ o indul meg (Prialnik, 1992: Astrophys. J. 388, 196-202).
T´ oth Imre: V´ alaszok Petrovay Krist´of opponens k´erd´eseire
7
3. ´ abra. A k¨ob¨os krist´alyos v´ızj´eg (Ic ) szerkezete - csak az oxig´en atomokat felt˝untetve (bal fels˝ o panel), a hexagon´ alis krist´ alyos v´ızj´eg (Ih ) szerkezete (jobb fels˝ o panel), illetve a v´ız f´ azisdiagramja (als´ o panel). Az amorf v´ızj´egb˝ ol a k¨ ob¨ os krist´ alyos a ´talakul´ as mintegy 150 Kn´ al (–123 C) indul meg ´es 195-223 K (–78/–50 C) k¨ oz¨ ott alakul ki a hexagon´ alis krist´ alyos szerkezet (´ abr´ ak forr´ asai: http://www.uwbg.edu, http://en.wikipedia.org/Phase diagram).
A heves szublim´ aci´ oval a j´egb˝ol felszabadul´o nagy mennyis´eg˝ u g´az nyom´as´anak is szerepe van az u ¨st¨ ok¨ oskit¨or´esben. A v´ızj´eg amorf-krist´alyos f´azis´atalakul´asakor az u ¨st¨ ok¨ osmag felsz´ıne k¨ozel´eben a g´aznyom´as megn¨ovekszik, ami a felsz´ın poros-jeges anyag´ aban (a felsz´ın k¨ uls˝o k´erg´eben) mechanikai fesz¨ ults´eget kelt. A KOSI u ¨st¨ ok¨ osanyag szimul´aci´os labor k´ıs´erletek szerint ennek megengedett legnagyobb ´ert´eke mintegy ∼ 105 din cm−2 (Kochan ´es m´asok, 1989: Adv. Space Res. 9, 113) ´es ezen ´ert´ek felett az u ¨st¨ok¨osmag felsz´ıne berepedezik, sz´ett¨ oredezik ´es lev´ alik a felsz´ınr˝ol (Prialnik ´es Bar-Nun, 1992; Sekanina, 2008). Teh´ at ´ıgy dob´ odhatott le a 17P/Holmes-¨ ust¨ok¨os mag felsz´ın´enek egy r´esze m´eter – n´eh´ anyszor t´ız m´eteres k´ereg vastags´agban. Sekanina (2008) a v´ızj´eg mellett a az u ¨st¨ ok¨ osmagban jelenl´ev˝o sz´enmonoxid heves szublim´aci´oj´at is felt´etelezte, ami seg´ıthette a mag k¨ uls˝o r´eteg´enek, ezzel egy¨ utt pedig nagy mennyis´eg˝ u pornak a k´ om´ aba val´ o felemel´es´et.
T´ oth Imre: V´ alaszok Petrovay Krist´of opponens k´erd´eseire
8
2. A sz´enmonodix (CO) szerepe. Kossacki ´es Szutowicz (2010: Icarus 207, 320-340) r´ amutatott, hogy a 17P/Holmes-¨ ust¨ok¨os szuperkit¨or´es´et nem is lehet egyed¨ ul csak a v´ızj´eg amorf-krist´alyos f´azis´atalakul´as´aval megmagyar´azni. A poros v´ızj´egb˝ ol ´ all´ o mag amorf-krist´alyos v´ızj´eg f´azis´atalakul´as´aval felszabadul´o energia nem elegend˝ o a szuperkit¨or´es ut´an megfigyelt nagy t¨omeg˝ u pork´oma kialakul´ as´ ahoz. Kossacki ´es Szutowicz (2010) teh´at a Sekanina (2008) magyar´azatnak egy f¨ uggetlen meger˝ os´ıt´es´et adt´ak meg, mert kimutatt´ak, hogy a magban l´ev˝o sz´enmonoxid-j´eg (CO) gyors szublim´aci´oja val´oban sz¨ uks´eges a mag felsz´ın k¨ozeli g´ aznyom´ as megn¨ ovel´es´enek, ami meghaladhatja a mag szil´ard k¨ uls˝o r´eteg´enek szak´ıt´ oszil´ ards´ ag´ at, s ´ıgy kit¨or´esszer˝ uen nagy mennyis´eg˝ u por szabadulhat ki a magb´ ol. 3. M´ as g´ azok szublim´ aci´ oj´anak szerepe. Gronkowski ´es Sacharczuk (2010: Mon. Not. R. Astron. Soc. 408, 1207-1215) n´egy mechanizmust vizsg´altak meg a 17P/Holmes-¨ ust¨ ok¨ os szuperkit¨or´eseinek magyar´azat´ara: (a) A hidrog´encianid (HCN) polimeriz´aci´oja. A Halley-¨ ust¨ok¨osben kimuatatott CHON (C, H, O ´es N tartalm´ u) porszemcs´ek a hidrog´encianid jelenl´et´ere utalnak az u ¨st¨ ok¨ osmagokban. A HCN a csillagk¨ozi anyagban is ´es az u ¨st¨ok¨ osmagokban is mintegy 0,1–4% k¨oz¨otti gyakoris´aggal fordul el˝o. A HCN polimeriz´ aci´ oja a csillagk¨ozi porszemcs´ek fel¨ ulet´en ultraibolya sug´arz´as hat´ as´ ara v´egbemehetett, ´ıgy a Naprendszer ˝osk¨od´eben m´ar adva lehetett polimeriz´ alt HCN. Az u ¨st¨ok¨oskit¨or´es szempontj´ab´ol a m´ar kialakult u ¨st¨ ok¨ osmagon bek¨ ovetkez˝o HCN polimeriz´aci´o a fontos: ugyanis a HCN az u ¨st¨ ok¨ osmag felsz´ınk¨ozeli r´etegeinek fejl˝od´ese sor´an is v´egbemehet ultraibolya sug´ arz´ as hat´ as´ ara a polimeriz´aci´o, amelynek sor´an 1, 85 × 107 J kg−1 h˝ oenergia szabadul fel (Rettig ´es m´asok 1992: Astrophys. J. 398, 293; Gronkowski ´es Smela, 1998: Astron. Astrophys. 338, 761). A HCN polimeriz´ aci´ oj´ aval felszabadul´o h˝o megind´ıthatja a magban l´ev˝o amorf v´ızj´eg krist´ alyos v´ızj´egg´e val´o f´azis´atalakul´as´at, ami heves szublim´aci´ot eredm´enyez. (b) Csak a v´ızj´eg amorf-krist´alyos f´azis´atalakul´as´aval felszabadul´o h˝o (HCN polimeriz´ aci´ oja ´es CO szerepe n´elk¨ ul). Az amorf v´ızj´eg krist´alyos v´ızj´egg´e t¨ ort´en˝ o f´ azis´ atalakul´asakor er˝os szublim´aci´o ´es porkiszabadul´as megy v´egbe, ami nagy t¨ omeg˝ u pork´oma kialakul´as´ahoz vezet (l. fentebb m´eg a Sekanina (2008) modellt). (c) H˝ o hat´ as´ ara keletkez˝o mechanikai fesz¨ ults´egek az u ¨st¨ok¨osmagban. Az u ¨st¨ ok¨ os¨ ok elny´ ujtott ellipszis p´aly´an keringenek a Nap k¨or¨ ul. A 17P/Holmes ekliptikai u ¨st¨ ok¨ os ellipszis p´aly´aj´anak excentricit´asa 0,432, a p´alya f´elnagytengelye 3,61 CsE, legk¨ozelebb 2,05 CsE-re, legt´avolabb pedig 5,18 CsE-re van a Napt´ol, kering´esi ideje 6,88 ´ev (JPL oszkul´al´o p´alyaelemek id. 9000217, az 1964-2007. k¨oz¨otti megfigyel´esek alapj´an). Az u ¨st¨ok¨osmag felsz´ıne ´es belseje k¨oz¨otti h˝om´ers´eklet k¨ ul¨onbs´eg a napk¨ozels´eg k¨or¨ uli h´onapokban olyan nagy lehet, hogy ennek hat´as´ara fell´ep˝o mechanikai fesz¨ ults´egek a magban meghaladj´ak a v´ızj´eg magot ¨osszetarat´o erej´et (szak´ıt´oszil´ ards´ ag´ at). A 17P/Holmes-¨ ust¨ok¨os mag felsz´ın´en fell´ep˝o fesz¨ ults´eg lehet az u ¨st¨ ok¨ os megfigyelt szuperkit¨or´es´enek egy magyar´azata Gronkowski ´es Sacharczuk (2010) szerint. (d) Mechanikai fesz¨ ults´egek a bez´art CO hat´as´ara. A v´ızj´eg szak´ıt´oszil´ards´aga cs¨ okken akkor, amikor benn CO z´arv´anyok vannak. Az u ¨st¨ok¨osmag anyag´ anak (v´ız ´es sz´endioxid-domin´alt) effekt´ıv szak´ıt´oszil´ards´aga (σeff ): σeff = σ − 1, 5 f Pvap
(3)
T´ oth Imre: V´ alaszok Petrovay Krist´of opponens k´erd´eseire
9
4. ´ abra. A 17P/Holmes-¨ust¨ok¨osben a CO, CO2 ´es NH3 g´azok kibocs´at´asi u¨teme id˝ oszakonk´ent kiemelked˝ o cs´ ucsokat mutat egy 360 ´ev id˝ otartamot a ´tfog´ o modell szimul´ aci´ o sor´ an (Hillman ´es Prialnik, 2012). A v´ızszintes tengely az ´evekben m´ert id˝ ot jel¨ oli. A f¨ ugg˝ oleges tengelyeken molekula s−1 egys´egben ×1029 (CO), ×1027 (CO2 ) ´es ×1026 (NH3 ) van felt˝ untetve. Mintegy 100-szor annyi CO szabadul ki id˝ oegys´egenk´ent, mint CO2 ´es id˝ oegys´egenk´ent amm´ onia csak egy tizedannyi amm´ onia szabadul ki, mint sz´endioxid (forr´ as: Hillman ´es Prialnik, 2012, 1., 2. ´es 4. a ´br´ ak).
ahol σ a v´ızj´eg eredeti szak´ıt´oszil´ards´aga, f a v´ızj´eg azon t¨omeg h´anyada, amelyben CO z´ arv´anyok vannak (´altal´aban f = 0, 18, azaz 18%), Pvap a CO g´ az nyom´ asa. Amikor az u ¨st¨ok¨os p´aly´aj´an k¨ozeledik a Naphoz, a mag felsz´ınhez k¨ ozeli r´eteg´eben a bez´art CO g´az nyom´asa n¨ovekszik, ami az effekt´ıv szak´ıt´ oszil´ ard´asgot cs¨okkenti az (3) k´eplet szerint. Az u ¨st¨ok¨os t¨obb kering´ese sor´ an cs¨okken a mag felsz´ın k¨ozeli r´esz´enek szak´ıt´oszil´ards´aga, ami a mag felsz´ın´er˝ol folyamatos anyaglev´al´ashoz, illetve kit¨or´esekhez vezet. A szuperkit¨ or´esek´ert Grownkowski ´es Sacharczuk (2010) szerint a mag m´elyebb r´esz´eb˝ ol a bels˝o reped´eseken kereszt¨ ul felsz´ınre t¨or˝o nagy nyom´as´ u CO g´ az a felel˝ os. A 17P/Holmes-¨ ust¨ ok¨ os szuperkit¨or´es´enek magyar´azat´ara a fent felsorolt n´egy k¨ oz¨ ul a negyediket, vagyis a CO-z´arv´anyok ´altal meggyeng´ıtett bels˝o szerkezet˝ uu ¨st¨ ok¨ osmagban fell´ep˝o mechanikai fesz¨ ults´eget tartja a legval´osz´ın˝ ubbnek Gronkowski ´es Sacharczuk (2010). 4. T¨ obbkomponens˝ u k´emiai ¨osszet´etel˝ uu ¨st¨ok¨osmag 3-dimenzi´os h˝omodellje a 17P/Holmes-¨ ust¨ ok¨ os ism´etl˝od˝o szuperkit¨or´eseinek magyar´azat´ara. A 17P/Holmes-¨ ust¨ ok¨ os r´eszletes, h´aromdimenzi´os h˝omodellj´et fejlesztette ki Hillman ´es Prialnik (2012: Icarus 221, 147-158). Ez az eddigi legr´eszletesebb, a val´os´aghoz a legk¨ ozelebb ´ all´ o h˝ omodelleje a Holmes-¨ ust¨ok¨os magj´anak ´es ism´etl˝od˝o szuperkit¨ or´eseinek. A modellben az u ¨st¨ok¨osmag krist´alyos v´ızj´eg ¨osszet´etele mellett amorf v´ızj´eg, illetve az amorf v´ızj´egbe ´agyazott (”trapped”) sz´enmonoxid (CO), sz´endioxid (CO2 ) ´es amm´onia (NH3 ), valamint por is szerepel (4. ´abra). A v´ızj´eg amorf-krist´ alyos f´azis´atmenete krist´alyosod´asi frontot mozgat az u ¨st¨ok¨ osmag felsz´ıne alatt a felsz´ınt˝ol a mag belseje fel´e. Az amorf v´ızj´egbe ´agyazott g´ azok szuperill´ekonyak ´es a modell szimul´aci´ok 360 ´eves id˝otartamra sz´am´ıtott´ak ki a magb´ ol id˝ oegys´egenk´ent kiszabadult g´az ´es por mennyis´eg´et.
T´ oth Imre: V´ alaszok Petrovay Krist´of opponens k´erd´eseire
10
Az ad´ odott, hogy az u ¨st¨ok¨os p´aly´aj´anak b´armely pontj´an el˝ofordulhatnak kit¨or´esek mintegy 30 ´evenk´ent: a kit¨or´esek nem korl´atoz´odnak kiz´ar´olag a napk¨ozels´eg k¨ orny´ek´ere, hanem a kit¨or´esek k¨or¨ ulbel¨ ul egy harmada a Napt´ol t´avoli p´alyaszakaszon fordul el˝ o, s˝ot mintegy 100 ´evenk´ent perih´elium k¨ozel´eben, r¨oviddel a napk¨ ozels´eg ut´ an n´eh´ any h´ettel, n´eh´any h´onappal - ugyanis a mag felsz´ın´enek napk¨ ozels´eg idej´en t¨ ort´ent felmeleged´ese ut´an r¨ovid id˝o kell, am´ıg a mag felsz´ıne alatt a g´ azok nyom´ asa annyira megn¨ovekszik, hogy annak kit¨or´es (r¨ovid id˝o alatt nagymenyis´eg˝ u por- ´es g´azkibocs´at´as) legyen a k¨ovetkezm´enye. A kit¨or´esek el˝ ofordul´ as´ anak napt´ avols´agt´ol val´o f¨ uggetlens´eg´enek oka a v´ızj´eg amorf-krist´ alyos f´ azis´ atmenete frontj´anak folyamatos vagy l´epcs˝ozetes el˝orehalad´asa a mag belseje fel´e ´es ezzel egy¨ utt a felszabadul´o be´agyazott g´azok t¨ornek fel ´es okoznak kit¨ or´eseket. A krist´alyosod´asi front folyamatos el˝orehalad´asa nagy napt´ avols´ agban is zavartalanul folytat´odik. Napk¨ozelben val´oban t¨obb h˝o ´eri a mag felsz´ın´et ´es ha ez be tud hatolni a m´elyebb r´eszek fel´e, akkor er˝os´ıtheti az amorf-krist´ alyos f´ azis´atalakul´as hat´as´at a g´azok kiszabad´ıt´as´ara. A modell szimul´ aci´ ok szerint a kit¨or´esek el˝ofordul´asi gyakoris´ag´at nem befoly´asolja sem a mag tengelyk¨ or¨ uli forg´asideje, sem pedig a forg´astengely t´erbeli ir´anya, sem pedig az u ¨st¨ ok¨ os p´ alyabeli poz´ıci´oja. A kit¨or´esek f˝o oka az amorf-krist´alyos v´ızj´eg f´ azis´ atalakul´ asi frontj´anak mozg´asa, a v´ızj´eghez k¨ot¨ott g´azok nagysebess´eg˝ u kiszabadul´ asa ´es az ´altaluk mozgatott nagy mennyis´eg˝ u poranyag felemel´ese az u ¨st¨ ok¨ osmag belsej´eb˝ ol ´es felsz´ın´er˝ol.
4. Mi az alapja annak a feltev´ esnek (127. oldal), hogy az u ¨ st¨ ok¨ osmagok anyag´ anak szublim´ aaci´ oja az eredeti felsz´ın sz´ın´ et˝ ol f¨ uggetlen¨ ul ugyanannyival cs¨ okkenti sz´ınindexet, ´ es ´ıgy a sz´ıneloszl´ as alakj´ at egy eltol´ ast´ ol eltekintve v´ altozatlanul hagyja? A k´erd´es megv´ alsaszol´ as´ ahoz vizsg´aljuk meg azt, hogy az u ¨st¨ok¨osmag aktivit´asa hogyan v´ altoztatja meg a magfelsz´ın sz´ın´et (fotometriai sz´ınindex´et). Egy fiatal ekliptikai u ¨st¨ ok¨ os, amikor p´ alyabeli fejl˝od´ese sor´an a Naprendszer k¨ uls˝o vid´ekeir˝ol egyre k¨ ozelebb ker¨ ul a Naphoz, vagyis a p´aly´aja f´el-nagytengelye ´es perih´elium t´avols´ aga egyre kisebb lesz, akt´ıvv´a v´alik, ami az u ¨st¨ok¨osmag jegeinek szublim´aci´oj´at, a g´ az- ´es poranyag´ anak kibocs´ at´as´at jelenti. Az u ¨st¨ok¨osmag legfels˝o felsz´ıni r´eteg´enek por ´es g´ azanyaga elt´ avozik a magr´ol ´es a felsz´ın alatti friss jeges-poros anyag el˝oker¨ ul, aminek sz´ıne az eredeti felsz´ın besug´arzott s¨ot´et v¨or¨os anyag´ahoz k´epest k´ekebb (egy´ebk´ent pedig a jegek - annak ellen´ere, hogy ”frissek”, azaz nem besug´arzottak benn¨ uk l´ev˝ o a por miatt mind´ıg s¨ot´etek, kis f´enyvisszaver˝o k´epess´eg˝ uek lesznek). P´eld´ aul a val´ osz´ın˝ uleg m´eg fiatal ekliptikai u ¨st¨ok¨os¨ok, amelyek csak nemr´egen ker¨ ultek be a k¨ uls˝ o Naprendszerb˝ ol (kentaur ´allapot k¨ozbeiktat´as´aval) a magfelsz´ın¨ uk sz´ıne a HST-vel v´egzett megfigyel´esek szerint m´eg v¨or¨os: az 50P/Arend ´es 86P/Wild 3 (Lamy ´es T´ oth, 2009: Icarus 201, 674-713, 3. t´abl´azat). A kentaurok ´es ekliptikai u ¨st¨ok¨osmagok sz´ın´enek v´altoz´as´at illusztr´alja a 5. ´abra, amikor inakt´ıv ´ allapotb´ ol szublim´aci´os aktivit´ast mutat´o ´allapotba ker¨ ulnek. A friss jeges-poros felsz´ınre azut´ an a t´ ul nagy t¨omeg˝ u porszemcs´ek visszahullanak, mert a magb´ ol ki´ araml´ o g´ azok nem k´epesek elt´avolni ezeket a magr´ol ´es ballisztikus p´aly´an (haj´ıt´ as) visszahullanak a mag felsz´ın´ere, ahol felhalmoz´odnak ´es egy felsz´ıni k¨openyt (mantle) hoznak l´etre (mantling process), aminek a sz´ıne sz´ınt´en k´ekebb az eredeti v¨ or¨ os sz´ınhez k´epest. Jewitt (2002: ESA SP-500, pp. 11-19) szerint az u ¨st¨ok¨osmag
T´ oth Imre: V´ alaszok Petrovay Krist´of opponens k´erd´eseire
11
5. ´ abra. A k¨uls˝o Naprendszerb˝ol kentaur p´aly´ara frissen beker¨ult v¨or¨os sz´ın˝u objektumra p´elda a szublim´ aci´ os aktivit´ ast nem mutat´ o 5145 Pholus (bal oldali panel) ´es hossz´ u id˝ o´ ota akt´ıv, k´ekes-sz¨ urke sz´ın˝ u kentaur, a 2060 Chiron (jobb oldali panel) a m˝ uv´esz elk´epzel´ese szerint. Az akt´ıvv´ a v´ al´ ou ¨st¨ ok¨ osmagok sz´ınindex´enek cs¨ okken´ese is hasonl´ o lehet (l. HST-vel t¨ ort´ent u ¨st¨ ok¨ osmegfigyel´esi p´eld´ ak: 50P/Arend ´es 86P/Wild 3, Lamy ´es T´ oth, 2009) (forr´ as: William K. Hartmann, http://www.psi.edu/about/staff/hartmann/asteroids.html).
k¨ or¨ uli szuborbit´ alis p´ aly´ ar´ ol is visszahullhat poranyag a mag felsz´ın´ere (a ballisztikus p´ alya felsz´ıni pontjai nagyon t´avol vannak egym´ast´ol), ´ıgy egy lokaliz´alt akt´ıv ter¨ ulet is beter´ıtheti porral a mag felsz´ın´et, azaz ”´ uj” felsz´ıni bor´ıt´as k´epz˝odik. A folyamat r´eszleteit ´es modelljeit el˝ osz¨ or Jewitt (1992: Li´ege conf., Brahic, Gerard, Surdej, szerk., 85-112), Luu ´es Jewitt (1996: Astron. J. 112, 2310-2318), Jewitt ´es Luu (2001: Astron. J. 122, 2099-2114) k´esz´ıtett´ek el, illetve Delsanti ´es m´asok (2004: Astron. Astrophys. 417, 1145-1158) kieg´esz´ıtett´ek, kiss´e m´odos´ıtott´ak, kiterjesztett´ek k¨ uls˝o Naprendszerbeli egy´eb objektumokra is. Az akt´ıv ekliptikai u ¨st¨ok¨osmag felsz´ın´en a k¨ openy ballisztikus folyamattal mintegy sz´az, legfeljebb ezer ´ev alatt alakul ki (Jewitt, 2002), ami r¨ ovid id˝ o ezen u ¨st¨ ok¨os¨ok mintegy sz´azezer ´eves dinamikai ´elettartam´ahoz k´epest, teh´ at az u ¨st¨ ok¨ osmag felsz´ın sz´ın´enek kialakul´asa gyors folyamat. Az u ¨st¨ ok¨ osmag akt´ıvv´ a v´ al´asakori kezdeti sz´ın´et˝ol a szublim´aci´o sor´an bek¨ovetkez˝o sz´ıneltol´ od´ as m´ert´eke akkor f¨ uggetlen, vagyis a szublim´aci´o mind´ıg ugyanannyival cs¨ okkenti a sz´ınindexet (”k´ek´ıti” a mag sz´ın´et), ha a felsz´ınre ker¨ ult poros-jeges mag-anyag a szublim´ aci´ os aktivit´as folyam´an optikailag ugyanolyan lesz. Ehhez az sz¨ uks´eges, hogy a teljes szublim´aci´os aktivit´asi id˝oszak alatt a komplex t¨or´esmutat´o, a porszemcs´ek m´erete, a felsz´ınen kialakult r´eteg durvas´aga, ami az effekt´ıv, ´atlagos felsz´ıni meredeks´egi sz¨ oggel, a felsz´ın makroszk´opikus durvas´ag´aval jellemz˝o sz¨og-param´eterrel ´ırhat´ o le - nem v´ altozik l´enyegesen. Egy ´ atlagos ekliptikai u ¨st¨ ok¨osmag eset´en a dinamikai, illetve szublim´aci´os aktivit´asi ´elettartama alatt a szublim´ aci´o hossz´ u id˝on ´at azonos intenzit´as´ u ´es a felsz´ınre ker¨ ult poranyag is a mag k¨ uls˝ o r´etegeiben ´alland´o fizikai tulajdons´ag´ unak t´etelezhet˝o fel. A szublim´ aci´ os aktivit´ as n´eh´ anyszor t´ızezer ´evig is lehets´eges, ami r¨ovidebb id˝o, mint a dinamikai ´elettartam, ´ıgy u ¨st¨ok¨os p´aly´an inakt´ıv (”kih´ unyt”) u ¨st¨ok¨os¨ok is lehetnek (pl. f¨ oldk¨ ozeli objektumok k¨ oz¨ott, a NEO-k k¨oz¨ott). Az u ¨st¨ ok¨ osmag felsz´ın´enek szublim´aci´os aktivit´as k¨ovetkezt´eben kialakult sz´ın´et t¨ obb t´enyez˝ o is befoly´ asolhatja: 1. A felsz´ın sz´ın´et alak´ıt´ o folyamat el´egg´e ¨osszetett ´es m´as k¨or¨ ulm´enykt˝ol is f¨ ugg: a szemcs´ek m´erete ´es a felsz´ınen a kevered´es¨ uk, egym´ashoz viszonyitott konfigur´ aci´ ojuk m´ odja is befoly´asolja a felsz´ın megfigyelhet˝o sz´ın´et. Tov´abb´a, a jegek szublim´ aci´ oval t¨ ort´en˝ o elveszt´ese is l´enyeges sz´ınindex cs¨okken´est eredm´enyez (Grundy 2009: Icarus 199, 560-563).
T´ oth Imre: V´ alaszok Petrovay Krist´of opponens k´erd´eseire
12
2. Amennyiben az u ¨st¨ ok¨ osmag oly m´odon r´eteges bels˝o fel´ep´ıt´es˝ u, hogy az egyes r´etegekben v´ altoz´ o optikai tulajdons´ag´ u poranyag ker¨ ul a felsz´ınre, akkor is v´ altozhat a felsz´ın sz´ıne. Ilyen r´eteges szerkezetr˝ol eddig nincs tudom´asunk, csak v´ızj´eg, sz´endioxid, sz´enmonoxid m´elys´eg szerinti gyakoris´agi elt´er´es´er˝ol (9P/Tempel 1, 103P/Hartley 2). A por ¨osszet´etel´eben eddig nem tapasztaltunk m´elys´egt˝ ol f¨ ugg´est. A k¨ ozelj¨ov˝o ESA Rosetta u ¨st¨ok¨osszonda helysz´ıni vizsg´alatai esetleg kimutathatnak r´eteges szerkezetet, de ma u ´gy gondoljuk, hogy a kism´eret˝ u u ¨st¨ ok¨ osmagok (0,1-10 km) kialakul´asi folyamata nem eredm´enyez k´emiai ¨osszet´etelben ´es a por optikai tulajdons´agaiban r´etegz˝od˝o szerkezetet. 3. Kozmikus sug´ arz´ as, bolyg´ok¨ozi u ˝rid˝oj´ar´as hat´as´ara l´etrej¨ov˝o ”¨oreged´es” (matur´ aci´ o) cs¨ okkenti a f´enyvisszaver˝o k´epess´eget, teh´at a felsz´ın s¨ot´etedik, de az csak a m´ ar inakt´ıvv´ a v´ alt (”kih´ unyt”) u ¨st¨ok¨osmagokra hat´asos, mert nem ker¨ ul folyamatosan a matur´ aci´os folyamatot zavar´o friss szublim´aci´os aktivit´asi anyag a felsz´ınre. 5. K´ erem a szerz˝ ot, fejtse ki b˝ ovebben, mi´ ert utalnak eredm´ enyei arra, hogy az ekliptikai u ¨ st¨ ok¨ os¨ ok ˝ osei ink´ abb a plut´ın´ ok, mint a Kuiper-objektumok? Csup´ an a 64. ´ abr´ an elfoglalt helyzet¨ uk hasonl´ os´ aga adja az alapot? (Mert ez esetben pl. a sz´ ort korong-objektumok helyzete m´ eg k¨ ozelebbi...) Az ´ertekez´es 64. ´ abr´ aj´ an bemutatott sz´ınindexekben ((B-V), (V-R) ´es (R-I)) a plut´ın´ ok (PLU), nagy inklin´ aci´oj´ u klasszikus Kuiper-¨ov objektumok (CKBO-HI), a kentaurok (CEN I+II egy¨ uttesen), valamint a Sz´ort Korong-objektumok (SDO) a sz´ınindex eltol´ ast tekintve egym´ashoz k¨ozel helyezkednek el. A legnagyobb sz´am´ u megfigyelt objektumot tartalmaz´o ´es egyben fotometriailag legpontosabb minta a (V-R) sz´ınindex m´er´es´en alapul. Ezen a tengelyen a v¨or¨ost˝ol k´ek sz´ın eltol´od´as fel´e (jobbr´ ol balra) a PLU–SDO–CEN(I+II)–EC (ekliptikai u ¨st¨ok¨os) sorrend l´atszik. Egy´ebk´ent ez a sorrend a sz´ınindex eltol´od´asokban megfelel a dinamikai modellekb˝ol el˝ orejelzett p´ alyabeli fejl˝ od´esnek (”˝os-lesz´armazott” ´ertelemben): a valamelyik Kuiperov (plut´ın´ ¨ o vagy klasszikus) alcsoportb´ol Sz´ort Korong-Objektumok lesznek, amelyek k´es˝ obb kentaur p´ aly´ akra ´ allnak ´es ezut´an pedig a kentaurok k¨oz¨ ul ker¨ ulnek ki az ekliptikai u ¨st¨ ok¨ os¨ ok. Ez a fejl˝od´esi sor megfelel a kor´abbi ´egi mechanikai alapon kidolgozott modelleknek ´es az ut´obbi ´evekben kifejlesztett Nice dinamikai modell altal megj´ ´ osoltnak (Yu ´es Tremaine, 1999: Astron. J. 118, 1873-1881; Gomes, 2003: Icarus 161, 404-418; Morbidelli ´es m´asok, 2005: Nature 435, 462-465; Levison ´es m´ asok, 2008: Icarus 196, 258-273). Teh´at az ekliptikai u ¨st¨ok¨os¨ok ˝osei nem k¨ozvetlen¨ ul a Sz´ ort Korong-objektumok, hanem ezek mindenk´epp kentaur ´allapoton kereszt¨ ul v´ alnak ekliptikai u ¨st¨ ok¨ oss´e. Egy´ebk´ent az, hogy az ekliptikai u ¨st¨ok¨os¨ok t´avoli, alaposei a plut´ın´ ˝ ok lehetnek, ennek els˝o r´eszletes dinamikai alapon t¨ort´en˝o elemz´es´et Yu ´es Tremaine (1999: Astron. J. 118, 1873-1881) adta meg. Az ´ertekez´es 63. ´es 64. ´ abr´ ai a k¨ uls˝ o Naprendszer kis ´egitestei megfigyelt sz´ınindexei alapj´an az ´egi mechanikai (dinamikai) vizsg´alatokt´ol f¨ uggetlen¨ ul utalnak az ekliptikai u ¨st¨ok¨os¨ok lehets´eges ˝ oseire, eredet´ere. Egy´ eb megjegyz´ esek: K¨ ul¨ on k¨ osz¨ on¨ om az ´ertekez´es nyelvezet´ere vonatkoz´o ´eszrev´eteleket, b´ır´alatokat, amelyek a k´es˝ obbiek sor´ an hasznos´ıthat´ok az ´ertekez´esre alapozott magyar nyelv˝ u munk´ ak elk´esz´ıt´esekor. B´ ar nem ments´eg, de val´osz´ın˝ uleg a nagy terjedelm˝ u, k¨ozel 200 oldalas magyar nyelven meg´ırt ´ertekez´es viszonylag gyors elk´esz´ıt´es´enek nyom´asa is k¨ ozrej´ atszhatott a helyes´ır´ asi, nyelvezeti hib´ak el˝ofordul´as´ahoz, a sz¨ovegben val´o bennmarad´ as´ ahoz. Eln´ez´est k´erek a sz¨oveg olvas´as´aban okozott neh´ezs´egek´ert.
T´ oth Imre: V´ alaszok Petrovay Krist´of opponens k´erd´eseire
13
A ”Nice modell” az angol nyelv˝ u szakirodalomban ”Nice model”, amelyben a ”Nice” sz´ o Nizza v´ aros´ anak neve nem angolul, hanem franci´aul van. A modell kidolgoz´ oinak minden bizonnyal j´at´ekos kedve tette az angol ”nice” sz´ot a formailag egyez˝ o Nice (Nizza) v´ arosn´ev hely´ebe, a modell min˝os´ıt´ese c´elj´ab´ol. A ”Nice” sz´o egy´ebk´ent k¨ ozvetetten utal a v´aros francia n´evre is, ahol a modell egyik megalkot´oja, Alessandro Morbidelli professzor v´egez tudom´anyos kutat´o ´es egyetemi oktat´o munk´at. Mindenk´epp rendk´ıv¨ ul ´erdekes lett volna az u ¨st¨ok¨os¨okkel kapcsolatos k¨ozelm´ ultbeli magyar vonatkoz´ as´ u f¨ oldfelsz´ıni csillag´aszati megfigyel´esi eredm´enyekr˝ol is ´ırni, illetve magyar nyelv˝ u ismeretterjeszt˝o tev´ekenys´egr˝ol, irodalomr´ol is eml´ıt´est tenni, de az ´ertekez´es eleve nagy terjedelme ´es tartalmi c´elkit˝ uz´ese (ekliptikai u ¨st¨ok¨osmagok) ezt sajnos nem tette lehet˝ ov´e. Az ´ertekez´esben ink´abb az u ¨st¨ok¨osmagokkal kapcsolatos nemzetk¨ ozi ´es hazai u ˝rkutat´asi vonatkoz´as´ u eredm´enyekre helyeztem a hangs´ ulyt. Tal´ an egy m´ asik ¨ osszefoglal´o m˝ uben r´eszletesebben kifejtem majd az u ¨st¨ok¨os¨ok kutat´ as´ anak k¨ ozelm´ ultbeli magyar vonatkoz´as´ u r´eszleteit. B´ar nem k¨ozvetlen¨ ul az ´ertekez´essel kapcsolatos, de az opponensi b´ır´alatban megfogalmazott egy megjegyz´essel kapcsolatban a k¨ ovetkez˝ o kieg´esz´ıt˝o inform´aci´ot szeretn´em adni. Sz´ecs´enyi-Nagy G´ abor u ¨st¨ ok¨ os¨ okkel kapcsolatos kutat´asait ´es megjelent ismeretterjeszt˝o m˝ uveit is osszefoglaltam egy ismeretterjeszt˝o el˝oad´asomban a ”Perseida-´ej a Polarisban (2012)” ¨ esem´eny keret´eben. A Magyar Csillag´aszati Egyes¨ ulet (MCSE) Polaris Csillagvizsg´al´ oj´ aban 2012. augusztus 11-´en megtartott ”Perseid´ak, a Naprendszer par´anyai” c´ım˝ u el˝ oad´ asom a http://www.youtube.com/watch?v=oMzWVDgRaHolist=PL1CD4271482532456 internetes c´ımen tal´ alhat´ o, amelyet a Polaris TV vett fel ´es az MCSE helyezett el az interneten. Tov´ abb´ a az u ¨st¨ok¨os¨ok hazai kutat´as´anak t¨ort´enet´er˝ol ´es ezeknek az ´ ´egitesteknek kort´ ars hazai kutat´as´ar´ol az Elet ´es Tudom´any c´ım˝ u ismeretterjeszt˝o hetilap 2013. m´ arcius 29-i sz´am´anak (LXVIII. ´evf. 13. sz´am) 394-395. oldal´an megjelent riportban adtam r¨ ovid t´aj´ekoztat´ast.
Budapest, 2013. m´ ajus 27.
T´oth Imre
