Дослідження змінності емісії натрію в спектрі Юпітера, пов’язаної з падінням на нього комети Шумейкера—Леві 9
Ю.Г. Кузнєцова
Головна астрономічна обсерваторія НАН України
Падіння комети Шумейкера—Леві 9 на Юпітер, що відбулося в липні 1994 року, стало помітною подією в сучасній астрономії. Комета була виявлена коли вже розпалася на численні фрагменти, витягнуті в одну лінію. Моменти падіння кожного з них були обчислені з точністю до хвилин. Падіння фрагментів комети на Юпітер відбувалося на невидимий з Землі бік. Тому прямі спостереження вибухів, що відбувалися під час їхнього входження в атмосферу, були неможливі. Однак деякі супутники Юпітера розташувались таким чином, що дозволяли земному спостерігачу зареєструвати відбиту від їхньої поверхні світлову енергію, яка виділилася при вибухах.
Зіткнення різних небесних тіл або падіння менших за розміром тіл на більш великі — звичайне явище в Сонячній системі. Про це свідчать незліченні кратери ударного походження практично на всіх небесних тілах, включаючи і Землю. Остання обставина має дуже важливе значення, бо подія, аналогічна падінню комети Шумейкера—Леві 9, мала б катастрофічні наслідки для існування земної цивілізації. Тому спостереження зближення фрагментів, падіння їх на Юпітер, наслідки взаємодії речовини комети з магнітосферою і атмосферою планети проводилися як із Землі всіма можливими засобами, так і з космосу.
Ця подія вперше надала вченим рідку можливість вивчення великої кількості проблем, зв’язаних з механізмом вибуху тіл, що мають швидкості біля 60 км/сек, із взаємодією і перетвореннями речовин комети і планети і безліччю інших явищ, які при цьому виникають.
Одним з таких явищ було світіння натрію, швидше за все кометного, що відбувалося по всьому диску Юпітера приблизно за 40 хвилин до падіння осколків фрагменту Q комети. Його спостерігали в багатьох обсерваторіях планети.
Спектри комет утворюються великою кількістю різноманітних молекул, радикалів, атомів та іонів. На геліоцентричній відстані r = 1—0,2 а.о. з’являються лінії K, а після цього Fe, Ca, Co, Ni, Mn, Mg, V, Cu, Cr, Ca+. В багатьох кометах на геліоцентричній відстані біля 8 а.о. і менших спостерігається емісія Nа (жовтий дублет 589—589,6 нм, D-лінія). Таким чином, поява в спектрі комет емісій металів при наближенні їх до Сонця вказує на те, що зростає коефіцієнт випаровування речовини, яка складається з пилинок, і енергії сонячного випромінювання достатньо, щоб викликати збудження цих елементів.
Емісія натрію належить до однієї з найяскравіших. Прийнято вважати, що основним механізмом збудження світіння всіх основних емісій в кометах є резонансна флуоресценція. Емісія натрію спостерігається на значних відстанях в голові і хвості комет. Щоб досягнути таких відстаней, натрію потрібно декілька діб.
Важливі процеси, що визначають поведінку спектральних ліній, відбуваються в навколоядерній ділянці, де щільність достатньо велика, що веде до зіткнення частинок. В цій зоні відбувається розпад молекул. Газ піддається як дисоціативному нагріву, так і нагріву за рахунок поглинання пилинками сонячної радіації.
Пил, винесений з ядра, розподілений поблизу нього несиметрично, а той, що утворився в навколоядерній ділянці — приблизно сферично симетрично. Пилинки нагріваються до 600 — 700 градусів. При цій температурі такі метали, як Ni, Cu, Fe, Cr, Mg, Mn, Ca в твердому стані перебувають в рівновазі зі своїм насиченим паром. Калій і натрій маютьбути в рідкій фазі. Лужні й лужноземельні метали мають дуже велику щільність насичення, і пари K, Na, Mg, Ca достатньо далекі від насичення. Тому пари цих металів не можуть конденсуватися в навколоядерній області (або в значній її частині). В іншому разі емісії цих металів мали б величезну яскравість. Натрій і його сполуки, як й інші лужні метали, можуть переходити в газову фазу, якщо спочатку вони містились в пилинці, викинутої з ядра. Ця особливість мусить грати роль при розповсюдженні натрію в голові комет і процесі подальшого світіння.
Пил може поширюватися в голові й у хвості комет, віддаляючись на значні відстані від ядра до того, як відбудеться збудження і висвітлювання лінії натрію. Процес розповсюдження пилу відбувається так, що густина його падає з віддаленням від ядра, але при цьому відбувається протилежний процес — утворюється газова фаза, що містить натрій або його сполуки. Радіаційний тиск відкидає пилинки в сторону хвоста вздовж радіус–вектору. При цьому максимум яскравості світіння буде зміщуватися в бік Сонця, тобто в бік руху потоку пилу від ядра, що і спостерігається в кометах. Гарячі пилові частинки, знаходячись в гарячому газовому потоці, що поширюється, прискорюються з віддаленням від ядра. Тому натрій може почати висвітлюватися на достатньо великих відстанях від ядра у хвості. Саме така поведінка натрію спостерігається в кометах, коли його світіння реєструється в початку хвостів 1-го і 2-го типів.
З 12 липня до 30 серпня 1994 р. було виконано спектральний моніторинг місць падіння фрагментів комети Шумейкера—Леві 9. Обробка та аналіз отриманих спектрів показали наявність змінності значної кількості смуг і ліній, що належать як атмосфері Юпітера, так і кометі. В місцях падіння великих фрагментів комети були зареєстровані типові для атмосфери смуги метану (l 619 нм) і аміаку (l 644.1 нм), глибини яких змінювалися із часом, лінії молекулярного (l 636.7 нм) і атомарного (l 656,3 нм) водню, емісії металів: натрію l 589,0—589,6 нм, заліза 640 нм і 649 нм, кальцію 646 нм, натрію 670,8 нм. Є також досі неототожнені лінії.
Змінність випромінювання натрію була розглянута за даними 20 липня 1994 року, коли спостерігалося падіння осколків найбільшого фрагменту Q. Виявилося, що інтенсивність випромінювання змінювалася з часом і мала характер спалахів. Часовий аналіз виникнення спалахів натрію і співставлення їх з даними фотометричних спостережень оптичної луни на Іо (один з чотирьох галілеєвих супутників Юпітера) від вибухів фрагментів показав, що фрагмент Q складався не з двох частин, а хоча б з дев’яті.
Однак найцікавішим фактом, який більш ніхто не зареєстрував, була серія спалахів натрію приблизно за 40 хв до падіння фрагментів Q. При цьому світіння відзначалося не тільки в місці падіння, але і над всією хмарною поверхнею Юпітера (практично по всьому диску планети). Це можливо тільки в тому випадку, якщо світіння натрію виникало на відстані приблизно 70 радіусів планети, в її магнітосфері.
Наукова задача, яка була поставлена — дослідження спектральної змінності у випромінюванні ділянок атмосфери Юпітера, збурених падінням великих фрагментів комети як в моменти падіння, так і протягом різних етапів розвитку наслідків вибухів.
Короткі експозиції реєстрації дозволили виявити низку важливих особливостей зміни спектру протягом декількох днів, коли відбувалися падіння фрагментів комети. Зокрема, відзначені короткочасні зміни поведінки дублету натрію.
Світіння натрію вперше було знайдено у внутрішній магнітосфері Юпітера. Атоми металів або металеві сполучення звичайно не є присутніми в Юпітеріанській атмосфері. Тому зроблено висновок, що натрій, який спостерігався безпосередньо перед і під час падіння фрагменту Q, є кометною складовою. Перед падінням комети Шумейкера—Леві 9 подібні атомні лінії спостерігалися тільки в спектрі від метеорів і торкаючих Сонце комет, як наприклад комета Ikeya-Seki 1965 VIII.
Отримані характеристики спалахів натрію вказують на швидкий розвиток процесів збудження і висвітіння резонансної лінії; на величезні розміри ділянки появи світіння, яку можна порівняти із розмірами Юпітера; на місце розташування цієї ділянки, що лежить у внутрішній магнітосфері; і на високі енергії збуджених атомів натрію.
