Кислород на комете

Хотя с лета не поступает новых данных от автономного модуля Philae, совершившего немногим менее года назад первую в истории посадку на кометное ядро, его товарищ по космическому путешествию аппарат Rosetta продолжает следовать по орбите за кометой 67P/Чурюмова — Герасименко и сообщать на Землю новую информацию. Данные, опубликованные сотрудниками проекта на этой неделе, в очередной раз вызвали изумление специалистов. На комете обнаружен молекулярный кислород.

Кислород – третий по распространенности химический элемент в нашей Галактике, чаще него встречаются лишь водород и гелий. Но кислород слишком активный элемент, чтобы долго сохраняться в чистом виде. Поэтому обычно атомы кислорода находятся в составе молекул других веществ: воды, оксида или диоксида углерода и так далее. В данном же случае речь идет именно о молекулярном кислороде, о знакомой со школьной скамьи молекуле O2.

Об этом открытии сообщается в статье, опубликованной 28 октября в журнале Nature, популярное изложение которой помещено на сайте Европейского космического агентства. При помощи масс-спектрометра исследователи изучили состав газов, выделяющихся из ядра кометы Чурюмова — Герасименко и составляющих ее кому — газопылевую оболочку, окружающую ядро. Состав этих газов оказался неожиданно богатым. Первые три места среди них занимают водяной пар, монооксид углерода и диоксид углерода, а вот четвертым следует уже молекулярный кислород. Также там в меньшем количестве присутствуют молекулы разнообразных соединений азота, серы и углерода и даже инертные газы.

«Мы действительно не ожидали обнаружить кислород на комете, да еще и в таком изобилии. Из за его химической активности это стало довольно удивительным, — говорит Катрин Альтвег (Kathrin Altwegg) из Бернского университета, руководитель группы, которая работает с данными масс-спектрометра ROSINA (Rosetta Orbiter Spectrometer for Ion and Neutral Analysis). «Это также непредвиденно, поскольку известно не так много примеров обнаружения молекулярного кислорода в межзвездной среде. Таким образом, даже если кислород попал в состав кометы в момент ее формирования, это не так легко объяснить, используя нынешние модели образования Солнечной системы», — продолжает она.

В статье использованы данные более трех тысяч измерений, сделанных в период с сентября 2013 по март 2015 года. Отношение количества молекулярного кислорода к количеству воды в изученных образцах демонстрирует относительное постоянства, колеблясь от 0,01 до 0,1 и в среднем составляя 0,038. При этом содержание кислорода хорошо коррелирует с содержанием воды, увеличиваясь в тех случаях, когда воды в данном образце больше. Корреляция с молекулярным азотом и с оксидом углерода значительно меньше. В связи с этим ученые подозревают, что молекулярный кислород и пары воды в окружающих комету газах имеют общее происхождение.

Возможным источником молекулярного кислорода может быть распад воды на ядре кометы под действием солнечного ультрафиолета и ионизирующего излучения. Подобное явление наблюдается на ледяных спутниках планет-гигантов в Солнечной системе и в кольцах Сатурна. Однако на поверхности кометного ядра верхние слои льда, где в таком случае должен образовываться кислород, за короткое время исчезли бы при приближении кометы к Солнцу. И содержание кислорода в выделяемом газе неизбежно должно было упасть. Но полученные данные показывают, что этого не происходит.

Попытка объяснить это быстрой генерацией нового кислорода тоже не удается. Ведь в таком случае содержание кислорода должно меняться в зависимости от освещенности кометы Солнцем, но этого тоже не наблюдается.

Поэтому авторы исследования выдвинули другую гипотезу. Как полагают Андре Бьелер (Andre Bieler) из Мичиганского университета и его коллеги, молекулярный кислород должен был попасть в состав кометного ядра во время его формирования. Вероятно, он был заключен в водяном льду, образовавшемся на окраине протосолнечного диска. Химические модели образования Солнечной системы допускают наличие достаточно большого количества кислорода, но при быстром понижении температуры от –173ºC до –243ºC этот кислород попадает в ловушку внутри зерен образующегося водяного льда, поэтому и сохраняется химически неизменным столь долгое время.

Другое исследование кометы Чурюмова — Герасименко было опубликовано в Nature месяц назад. На основании полученных от аппарата Rosetta изображений авторы статьи предположили, что необычная форма ядра кометы, которое напоминает исследователям игрушечного утенка, объясняется тем, что кометы возникла в результате столкновения двух отдельных объектов. Произошло такое столкновение спустя примерно сто миллионов лет после образования Солнечной системы. Предполагается, что относительная скорость двух будущих ядер кометы при столкновении была совсем невелика, всего около полутора метров в секунду.

Авторы статьи обнаружили, что каждое из двух ядер кометы окружено особой оболочкой, которая отсутствует только в перемычке, соединяющей эти ядра. Поэтому и возникло предположение, что оба ядра сформировались независимо, а перемычка появилась после их столкновения. Вещество, испаряющееся с освещенных Солнцем областей кометы и конденсирующееся на теневых участках (разница между ними составляет около 50°C), помогло нарастить данную перемычку.

Также в конце сентября в Nature появилась еще одна статья, где утверждались совсем уж неожиданные вещи – на комете Чурюмова — Герасименко имеются аналоги погодных явлений. Тем не менее, факты свидетельствуют именно об этом. При освещении областей ядра солнечными лучами поверхностный лед подвергается сублимации, и часть его превращается в частицы газа, которые формируют недолговечные облака возле ядра. Большая часть выделяющихся газов в конце концов улетучивается в космическое пространство, но меньшая после попадания в тень вновь конденсируется на поверхности кометы.

Сейчас комета миновала перигелий и начала удаляться от Солнца. Rosetta следует по пятам за ней. Возможно, в наступающем ноябре исследователям удастся приблизить ее к ядру кометы настолько, что появится шанс связаться со спускаемым модулем Philae.

Изначально завершить миссию космического аппарата планировалось в декабре 2015 года. Но недавно Европейское космическое агентство объявило, что работа продлится девять дополнительных месяцев, до сентября 2016 года, после чего Rosetta, скорее всего, сблизится с кометным ядром максимально близко и, в конце концов, столкнется с ним. Продолжение миссии позволит ученым наблюдать, как по мере удаления от Солнца снижается активность процессов на комете.