Комета Чурюмова — ключ к истории солнечной системы

Мы обычно не считаем пыль чем-то ценным. Если, конечно, она не из космоса… Если точнее, из кометы Чурюмова. Обнародованные в самом конце прошлого года результаты исследования состава этой пыли позволили получить ценные сведения об этом небесном теле и, в целом, истории солнечной системы.

Источником этих результатов стала научная группа инструмента COSIMA, то есть масс-спектрометра вторичных ионов, который находится на борту европейского космического зонда «Розетта». Тот в малейших подробностях изучал комету Чурюмова — Герасименко (67P/Чурюмова — Герасименко) с августа 2014 года по сентябрь 2016 года. COSIMA проанализировал частицы пыли, которые были выброшены из ядра кометы, что позволило изучить их состав.

 

Результаты исследования говорят, что в среднем половина массы каждой частицы приходится на углеродное вещество преимущественно макромолекулярной структуры. Вторую половину по большей части занимают безводные силикаты. Так, в чем же значимость и интерес этих результатов? И что они влекут за собой? Ученые ждали чего-то подобного, или же все это в корне противоречит существующим теориям?

«Розетта» и ее инструменты позволили нам сформировать более точное представление о составе кометы Чурюмова и в частности газов из ее хвоста благодаря устройству ROSINA. Во время путешествия вокруг Солнца комета непрерывно высвобождает газ и пыль, которые формируют вокруг нее своеобразный ореол. Это явление объясняется сублимацией льдов, которые содержатся в комете: они переходят напрямую из твердого в газообразное состояние. Параллельно с этим происходит выброс крошечных частиц пыли, которые уносит хвост кометы. ROSINA провел анализ состава и количества газа в хвосте: как выяснилось, он состоит из паров воды, углекислого газа, моноксида углерода, молекулярного кислорода и множества небольших органических соединений, которые по большей части сформированы из углерода, водорода, азота и кислорода.

Прочие инструменты, такие как камеры и спектрометр VIRTIS, исследовали поверхность кометы. Она обладает сложной структурой: утесы, провалы, разломы, впадины… Кроме того, она отличается темным цветом и очень незначительным присутствием льдов. Оттенок связан с ее химическим составом, в частности с высоким содержанием углерода. Учитывая, что на лед и газ приходится лишь малая доля всего вещества, в стремлении узнать больше о ядре кометы ученые опираются на анализ высвобожденных из него частиц пыли. Они представляют собой образцы его структуры, а исследование их химических свойств позволяет получить представление о ядре кометы.

35 тысяч частиц

COSIMA представляет собой своего рода физико-химическую мини-лабораторию, чьей целью было собрать высвобожденные из кометы частицы пыли, сфотографировать их и провести анализ методом времяпролетной вторично-ионной масс-спектрометрии. Длившийся два года сбор данных у кометы прошел неожиданным образом для ученых и инженеров, которые разработали инструмент два десятилетия назад. Так, COSIMA удалось собрать более 35 000 частиц, самые крупные из которых достигают миллиметра в диаметре: все ждали куда меньшего числа и намного меньших размеров.

Затем была начата долгая и усеянная препятствиями работа. Нужно было провести масс-спектрометрию некоторых из собранных частиц: порядка 250. У этих частиц, которые были получены практически в неприкосновенном виде после выброса из кометы, практически нет аналогов в наших лабораториях, а сам метод времяпролетной вторично-ионной масс-спектрометрии создает трудности даже в лабораторных условиях, тогда как в космосе и на удалении это было равнозначно подвигу!

Замеры позволили определить элементарный состав частиц, то есть содержание в них основных элементов (кислород, углерод, кремний, железо, магний, натрий, азот, алюминий, кальций и т.д.), а также получить определенные сведения о химической сущности ряда составляющих. На основании этих данных специалисты продемонстрировали, что в каждой частице пыли (диаметром от 0,05 до 1 мм) примерно 50% массы приходится на углеродное вещество. Кроме того, оно по большей части носит макромолекулярный характер, то есть состоит из крупных, но совершенно беспорядочных и сложных структур. Вторая половина приходится в основном на безводные силикаты.

По данным замеров, состав не связан с датой сбора частиц. Иначе говоря, не было замечено отличия в составе тех из них, что были высвобождены кометой до, во время и после перигелия (момент максимального приближения к Солнцу и наивысшей активности в августе 2015 года). Не зависит состав частиц и от их размера и морфологии («хлопьевидное образование» или «плотная частица»). Все проанализированные частицы представляют собой фрагменты ядра, высвобожденные как с поверхности кометы, так и из уходящих в глубины впадин. Таким образом, определенный COSIMA средний состав с большой долей вероятности отражает общий состав ядра кометы Чурюмова. Основная часть вещества кометы состоит из смеси минералов и твердых углеродистых соединений.

Первичное вещество

Эти результаты, а также данные, которые были получены 30 лет назад зондами «Джотто» и «Вега» с кометы Галлея, доказывают, что кометы относятся к числу наиболее богатых углеродом объектов солнечной системы. У специалистов были подозрения на этот счет, однако теперь они получили первое тому экспериментальное подтверждение. Установленное COSIMA высокое содержание углерода и кремния очень близко к тому, что наблюдается на поверхности Солнца. Кроме того, в содержащихся в частицах пыли кометы Чурюмова силикатах нет заметных следов воздействия жидкой воды. Два этих момента являются значимым подтверждением первичного характера этого вещества кометы. Все это означает, что данное вещество практически не претерпело изменений после формирования кометы. Таким образом, его изучение позволяет нам заглянуть в самое начало существования солнечной системы почти 4,5 миллиарда лет назад!

В сочетании с наблюдениями других инструментов «Розетты», замеры COSIMA указывают на то, что большая часть углеродистого вещества кометы содержится не во льду или газе, а в пыли в описанной нелетучей макромолекулярной форме. Этот результат подтверждает направление проведенных анализов веществ внеземного происхождения (метеориты, микрометеориты и частицы межпланетной пыли). Как бы то ни было, в отличие от собранной COSIMA пыли, источник этого вещества (астероид, комета или другое небесное тело) редко удается установить. Кроме того, высокий нагрев после вхождения в атмосферу, как минимум, частично меняет состав углеродных соединений. В то же время проведенные COSIMA исследования прямо на месте и сбор частиц пыли на малой скорости (всего несколько метров в секунду) позволили полностью сохранить химическую информацию. Таким образом, если мы сегодня говорим, что кометы вроде 67P/Чурюмова — Герасименко сыграли роль в появлении жизни на Земле, принеся туда богатое углеродом вещество, то оно, видимо, появилось у нас именно в такой сложной макромолекулярной структуре.

Авторы:

Дониа Баклути (Donia Baklouti) — астрохимик, доцент Института космической астрофизики.

Анаис Барден (Anaïs Bardyn) — астрохимик, сотрудник Управления земного магнетизма.

Эрве Коттен (Hervé Cottin) — астрохимик, профессор Межуниверситетской лаборатории атмосферных систем.