Kometa ZTF (C/2022 E3) na północnym niebie

01.02.2023

Opracowanie: dr Grzegorz Duniec, dr Marcin Kolonko, CMM-IMGW-PIB

Uciekinier z obłoku Oorta przemknął blisko Słońca! Peryhelium orbity osiągnął 12 stycznia 2023 roku. Prawdopodobnie pierwsze zbliżenie od 53000 lat. Końcem grudnia widoczna jako plamka 8 wielkości gwiazdowej, może pojaśnieć nawet do granicy widoczności gołym okiem!

Obłok Oorta to materia złożona z lodowo-skalistych ciał, których rozmiary są większe niż 1 km, tworząca kokon wokół Słońca. Rozkład materii jest praktycznie izotropowy. Rozmiary chmury ciał lodowo-skalistych rozciąga się między 5000-100000 AU. Ciała należące do obłoku Oorta poruszają się powoli wokół Słońca. Obłok Oorta jest skupiskiem materii jeszcze związanym z Układem Słonecznym. Zawiera on materię, która pozostała z formacji Słońca – jest wielokroć razy dalej niż Pas Kuipera. Komety jednopojawieniowe to obiekty które prawdopodobnie pochodzące z obłoku Oorta. Komety jednopojawieniowe stanowią większość wszystkich komet. Poruszają się po orbitach hiperbolicznych oraz parabolicznych. W naszych rejonach goszczą tylko raz.

Kometa Shoemaker-Levy 9 (D/1993 F2) w 21 fragmentach przed upadkiem na Jowisza. Źródło: NASA, ESA, and H. Weaver and E. Smith (STScI).

Raz na jakiś czas trajektorie lodowo-skalnych obiektów należących do obłoku Oorta są grawitacyjnie zaburzane przez poruszającą się w pobliżu gwiazdy. W wyniku tego oddziaływania obiekt może zostać wyrzucony z Układu Słonecznego lub może zostać skierowany na orbitę skierowaną w kierunku Słońca – mamy wówczas do czynienia z kometą. Poruszająca się gwiazda może zaburzać wiele obiektów kometarnych jednocześnie. Badania pokazują, że w niedalekiej przeszłości mogło dojść do zbliżenia się dwóch obiektów. Jednym z nich była gwiazda z ciągu głównego, zaś drugim był prawdopodobnie brązowy karzeł.

Pas Kuipera to zbiorowisko planetoid, których trajektorie znajdują się poza orbitą Neptuna. Takie obiekty klasyfikujemy jako obiekty transneptunowe. Pas Kuipera rozpościera się w odległości 30-50 AU od naszej Gwiazdy. Przedstawicielem tego zbioru planetoid jest Pluton, który do 2006 roku był dziewiątą planetą w naszym Układzie Słonecznej. Uchwałą Międzynarodowej Unii Astronomicznej (IAU) został zdegradowany do roli planety karłowatej, obiegającej Słońce w czasie 248 lat. Innym ciałem niebieskim należącym do Pasa Kuipera jest Eris, która tak jak Pluton jest planetą karłowatą o okresie obiegu około 557 lat. Podobnie jak Pluton nie posiada imponujących rozmiarów. Średnica to około 2400 km. Pluton jest nieco mniejszy, gdyż jego średnica wynosi 2306 km. Ponadto takie ciała jak Varuna, Quaoar, Orcus również należą do pasa Kuipera. Prawdopodobnie jeden z księżyców Neptuna, Tryton, też w przeszłości należał do pasa planetoid, ale został przechwycony przez pole grawitacyjne planety stając się jego satelitą. Innym ciekawym obiektem jest planetoida Sedna, która prawdopodobnie przejdzie przez peryhelium swojej orbity około 2075 roku. Jej okres obiegu wokół Słońca jest dość długi, gdyż jak wskazują obliczenia wynosi około 12050 lat. Co do pochodzenia Sedny poglądy naukowców są podzielone. Niektórzy twierdzą, że jest to obiekt należący do obłoku Oorta. Przypuszcza się, że komety okresowe pochodzą z pasa Kuipera. Kiedy przyjrzymy się trajektoriom komet okresowych to zauważymy, że są to orbity eliptyczne o bardzo dużym mimośrodzie. Nachylenie płaszczyzn orbit komet względem płaszczyzny ekliptyki na ogół nie przekraczają 20°. Przykładem komety okresowej, doskonale wszystkich znanej, jest kometa Halleya. Ostatni raz gościła w naszych rejonach w latach 80. ubiegłego wieku, przechodząc przez peryhelium swojej orbity 9 lutego 1986 roku. Obecnie zbliża się do aphelium swojej orbity, który powinien zostać osiągnięty w 2024 roku. Peryhelium komety Halleya podczas ostatniego przejścia znalazło się bliżej niż Wenus. Płaszczyzna orbity komety Halley względem płaszczyzny ekliptyki nachylona jest pod kątem 17,8°. Komety pochodzące z pasa Kuipera podczas swojej wędrówki doznają perturbacji głównie ze stronu planet olbrzymów Jowisza, Saturna, Urana oraz Neptuna. W wyniku oddziaływania grawitacyjnego powyższych planet elementy orbity ulegają zmianie. Zdarza się, że orbita paraboliczna komety może w wyniku perturbacji grawitacyjnych przekształcić się w orbitę eliptyczną. Czasem w wyniku zaburzenie ruchu komety, jej trajektoria zmieni się na tyle, że może wejść na kurs kolizyjny z innym obiektem np. planetą. Tak stało się z w roku 1994 z kometą Shoemaker-Levy 9, która ostatecznie uległa pływowemu rozerwaniu i uderzyła w Jowisza.

Wzajemne odległości w Układzie Słonecznym: w środku strefa planetarna, pośrodku (50-1000 AU, tj. jednostek astronomicznych) Pas Kuipera a na zewnątrz (10000-100000 AU) – obłok Oorta, zawierający potencjalne jądra komet. Oś odległości od Słońca jest logarytmiczna.

Kometa może poruszać się po orbicie eliptycznej (dotyczy komet bliskich Słońcu, jak kometa Enckego czy Halley’a), parabolicznej (graniczny przypadek komety, która nadlatuje z bardzo daleka i prawie domyka swój tor lotu) lub hiperbolicznej (jak komety z obłoku Oorta), o trajektorii niedomkniętej. Ich okres może wynieść nawet kilka milionów lat.

 Kometa ZTF widoczna 12 stycznia 2023 r. Widoczne warkocz pyłowy i jonowy, rozciągające się na 4 stopnie łuku. Zdjęcie wykonane z ogniskową 280 mm. Źródło: Michael Jaeger.

Im większa odległość aphelium od Słońca, tym dłuższy okres obiegu komety – tak wynika z III prawa Keplera. Aphelium to punkt, w którym kometa osiąga największe oddalenie od Słońca. Komety z orbitą eliptyczną osiągają odległości planet olbrzymów. Te paraboliczne czy hiperboliczne zbliżają się do Słońca tylko raz, aby potem umknąć z powrotem w przestrzeń międzygwiezdną.

Ciemne plamy na Jowiszu w 1994 roku oznaczają miejsca upadku poszczególnych fragmentów rozerwanej pływowo komety Shoemaker-Levy 9. Źródło: zespół NASA Hubble Space Telescope.

Kometa zbudowana jest z rdzenia skalnego, znajdującego się w centralnym obszarze, który otoczony jest mieszaniną lodu, brudnego śniegu oraz pyłu. Ponadto na powierzchni można odnaleźć amoniak, metan, czad, dwutlenek węgla. Z badań przeprowadzonych przez sondy wysłane w latach 80. w kierunku komety Halleya wynikało, że rozmiary jądra komety wynosiły 16x8x8 km. Większość powierzchni komety jest bardzo czarna w wyniku pokrycia jej powierzchni pyłem krzemianowo-grafitowym oraz związkami organicznymi (polimery formaldehydu). Powierzchnia wykazuje dużą porowatość. Dzięki porowatości sublimujący lód wydostaje się przez pory na zewnątrz. Albedo powierzchni komety jest bardzo małe, poniżej 10% (dla komety Halleya 3-4%). W wypadku komety Halleya jądro przyjmuje kształt wydłużony. Jądro komety wiruje wokół własnej osi. Pomiary wykazały, że okres obrotu jądra komety Halleya wokół własnej osi wynosił 52 godziny. Co ciekawe oś obrotu wykonuje ruch precesyjny z okresem 175 godzin. Należy podkreślić, że powyższe wartości mogą ulegać zmianie. Przyczyną są gazy, które są emitowane z powierzchni komety. Wypływający gaz powoduje, że na kometę działa zmienny moment sił odrzutu co skutkuje, że okres obrotu oraz precesji zmieniają się. W pewnej odległości od komety gaz wyemitowany z powierzchni komety może uzyskać prędkość naddźwiękową. W odległości kilku kilometrów gaz osiąga stałą prędkość. Lądownik Philae, który został wysłany przez sondę Rosette w kierunku komety 67P/Czuriumow-Gierasimienko, wykazał, że na powierzchni komety znajdowało się ponad 20 związków organicznych. Ciekawym odkryciem była twarda woda znajdującą się pod warstwą pyłu. Okazało się, że odkryta woda jest inna niż woda jaka jest znana na Ziemi. Kiedy kometa zbliża się do Słońca, w pewnej odległości, rozpoczyna się sublimacja lodu i śniegu. Z powierzchni komety emitowany jest gaz wraz z cząstkami pyłu, które łącznie tworzą otoczkę, czyli tzw. komę. Wraz ze zbliżaniem się komety ku Słońcu wzrasta ciśnienia promieniowania słonecznego oraz na kometę wpływa także wiatr słoneczny, co skutkuje powstaniem, w kierunku odsłonecznym, warkocza pyłowego. Drugi to warkocz jonowy. Kometa w trakcie swojego ruchu doznaje oddziaływania innych planet i Słońca, ze względu na swoją mała wytrzymałość mogą rozpadać się. Inną przyczyną wywołującą rozpad komety są gazy znajdujące się pod powierzchnią komety. Jasność komety jest trudno do zaprognozowania ze względu na wybuchy materii. Kometa będąc w pobliżu peryhelium orbity emituje duże ilości gazu, których masa sięga kilku ton materii na sekundę (70 ton/s dla komety Halleya).

Trajektoria komety ZTF wśród gwiazdozbiorów nieba północnego. Źródło: Sky and Telescope.

Kometa ZTF C/2022 E3 porusza się po orbicie zbliżonej do parabolicznej. Z obliczeń wynika, że ekscentryczność orbity wynosi 1,0003. Nachylenie orbity komety do płaszczyzny ekliptyki wynosi 109,169°. W peryhelium orbity znajdowała się w odległości 1,112 AU. Obecnie kometa C/2022 E3 osiągnęła 6,5 – 7 wielkość gwiazdową i na zdjęciach ma zielonkawy kolor. Możemy się spodziewać jej przelotu pomiędzy Małą a Wielką Niedźwiedzicą. Powinna być widoczna przez niewielką lunetkę, teleskop czy lornetkę. Luneta na ogół posiada obiektyw a teleskop – zwierciadło. Teleskopy mogą być różnie skonstruowane (co do systemu optycznego, jak system Newtona, Cassegraina czy Maksutowa).

Schemat optyczny refraktora, czyli lunety. Z prawej obiektyw, z lewej wyciąg okularowy. Źródło grafiki: MesserWoland, Zbynio.

Każdy system optyczny ma swoje zalety i wady: obiektyw małej lunetki wymaga aż 4 powierzchni do idealnego wyszlifowania, m.in. tak, aby elementy soczewki złożonej z 2 różnych rodzajów szkła ściśle do siebie przylegały. Wady tej nie ma teleskop systemu Newtona, jednak ma on wadę zwaną comą – rozmywania obrazów gwiazd na skraju pola widzenia. Z kolei systemy Cassegraina czy Maksutowa wymagają ogromnej precyzji wykonania, są zatem drogie i najczęściej są używane w obserwacjach przez zawodowych astronomów.

Schemat optyczny teleskopu Cassegraina. Źródło: Szocs Tamas Tamaflex.

Kadry z czasu odkrycia komety ZTF w czerwcu 2022 (u góry) oraz w miarę jaśnienia i zbliżania się do Ziemi (d – dystans od Ziemi) i Słońca (r – odległość od Słońca w jednostkach astronomicznych, UA). Źródło: Didac Mesa Romeu.

Skrócona nazwa komety (ZTF) wzięła się od słów „Zwicky Transient Facility”, czyli publiczno-prywatnego instrumentu zlokalizowanego na Mt Palomar, przy pomocy którego została wykryta. Użyto do tego 48-calowego (ponad 120 cm) teleskopu Samuel Oschin, przeszukującego niebo w poszukiwaniu obiektów, które mają zmienny blask lub się poruszają. Wykrywa się w ten sposób planetoidy bliskie Ziemi, supenowe (do tej pory 6600 sztuk) i właśnie komety.

Początkowo C/2022 E3 została sklasyfikowana jako asteroida. Jednak dzień po odkryciu, japońska astronom Hirohisa Sato skierowała tam teleskop i zauważyła otoczkę – znak charakteryzujący kometę. Co ciekawe, kometa była wtedy obiektem zaledwie 17-tej wielkości gwiazdowej i znajdowała się w odległości 5 jednostek astronomicznych – czyli mniej więcej w odległości Jowisza od Słońca.

Kąt nachylenia orbity komety wynosi 109 stopni, czyli jest silnie nachylony względem orbit planet. ZTF C/2022 E3 przetnie ekliptykę (płaszczyznę orbity Ziemi wokół Słońca) 12 lutego. Źródło: NASA.

1 lutego kometa ma osiągnąć najmniejszą odległość od Ziemi (42 mln km, czyli około 0,3 odległości Ziemi od Słońca, zwanej jednostką astronomiczną). Najmniejsza odległość od Słońca (peryhelium) kometa osiągnęła 12 stycznia i wyniosła ona nieco ponad jednostkę astronomiczną. Okres obiegu przy zbliżaniu wynosił 53000 lat, jednak teraz, wskutek perturbacji, kometa najprawdopodobniej opuści Układ Słoneczny na zawsze. W momencie maksymalnego zbliżenia do Ziemi ZTF C/2022 E3 będzie przemieszczała się po niebie z prędkością 6,5 stopnia dziennie! Na przełomie stycznia i lutego kometa będzie dostrzegalna przez mały instrument wczesnym rankiem, tuż po zachodzie Księżyca. Potem podążający ku pełni Księżyc będzie stanowił przeszkodę w obserwacjach.

Na swojej drodze po niebie można będzie odnotować szereg złączeń: z Capellą 5 lutego wieczorem, z Marsem 10-11 lutego czy z Aldebaranem (w Byku) 14 lutego, w odległości 1,5 stopnia kątowego. Od tego czasu zacznie najprawdopodobniej słabnąć.

Źródło: Tomasz Ściężor, Almanach Astronomiczny na rok 2023, PTA, Warszawa 2022 roku.