9 stkskutats Nmeth Zoltn A Naprendszer fizikja 2016

9. Üstököskutatás Németh Zoltán A Naprendszer fizikája 2016 1

Történetük 1 Megfigyelés: több ezer éve; ősi rajzok, leírások. Tycho Brahe, 1577: nem légköri, hanem csillagászati jelenségek Halley, 17. század vége: Naprendszerbeli objektumok 1. ábra: Balra a Hale-Bopp üstökös (forrás: Loke Kun Tan, 1997), jobbra pedig a Mc. Naught üstökös porcsóvája, háttérben a Nap korongja (forrás: Nasa, 2007) A Naprendszer fizikája 2016 2

Történetük 2 - űreszközök Űreszköz Időpont Üstökös Távolság (km) Különlegesség ICE 1985. 09. 11 21 P/Giacobini-Zinner 7800 Első elhaladás a csóvában ICE SUISEI SAKIGAKE VEGA 1 VEGA 2 GIOTTO 1986. 05. 1986. 03. 08 1986. 03. 11 1986. 03. 06 1986. 03. 09 1986. 03. 14 1 P/Halley 1 P/Halley Képek a magról Diamágneses üreg GIOTTO 1992. 07. 10 26 P/Grigg-Skjellerup 200 DS 1 2001. 09. 22 19 P/Borrelly 2000 STARDUST 2004. 01. 02 81 P/Wild 2 240 Első mintavisszahozatal a csóvából DEEP IMPACT 2005. 07. 04 9 P/Tempel 1 500 (+impactor) Első érintkezés a felszínnel STARDUST 2011. 02. 14 9 P/Tempel 1 181 EPOXI* 2010. 11. 04 103 P/Hartley 2 700 ROSETTA 2014 -2016 67 P/Csurjumov. Geraszimenko 10 -1000 Első keringőegység, első landolás (+lander) A Naprendszer fizikája 2016 ~30 millió 151000 7 millió 8900 8030 600 3

Csoportosításuk • Hosszú periódusú • T > 200 év • Származás: Oort-felhő • Inklináció-eloszlás szinte izotróp • Nagy excentricitás • Rövid periódusú • Halley típusú • 20 < T < 200 • Jupiter család • T < 20 • Származás: Kuiper-öv • Közel ekliptikus • Aphelium: Jupiter pálya • Egyszer megjelenő Másfajta csoportosítás is lehetséges. A Naprendszer fizikája 2016 Pálya jelentősen változhat 4

Eredetük, jelentőségük Naprendszer kialakulásából visszamaradt ősanyag Távoli pályák, magas illóanyag tartalom Ütközések Gravitációs perturbációk (Neptunusz, többi óriásbolygó, ? X-planet ? ) • Kezdeti nagy excentricitású pályák, aphélium az eredet távolságában • Újabb perturbációk (Jupiter, többi) – rövidebb periódusok, rezonanciák • • Fontos információk a Naprendszer kialakulásáról Földi óceánok? Mars meleg időszakai … A Naprendszer fizikája 2016 5

Mi az üstökös? • Kis méretű szilárd mag (néhány km) • Poros hógolyó – havas porgolyó • Jelentős illóanyag tartalom (víz, CO 2, egyéb) • Elnyúlt pálya, melynek nagy részében az illóanyagok fagyott állapotban • Napközelben felszíne felmelegszik – szublimációs folyamatok • Ilyenkor kialakul a kóma – por és gázfelhő a mag körül (sok ezer, akár millió km átmérő), • Az indukált magnetoszféra • és a csóva (csóvák) ~ 100 millió km • Porcsóva – szemcsék kb. Kepler pályákon, sugárnyomás • Ioncsóva – napszél, mágneses tér hatása A Naprendszer fizikája 2016 6

A mag Forrás: Quark 1972 (Twitter) sűrűség: < 0. 5 g/cm 3 Összetétel: por+jég Nagy porozitás 60 -80% lyuk Nincs bizonyíték nagy üregek létezésére • Kürtők, beszakadások • • • Felszíne • Nagyon sötét • Poros, száraz • Réteges szerkezetek • Törések • sziklák A Naprendszer fizikája 2016 7

Forrás: ESA/Rosetta/OSIRIS Team A Naprendszer fizikája 2016 8

Kóma, semleges anyag • Napközelben felmelegszik a felszín, szublimációs folyamatok • Közvetlenül a felszínen néhány cm kiürült réteg • Por, szerves anyagok • Sötét, albedó: néhány % • Az aktivitást elsősorban a megvilágítás vezérli • Kibocsájtás ~ megvilágított terület • Néhány perc késés a porréteg szigetelő hatása miatt • Aktív üregek? Sziklafalak, rétegek szélei? • Jet-ek • A gáz a felszín közelében a lokális hangsebességre gyorsul – itt még ütközéses • Magával ragad jég és porszemcséket, amik szintén felgyorsulnak • Egy bizonyos távolságon kívül az ütközések jelentősége lecsökken – ballisztikus pályák A Naprendszer fizikája 2016 Összetevők: víz, szén dioxid (VIRTIS) szén-monoxid, ammónia, metán, metilalkohol (ROSINA, MIRO) nyomokban egyéb anyagok H 2 S, CN, Mg, Na, formaldehid 9

Üstökös eredetű plazma A Naprendszer fizikája 2016 10

Vezető akadály – mozgó mágneses tér • Mi történik, ha egy végtelen huzalt mozgó térbe helyezünk? • Galilei tr. : mozgó huzal álló tér • Indukált áram, abból mágneses tér • A külső tér és az áram tere szuperponálódik • Mi az összeg tér? • Mi történik, ha a huzal véges? • Mi történik, ha a huzal helyett egy vezető golyónk van? • Hol záródik az áram? A Naprendszer fizikája 2016 11

Indukált magnetoszféra • Vezető akadály (üstökös eredetű plazma) a mozgó mágneses térben (napszél, befagyás) • Draping A Naprendszer fizikája 2016 12

Újszülött ionok és elektronok a napszélben • Konvektív elektromos tér • Koordináta rendszer! • H. f. : Poynting-vektor • Együttmozgó ionra a Lorentz erő? • Mi történik, ha nem mozog együtt? • Extrém eset: álló részecske • Pick-up • max. sebesség 2 xunsz • max. energia 4 x • gyűrűeloszlás a lapból kifelé B, unsz síkban E=-unsz × B unsz Egy újszülött ion útvonala B és E terekben, cikloid mozgás E, és a cikloid mozgás a lapból kifelé néz, a cikloid „talpa” a B, síkban van. B és közötti szög körülbelül 90°, unsz a napszélsebesség. A Naprendszer fizikája 2016 13

Sűrű üstökösplazma és napszél • Az alapfolyamat a pick-up, de sok ion együtt sok impulzust, energiát visz el – visszahat • A napszél eltérül, lelassul • (Indukált magnetoszféra csak így jöhet létre, hiszen különben a napszél elfújná az akadályt. ) • Eltérő skálákon eltérő megnyilvánulások • Ha a jellemző méret sokkal nagyobb mint az ion girosugár – klasszikus „mass loading” pl. Halley • Napszél lelassul, melegszik • Erős hullámtevékenység Hogy lehet • Pick-up ionok (részben) termalizálódnak, beépülnek a napszél ennyire eltérő? ! áramlásba • Ha összemérhetők, vagy a girosugár a nagyobb – „anomális m. l. ” pl. C-G • Napszél eltérülés – egészen 180 fokig • Ion energia változás (lassulás) nem (alig) észlelhető • Lényegében nincsenek hullámok • Pick-up ionok nyalábban – irányuk a napszél eltérülés függvénye A Naprendszer fizikája 2016 14

Solar wind disappears! 30⁰ 45⁰ Deflection: 90⁰ Terminator orbit Comet A Naprendszer fizikája 2016 15

Ionpopulácók • Napszél ionok: H+, He++ két jól meghatározott sávban 1000 és 2000 e. V körül • (nyomokban H- és He+ is töltéscsere miatt) • Lokális ionizáció – hideg ionok, amelyeket az űrszonda töltése vonz a detektorba • Miért is van a szondának töltése? • Üstökös eredetű energikus ionok A Naprendszer fizikája 2016 16

Üstökös eredetű energikus ionok • 100 – 1000 e. V • Nap irányára merőleges sebesség komponens ellentétes a napszél eltérülés irányával – kezdődő pick-up • Jelentős Nappal ellentétes irányú komponens – ambipoláris elektromos tér a pick-up ionok és elektronok szétválasztása miatt • Minél távolabb vagyunk a magtól, annál gyorsabbak • Legbelül nincsenek – Miért? A kívül felgyorsult ionok befelé haladva a semleges atomokkal való ütközések során fokozatosan lelassulnak, beleolvadnak a termikus háttérbe A Naprendszer fizikája 2016 17

Fast ions Slow ions A Naprendszer fizikája 2016 18 18

Diamágneses üreg • Véges vezetőképességű anyagba a mágneses tér idővel behatol • Így az üstökös körül mindenhol nem nulla teret kellene mérnünk • Nem így van – elegendően nagy aktivitásnál az üstökös közelében nulla a tér – ez a diamágneses üreg • Első felfedezés: Giotto a Halley-nél • 2. , 3. , … 650. felfedezés – Rosetta a C-G –nál • Magyarázat: • A mágneses tér ugyan folyamatosan diffundál befelé a plazmába, de a plazma áramlik kifelé a semleges gázzal együtt. • Ahol a kiáramlás sebessége nagyobb a diffúzió sebességénél, az aktivitás „kifújja” a teret A Naprendszer fizikája 2016 19

Diamágneses üreg a részecske mérésekben • Mágneses zavarok a szondán – offszetek • A mért tér nem nulla – nehezíti a keresést • Részecske jelek • Az üreg közelében kisebb intenzitás a 100 e. V körüli elektron populációban • Semlegesek hűtik? • Az üregben leesik a 200 e. V körüli elektron beütésszám • Erővonalhoz kötött energikus populáció, ami ez erővonalakkal együtt kiszorul • Hideg elektronok sűrűsége 2 -3 -szorosára ugrik a határon • Mágneses tér megállítja • Ion intenzitás növekedés a határon • Szonda potenciál? A Naprendszer fizikája 2016 20

Észlelések térbeli eloszlása – az üreg alakja • Burkológörbe: ellipszis • Sokszoros átmenetek • Szuszog? • Hullámzik? • Ujjasodás, leváló „cseppek”? • Sokkal nagyobb mint vártuk A Naprendszer fizikája 2016 21

Instabilitások, az üstökös dala • Instabilitások következtében az üstökös közelében hullámok gerjednek • 40 m. Hz körüli csúcs frekvencia • Modulált • Alacsonyabb aktivitásnál jellemző A Naprendszer fizikája 2016 22

Globális szerkezet – nagy vonalakban • Kiterjedt semleges atmoszféra • Legtávolabb: kis sűrűség, a napszél szinte zavartalan, pick-up • Beljebb: a plazmasűrűség nőni kezd, pick-up ionok és elektronok szétválnak, gyorsítási tartomány • Még beljebb: sűrű semleges gáz lassítja az ionokat, hűti az elektronokat – lassítási tartomány • Ezen belül nem látunk gyorsított ionokat • Legbelül: diamágneses üreg • ? Lökéshullám ? – nagy aktivitásúaknál igen, kicsiknél valószínűleg nem • ? Kometopauza ? – ameddig a napszél behatol; van éles határ? A Naprendszer fizikája 2016 23

A Rosetta misszió Két fő komponens • keringő egység (anyahajó, Rosetta) • névleges működési periódus (tudományos Elsőként: mérések): leszállástól 2015 végéig • áll pályára egy üstökös • végigköveti az aktivitás változását körül • 11 műszer(csoport): • vizsgálja részletesen • Kamerák: mikrohullám, IR, látható, UV végig az aktivitást • követi (MIRO, OSIRIS, VIRTIS, ALICE) • lokális (in situ) mérések kezdetektől a maximumig (COSIMA, GIADA, MIDAS, ROSINA, RPC) • radio science (RSI, CONSERT) • leszálló egység (Philae) • névleges működési periódus: Elsőként: • száll le és vizsgálja a • leszállástól, amíg működik helyszínen a magot (néhány nap – néhány hónap) • 10 műszer(csoport): APXS, COSAC, Ptolemy, ÇIVA, ROLIS, CONSERT, MUPUS, ROMAP, SESAME, SD 2 A Naprendszer fizikája 2016 24

Céljai • Az üstökösök egyidősek a Naprendszerrel • Megismerésükkel a Naprendszer keletkezésének folyamatiba nyerhetünk bepillantást • Az üstökösök felszín alatti rétegei 4, 5 milliárd éves ősanyagot rejtenek, míg a felszínen teljesen egyedi, komplex kémiai folyamatok zajlanak (UV sugárzás, ionok, elektronok, sztatikus töltések + víz, szén, nitrogén, stb. ) • Lehetséges, hogy a földi víz üstökösökből származik – ellenőrizhető • Lehetséges, hogy komplex molekulák is érkeztek a Földre üstökösökkel • Alapvető fizikai folyamatok „laboratóriuma”. A Naprendszer fizikája 2016 25

Magyar részvétel • Philae lander • Központi számítógép tervezése és szoftvere (Wigner) • Energiaellátó rendszer (BME) • Műszerek (plazma, por, EK) • Rosetta keringő egység • RPC működtetés és adatfeldolgozás (Wigner) A Naprendszer fizikája 2016 26

Ellenőrző kérdések 1. Írja fel a napszél elektromágneses terének Poynting vektorát napszél ill. Naphoz rögzített koordinátarendszerben, B és unsz függvényében. Milyen sebességgel áramlik a mágneses energia? Az eredmények milyen kapcsolatban vannak a tér befagyásával? 2. Milyen lesz egy a napszélbe helyezett vezető félsík mágneses tere? (A félsík éle merőleges, lapja párhuzamos az áramlással; tranziensek utáni stacionárius tér a kérdés, konstansok erejéig. ) 3. Mekkora az üstökös közelében, gömbszimmetrikus esetben az elméleti ionsűrűség? (Üstökös eredetű hideg ionok. ) 4. Milyen ionpopulációk mérhetők a C-G üstökös körül? (Megnevezés, energiák) 5. Mi a diamágneses üreg, és miért alakul ki? 6. Hogyan jelenik meg a diamágneses üreg a részecske adatokban? 7. Mi a „mass-loading” és mik a klasszikus esetének jellemzői? A Naprendszer fizikája 2016 27