Komeet 67/Churyomov-Gerasimenko (doorgaans genoemd 67P) is de laatste tijd (2014-2015) in het nieuws geweest. Oorspronkelijk draaide hij mee in de verste ruimtepuin-gordel van ons zonnestelsel, genaamd de Kuiper-gordel, maar zijn omloopbaan werd veranderd in de huidige door een passage dicht langs Jupiter in 1959. Het sterke zwaartekrachtveld van Jupiter was verantwoordelijk voor de koerswijziging van de komeet. De komeet zelf is ruim 4 km breed en 4,35 km lang over de grootste lengte/breedte gemeten. Hij heeft een haltervorm met een korte ‘nek’, zoals in de afbeeldingen te zien is. Momenteel (januari 2015) roteert de komeet elke 12,4 uur.
Op 2 maart 2004 lanceerde ESA (European Space Agency) de Rosetta sonde met de ongelooflijke opdracht rondjes te draaien om de komeet en er dan op te landen. Als je weet dat komeet 67P een snelheid heeft van ruim 135.000 km/uur, was dat nogal een opgave. En ook een enorme prestatie, want het gebeurde ook zo. De Rosetta sonde begon rond de komeet te draaien op 10 september 2014. De lander Philae landde uiteindelijk op het oppervlak van de komeet, nadat hij tweemaal was teruggekaatst, op 12 november 2014. Dit was nooit eerder geprobeerd en het was succesvol. Echter, de astronomen vonden niet wat ze verwachtten. Men liep tegen drie belangrijke problemen op: de dichtheid van de komeet zelf, zijn samenstelling en de jets of de staart (die we ook zien bij andere kometen).
Het Standaard Model voor het ontstaan van ons zonnestelsel stelt dat kometen – omdat ze zo ver weg in het zonnestelsel ontstaan waar water altijd bevroren is – simpele vuile sneeuwballen of stoffige ijsbergen moeten zijn. Als ze dan de zon naderen warmt de hitte ze op. Het vaste ijs wordt water en mengt zich met het stof van de komeet, waardoor het een ‘atmosfeer’ – of coma – ontwikkelt, plus een staart. (De overgang van vast ijs direct naar waterdamp staat bekend als sublimatie – ‘vervluchtiging’. We zien hetzelfde gebeuren met ‘droog ijs’ of koolzuurijs hier op aarde – het vaste spul gaat direct over in damp zonder eerst vloeibaar te zijn geweest).
Maar er is een probleem met dat model omdat een aantal kometen stof- en gaswolken hebben en staarten vormen, terwijl ze zich nog op grote afstand van de zon bevinden waar het ijs onmogelijk heeft kunnen smelten of gasvormig worden. Bijvoorbeeld, in 1991 lichtte de komeet van Halley op met een wolk van gas en stof van meer dan 240.000 km lengte, maar dat gebeurde toen hij zich tussen Saturnus en Uranus, op meer dan 14 keer de afstand van de aarde naar de zon bevond. Gelijksoortige verschijnselen zijn gezien bij de kometen Hale-Bopp en Hyakutake.
De dichtheid (s.g.) van water is ‘1’. Dichtheid vind je door de massa van een object te delen door zijn volume. De dichtheid van ijs = 0,916. Rond ongeveer -180°C is zijn dichtheid enigszins verhoogd tot 0,934. Dus het is veilig om te zeggen dat de dichtheid van water feitelijk hetzelfde blijft, onafhankelijk van de temperatuur, totdat het waterdamp wordt. Daarom was verwacht dat de dichtheid van de komeet dicht bij 1 zou liggen. Maar dat was niet wat we vonden. Toen de Rosetta sonde en de lander Philae rond de komeet 67P cirkelden voordat Philae er op landde, werd de dichtheid bepaald. Eerst werden de afmetingen van de komeet gemeten, wat zijn volume aangaf. De sonde Rosetta kon toen ook de aantrekking van de zwaartekracht van de komeet meten. Dat gaf als uitkomst de massa. Toen de massa werd gedeeld door het volume was de uitkomst in de verste verte niet ongeveer gelijk aan water, maar minder dan de helft daarvan, nl. 0,4. Meer precieze metingen in januari 2015 toonden dat de dichtheid ergens tussen 0,425 en 0,475 lag.
Als reactie op dit probleem kwam de gebruikelijke suggestie dat de komeet zou zijn samengesteld uit extreem poreus ijs. Poreus ijs is immers relatief zacht, dat is waar, maar als de komeet zou bestaan uit poreus ijs, dan zou het 80% poreus (open ruimtes) moeten zijn. De lander had harpoenen die ontworpen waren om in de komeet bij de eerste aanraking te verankeren; toch drongen zij slechts enkele millimeters door in het werkelijke oppervlaktemateriaal onder het stof. En hij was al twee keer teruggekaatst voordat hij eindelijk op de komeet tot stilstand kwam.
Dus was de volgende suggestie dat het ijs van de komeet ‘gesinterd ijs’ was. Gesinterd ijs betekent compacte moleculen, wat kan ontstaan onder hitte of druk of allebei. Deze vormen van sintering verhogen de dichtheid aanmerkelijk, zoals aangetoond wordt in studies met polair ijs op aarde. De andere methode van sintering is in extreme koude, als de moleculen slechts aaneen gekleefd zijn waar ze elkaar raken, zonder enige kristalstructuur of andersoortige structuur. Als die sintering zou hebben plaatsgevonden bij het ontstaan van de komeet, als gevolg van de koude, dan zou de poreuze structuur er nog steeds moeten zijn. De dichtheid zou dan enorm kunnen variëren.
Het probleem dat de lander een extreem hard oppervlak tegenkwam, waarin de harpoenen slechts enkele millimeters konden doordringen, omdat ze waren ontworpen om de lander te verankeren in veel zachter ijs. Was dit oppervlak, onder de dunne stoflaag, dan wel gesinterd ijs? Als het ijs gesinterd was tijdens het eerdere ontstaan van de komeet, dan zou het poreus zijn en zouden de harpoenen erin zijn doorgedrongen. Foto’s van de komeet tonen echter een harde, hoekige oppervlakte die beslist niet poreus is.
Dus als het ijs toch gesinterd is, dan is dat door de hitte van de zon als de komeet die passeert. Sinds zijn interactie met de planeet Jupiter in 1959, had hij een omlooptijd van zes jaar. Dat betekent dat hij sindsdien de zon acht of negen keer is gepasseerd en we hebben geen manier om vast te stellen hoeveel keer hij de zon heeft gepasseerd sinds het begin.
Zoals boven al genoemd zegt het Standaard Model dat de coma en de staart van de komeet het resultaat zijn van verdampt ijs, vermengd met stof van de komeet. Maar welk mechanisme zou dan wel het ijs doen verdampen en tegelijkertijd doen sinteren? Bij een passage dicht langs de zon verdampt het ijs, zegt men. Er is geen tegenkracht om dat te verhinderen en sintering te starten. Dit maakt het idee dat het oppervlak van de komeet zou bestaan uit gesinterd ijs wel erg onwaarschijnlijk.
Waterijs heeft een hardheid die varieert met de temperatuur; hoe kouder hoe harder. Als de schaal van Mohs (een relatieve schaal van minerale hardheid) wordt gebruikt, heeft waterijs van nul graden een hardheid van 1,5. Maar op -70 graden loopt de hardheid op naar 6 (Mohs). Dat is dezelfde hardheid als het mineraal orthoklaas, dat voorkomt in graniet. Vergeleken daarmee, heeft kwarts een hardheid van 7 en diamant van 10. Er is weinig onderzoek gedaan naar de hardheid van ijs beneden -70 graden, omdat dit meestal gebeurt in de context van gletsjers op aarde, en gletsjers hebben een minimum temperatuur van rond -30 graden. Gezien de temperatuur van de komeet lag tussen -153 en -163 graden, wordt waterijs dan verondersteld extreem hard te zijn. Dus de hardheidsgegevens zijn niet inconsistent met waterijs op -160 graden.
Dus waar we mee blijven zitten is dat zelfs een vuile sneeuwbal geen soortelijk gewicht heeft van 0,4, en dat de komeet een voorkomen heeft als van harde rots. Het oppervlak van de komeet is close-up te zien in de beelden die vanaf Rosetta en Philae gemaakt werden. Sommigen hebben gesuggereerd dat de dichtheidsmetingen fout kunnen zijn door verschillende oorzaken. Maar de gegevens lijken nogal robuust. Zolang geen gemeten component van fouten kan worden verdacht, wordt de basis-dichtheid als juist verondersteld. Dus is de huidige situatie onbevredigend, van welke kant je het ook bekijkt. Het model van een stoffige ijsberg staat absoluut ter discussie, maar momenteel is er in de wetenschappelijke literatuur geen enkele suggestie en ook niet in de nog steeds voortdurende discussie, dat de lage dichtheid (soortelijk gewicht) kan verklaren.
Hier volgt een alternatieve suggestie. Zie hiervoor ook: http://www.setterfield.org/Astronomy/Two_models.html. Als de planeten en de zon gevormd zijn uit een plasmafilament of -filamenten dan was de Marklund-convectie werkzaam in deze filamenten om de elementen uit te sorteren in overeenstemming met hun ionisatie-potentiaal. Dat betekent dat de gemakkelijkst te ioniseren elementen zich in de buurt van het centrum concentreren en de minder gemakkelijk te ioniseren elementen meer naar de buitenkant van de filamenten. Omdat kometen uit de buitenste rand van het zonnestelsel komen, hebben we te maken met de buitenste delen van de filamenten, en de elementen die we hier vinden hebben dus een hoger ionisatie-potentiaal dan die dichter bij het centrum. De primaire elementen zijn daar waterstof (H) met een ionisatie-potentiaal van 13,59 eV; zuurstof (O) met 13,61; en stikstof (N) met 14,53. Koolstof (C) en zwavel (S) vinden we daar ook. Hoewel koolstof een ionisatie-potentiaal heeft van 11,26 eV, zijn er maar weinig belangrijke elementen tussen dit en waterstof. Plus dat zijn tweede ionisatie-potentiaal ertoe neigt om zich in diezelfde regio te bevinden. Hetzelfde geldt voor zwavel, dat als een minderheids-component kan worden beschouwd.
De lijst van moleculen, gevonden in de atmosfeer van de komeet en de gebieden juist onder het oppervlak is te vinden in The Rosetta Blog als: water (H2O), koolmonoxide (CO), kooldioxide (CO2), ammonia (NH3), methaan (CH4), methanol (CH3OH), met secundaire concentraties van formaldehyde (CH2O), zwavelwaterstof (H2S), waterstofcyanide (HCN), zwaveldioxide (SO2) en koolstof disulfide (CS2). Met andere woorden: de elementen hierbij zijn H, O, N, C en S in diverse samenstellingen. En dat is precies wat Marklund-convectie voorspelt, maar in het standaard model is het totaal onverwacht. Verder laten de temperaturen de vorming van methaan- en ammonia-ijs toe, vanwege de grote afstand tot de zon.
Hier is het belangrijkste punt: methaan, bevroren op -162 graden heeft een dichtheid van 0,422. Ammonia ijs heeft een dichtheid die meer varieert, afhankelijk van de ontstaanstemperatuur. Hoe lager die is, des te lager de dichtheid. De dichtheid van ammonia ijs verdubbelt tot 0,817 als de ontstaanstemperatuur klimt van -150 tot -80 graden. Dit suggereert dat bij temperaturen van -160 of -170 graden de dichtheid van beide stoffen in de buurt van 0,4 ligt. Als de komeet of het hemellichaam waaruit hij voortkwam zijn ontstaan bij temperaturen van rond -200 graden, zou de dichtheid nog wat lager liggen. Omdat het plasma model, waarin de Marklund convectie een plaats heeft, suggereert dat voorwerpen in de buitenste regionen voornamelijk zouden bestaan uit koolstof, waterstof, stikstof en zuurstof, is het logisch dat elk fragment uit deze regionen dat in de binnenste gebieden van het zonnestelsel terecht komt een soortgelijke samenstelling zou hebben. Daarom zou het niet als een verrassing moeten komen dat de komeet 67P een dichtheid had van 0,4.
Op dezelfde manier zou iedere komeet die hoofdzakelijk uit methaan-ijs (en ammonia-ijs) is samengesteld, ongeveer dezelfde dichtheid moeten hebben, zonder extra aannames. Als dat zo is, kan dat ook de sleutel tot een andere puzzel zijn. Het oppervlak van deze komeet is zwart als koolstof, net als de oppervlakken van Halley en enkele andere kometen. De resultaten van de lander suggereren dat er een stoflaag is van 12,5 – 20 cm diep over heel het oppervlak. Bij experimenten in het lab waar een elektrische stroom of een gloei-ontlading plaats vindt in methaan bij zeer lage druk, worden de methaan-moleculen gescheiden in koolstof en waterstof atomen. Het resultaat is een film van koolstofatomen oftewel grafiet, waarin soms diamanten worden geproduceerd als de elektronenspanning in het plasma precies is afgestemd. Enkele resultaten zijn gepubliceerd in een IOP Science artikel1 en een Journal of Materials Research artikel.2
Laten we deze resultaten eens toepassen op kometen. De zonnewind is effectief een elektrische stroom van snel bewegende protonen. Maar ook bestaat de mogelijkheid dat iets van de helderheid van kometen komt van een gloei-ontlading in hun coma of atmosfeer die in plasma status is. Deze conclusie is nodig omdat ultraviolet licht en röntgenstraling door een aantal kometen wordt uitgestraald en dit vraagt grote spanningsverschillen en stroomsterktes. Deze röntgen emissies flikkeren zoals een gasontladingslamp (TL) over een bepaalde tijd. Kometen waarvan we weten dat ze röntgenstraling emitteren, zijn o.a. Hyakutake, Lulin en Schwassmann-Wachmann-3. Deze feiten geven aan dat er sterke elektrische stromen moeten vloeien in de omgeving van de komeet; dat zijn dus condities parallel met die in het lab.
De actie van ultraviolet licht (of elektrische stromen) op het neerslaan van koolstof-atomen uit methaan komt overeen met wat we vinden bij de ringen van Uranus en Neptunus, die bestaan uit methaan-ijs dat met donker materiaal bedekt is (waarschijnlijk koolstof). Maar ook Triton, een maan van Neptunus, heeft een oppervlak dat bedekt is met bevroren stikstof samen met donkere, door de wind verplaatste afzettingen, vermoedelijk van koolstof dat ontstaan is door de ontbinding van methaan. Er is wellicht iets dergelijks met de donkere coating van de kraterbodems van Saturnus’ maan Hyperion. Deze was ook ingevangen vanuit de Kuiper-gordel, waar ook verschillende kometen vandaan komen. Dus dit is niet een ongebruikelijke situatie voor voorwerpen uit de buitenste regionen van ons zonnestelsel.
In de lage druk die we in komeet-nucleï tegenkomen kunnen deze elektrische stromen die op het oppervlak inwerken gemakkelijk de methaan-moleculen uiteen doen vallen in individuele atomen. Dit proces kan dan de koolstoflaag doen neerslaan die het oppervlak bedekt. Vanwege de elektrische aard van dit proces, kan het neergeslagen koolstof nog steeds een restlading hebben behouden. Daarom kan de koolstof elektrostatisch worden aangetrokken tot het oppervlak, en zo zou de hele komeet bedekt kunnen worden met een laagje koolstof. Daarom is waarschijnlijk puur ijs van welke soort ook moeilijk te vinden.
Dus in het model dat we hier overwegen zullen de elektrische stromen die met de komeet worden geassocieerd, inwerken op het oppervlak en elke soort ijs doen verdampen en ook de moleculen doen ontbinden, zodat compacte koolstof-korrels worden neergeslagen. De jets (figuur 5) zijn dan waarschijnlijk de plaatsen waar deze stromen optreden en materiaal in de coma brengen. Of deze elektrische stromen diep onder het oppervlak doordringen of niet, is een aparte kwestie. Maar dit etsen van het oppervlak verklaart wellicht waarom het uiterlijk van vele kometen ‘zachter’ lijkt dan overeenkomstige kenmerken die men ziet op satellieten die uit de Kuiper-gordel zijn ingevangen, zoals de maan Phoebe van Saturnus.
Maar er zijn nog twee interessante verschijnselen bij komeet 67P die om een verklaring vragen. Ten eerste zijn grote klonteringen (die sommigen ‘dinosaurus eieren’ genoemd hebben) gezien in de strata op sommige beelden die door Rosetta en Philae zijn overgeseind. Deze waarnemingen hebben enkele interessante implicaties voor kosmologische modellen. Je kunt argumenteren dat in het vroege universum stroomsterktes en spanningen veel hoger waren en door de tijd heen zijn afgenomen. Als we de vergelijkingen gebruiken in de documentatie van Anthony Peratt gepubliceerd door het IEEE, en in zijn boek Physics of the Plasma Universe, kan aangetoond worden dat grote materiaal-‘chondrules’ kunnen gevormd worden gedurende Marklund convectie voordat ze uiteindelijk tot een planeet worden samengevoegd. Deze ‘chondrules’ worden elektrostatisch ondersteund in de plasma-filamenten tegen de werking van de zwaartekracht in, totdat ze tamelijk groot geworden zijn. Hun uiteindelijke grootte hangt af van de originele sterkte van de betrokken elektrische en magnetische velden. Dit is nog steeds in overeenstemming met wat we van komeet 67P ontdekten. In feite kan de afmeting van de ‘chondrules’ ons iets zeggen over de oorspronkelijke stroomsterkten en voltages in vergelijking met vandaag.
Ten tweede is er de kennelijke overvloed van water in de coma, wat de theorie van de ‘vuile sneeuwbal’ heeft ondersteund. Maar – zoals eerder opgemerkt – als water of ijs de hoofdcomponent van de komeet zou zijn, zou de dichtheid veel meer dan 0,4 zijn. Bevroren methaan echter geeft ons de dichtheid van 0,4, wat methaan waarschijnlijker maakt als de primaire component dan water of ijs.
Het probleem schijnende zuurstof-moleculen, -atomen of -ionen in de coma. We verwachten waterstof, maar de aanwezigheid van zuurstof geeft alweer geloofwaardigheid aan het idee van waterijs in de komeet zelf. Ze komen in de coma in zulke grote hoeveelheden voor, en combineren met grote hoeveelheden waterstofionen in de coma, dat ze de indruk geven dat de komeet hoofdzakelijk uit water bestaat. Maar we moeten onthouden dat er veel zuurstof-atomen of -moleculen ook het resultaat kunnen zijn van het Marklund convectie-proces. Daarover is geen discussie. Het is zeer wel mogelijk dat deze waterstof-atomen niet met zuurstof reageerden, omdat de temperaturen in het originele filament rond -200 graden lagen. Dan is de zuurstof in vaste vorm en niet gasvormig. Zuurstof-moleculen, -atomen of -ionen zijn dan gekristalliseerd uit het oorspronkelijke ‘mengsel’ in vaste vorm en kunnen dus niet met enige andere stof hebben gereageerd. Zelfs op aarde neemt vaste zuurstof bij kamertemperatuur de zgn. ‘bèta-vorm’ aan als de druk op een geschikt niveau is (9 hPa).
Dus het voorstel is, dat vaste zuurstof is vastgelegd in de structuur van de komeet en wordt vrijgegeven door de actie van elektrische stromen, de zonnewind of opwarming. Deze zuurstofatomen, -moleculen of -ionen verschijnen dan in de coma in grote hoeveelheden. Dit geeft de indruk dat er een heleboel water wordt vrijgegeven, vanwege de grote aantallen waterstofatomen, die eveneens in de coma verschijnen en die komen van het ontbinden van methaan door de elektrische stromen. Als deze dingen kunnen worden geverifieerd bij de komeet 67P, dan zouden we uiteindelijk op weg kunnen zijn naar een levensvatbaar model voor kometen.
Dit artikel is met toestemming vertaald en overgenomen van de website van Setterfield. Het originele artikel is hier te vinden.
