9. Üstököskutatás Németh Zoltán

Az előadások a következő témára: "9. Üstököskutatás Németh Zoltán"— Előadás másolata:

1 9. Üstököskutatás Németh Zoltán
A Naprendszer fizikája 2016

2 A Naprendszer fizikája 2016
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 McNaught üstökös porcsóvája, háttérben a Nap korongja (forrás: Nasa, 2007) 1503, 1607, 1682, 75 és fél éves keringési periódus; jóslat: 1758; 28 megjelenés egészen i. e. 240-ig A Naprendszer fizikája 2016

3 Történetük 2 - űreszközök
Időpont Üstökös Távolság (km) Különlegesség ICE 21P/Giacobini-Zinner 7800 Első elhaladás a csóvában 1P/Halley ~30 millió SUISEI 151000 SAKIGAKE 7 millió VEGA 1 8900  Képek a magról VEGA 2 8030 GIOTTO 600  Diamágneses üreg 26P/Grigg-Skjellerup 200 DS1 19P/Borrelly 2000 STARDUST 81P/Wild 2 240 Első mintavisszahozatal a csóvából DEEP IMPACT 9P/Tempel 1 500 (+impactor) Első érintkezés a felszínnel 181 EPOXI* 103P/Hartley 2 700 ROSETTA 67P/Csurjumov-Geraszimenko (+lander) Első keringőegység, első landolás A Naprendszer fizikája 2016

4 A Naprendszer fizikája 2016
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. Pálya jelentősen változhat A Naprendszer fizikája 2016

5 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

6 A Naprendszer fizikája 2016
Mi az üstökös? Kis méretű szilárd mag (néhány km) Poros hógolyó – havas porgolyó Jelentős illóanyag tartalom (víz, CO2, 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

7 A Naprendszer fizikája 2016
A mag Forrás: Quark1972 (Twitter) sűrűség: < 0.5 g/cm3 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

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

9 A Naprendszer fizikája 2016
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 Összetevők: víz, szén dioxid (VIRTIS) szén-monoxid, ammónia, metán, metilalkohol (ROSINA, MIRO) nyomokban egyéb anyagok H2S, CN, Mg, Na, formaldehid A Naprendszer fizikája 2016

10 Üstökös eredetű plazma
Semleges sűrűség (gömbszimmetrikus közelítés: 𝑛 𝑛 𝑟 = 𝑄 4𝜋 𝑟 2 𝑢 𝑛 𝑒𝑥𝑝⁡ −𝑟 𝑢 𝑛 𝜏 𝑖𝑜𝑛 ahol 𝑄 a gázképződési ráta, 𝑢 𝑛 a semleges gáz sebessége (~ 1 km/s), r a távolság, 𝜏 𝑖𝑜𝑛 a semleges részecske átlagos élettartama, mielőtt ionizálódna Az üstökös közelében: 𝑛 𝑛 𝑟 = 𝑄 4𝜋 𝑟 2 𝑢 𝑛 Újszülött ionok, elektronok: 𝐼 𝑛 𝑛 𝑟 ahol I az ionizációs ráta Jelentősebb ionizációs folyamatok: Fotoionizáció Elektron ütközési ionizáció Vezető közeg H.f.: a közelben 𝑛 𝑖 𝑟 = ? A Naprendszer fizikája 2016

11 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

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

13 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 2xunsz max. energia 4x gyűrűeloszlás Egy újszülött ion útvonala B és E terekben: cikloid mozgás. E, és a cikloid a lapból kifelé néz, a cikloid „talpa” a B,uns síkban van. B és uns közötti szög körülbelül 90°, unsz a napszélsebesség. E=-unsz × B a síkból kifelé B, unsz síkban unsz A Naprendszer fizikája 2016

14 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 Pick-up ionok (részben) termalizálódnak, beépülnek a napszél 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 Hogy lehet ennyire eltérő?! A Naprendszer fizikája 2016

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

16 A Naprendszer fizikája 2016
Behar 2016 A Naprendszer fizikája 2016

17 A Naprendszer fizikája 2016
Ionpopulácók Napszél ionok: H+, He++ két jól meghatározott sávban 1000 és 2000 eV 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

18 Üstökös eredetű energikus ionok
100 – 1000 eV 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

19 A Naprendszer fizikája 2016
Fast ions Slow ions 19 A Naprendszer fizikája 2016

20 A Naprendszer fizikája 2016
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

21 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 eV körüli elektron populációban Semlegesek hűtik? Az üregben leesik a 200 eV 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

22 Észlelések térbeli eloszlása – az üreg alakja
Az átlagos méret jól közelíthető ha Figyelembe vesszük a gázkibocsájtás változásait rcs ~ Q3/4/B De: dinamikus, sokszoros átmenetek Szuszog? Hullámzik? Ujjasodás, leváló „cseppek”? Sokkal nagyobb mint vártuk A Naprendszer fizikája 2016

23 Észlelések térbeli eloszlása – az üreg alakja
Készülő még jobb modell: A Naprendszer fizikája 2016

24 Instabilitások, az üstökös dala
Instabilitások következtében az üstökös közelében hullámok gerjednek 40mHz körüli csúcs frekvencia Modulált Alacsonyabb aktivitásnál jellemző A Naprendszer fizikája 2016

25 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

26 A Naprendszer fizikája 2016
A Rosetta misszió Két fő komponens keringő egység (anyahajó, Rosetta) névleges működési periódus (tudományos mérések): leszállástól 2015 végéig végigköveti az aktivitás változását 11 műszer(csoport): Kamerák: mikrohullám, IR, látható, UV (MIRO, OSIRIS, VIRTIS, ALICE) lokális (in situ) mérések (COSIMA, GIADA, MIDAS, ROSINA, RPC) radio science (RSI, CONSERT) leszálló egység (Philae) névleges működési periódus: leszállástól, amíg működik (néhány nap – néhány hónap) 10 műszer(csoport): APXS, COSAC, Ptolemy, ÇIVA, ROLIS, CONSERT, MUPUS, ROMAP, SESAME, SD2 Elsőként: áll pályára egy üstökös körül vizsgálja részletesen követi végig az aktivitást kezdetektől a maximumig Elsőként: száll le és vizsgálja a helyszínen a magot A Naprendszer fizikája 2016

27 A Naprendszer fizikája 2016
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

28 A Naprendszer fizikája 2016
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

29 A Naprendszer fizikája 2016
Ellenőrző kérdések 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? Milyen lesz egy a napszélbe helyezett vezető félsík mágneses tere? (A félsík éle merőleges, lapja párhuzamos az áramlással; tranziensek utáni stacionárius tér a kérdés, elég a kvalitatív ismertetés) Mekkora az üstökös közelében, gömbszimmetrikus esetben az elméleti ionsűrűség? (Üstökös eredetű hideg hosszú életű ionok.) Milyen ionpopulációk mérhetők a C-G üstökös körül? (Megnevezés, energiák) Mi a diamágneses üreg, és miért alakul ki? Hogyan jelenik meg a diamágneses üreg a részecske adatokban? Mi a „mass-loading” és mik a klasszikus esetének jellemzői? A Naprendszer fizikája 2016