3.1. Кометний склад

Отже, комети — це брили льоду й пилу. Але якого льоду і якого пилу? Передусім, яка щільність кометного ядра? Можна би подумати, що вона займає якесь середнє значення між щільністю водяного льоду, 0.93 г/см³ і щільністю кометних гідратованих силікатів, 2–3 г/см³, але це не так. На основі спостережень середня щільність кометних ядер становить приблизно 0.6 г/см³. Таке мале значення свідчить про те, що ядра дуже пористі. Наприклад, пористість комети Чурюмова-Герасименко становить 70–80%. Згадувані нами астероїди мають середню щільність 2 г/см³. Щільність середніх розмірів кентаврів подібна до щільності комет — 0.5–0.8 г/см³, тому номінальні щільності частинок, які входять до складу кентаврів, повинні бути теж подібні кометним.

Наші сучасні знання про склад кометних льодів в основному базуються на досить численних дослідженнях коми (кометної атмосфери), яка розвивається з наближенням комети до Сонця, коли лід починає сублімувати (переходити з твердого стану в газоподібний). Прямі дослідження поверхні ядра космічними апаратами дуже обмежені через дуже малу їхню кількості та різні способи дослідження при цьому.

Виявляється, кометний лід складається не тільки з водяного льоду, але також із багатьох інших льодів, у тому числі, монооксиду вуглецю (CO), діоксиду вуглецю (CO₂), метану (CH₄), аміаку (NH₃). У складі льоду переважає вода, приблизно 80% за кількістю молекул, а вміст CO, NH₃ та інших з'єднань вуглецю й азоту досить низька. Число виявлених кометних батьківських молекул від менше ніж 0,01% до 20% по відношенню до води, і загалом їхня кількість зменшується зі збільшенням складності, за винятком вуглеводнів. Аналіз водяної пари низки комет показав, що ізотопний склад помітно відрізняється від складу земної води. На Землі на кожні 10 тисяч молекул води доводиться три атоми дейтерію, а на кометі «важкої води» приблизно втричі більше. Лише водяна пара комети Хартлі-2 містить подібну із земними океанами кількість дейтерію.

Коли комета наближається до Сонця, його тепло починає випаровувати льоди. Потім матеріал у газоподібному стані утворює навколо ядра кому (кометну атмосферу), а в міру наближення до Сонця, газ і пил усе більше зносяться сонячним вітром (потоком частинок). Так формуються хвости комет — газовий і пиловий. Газ у комі швидко, протягом декількох годин, розпадається й іонізується; іони (електрично заряджені частинки) під дією сонячного вітру формують іонний хвіст, який займає просторово інше положення, ніж пиловий хвіст, однак, поряд з комою ці хвости перекриваються, утворюючи пилову плазму.

Що стосується співвідношення речовин у ядрі, то шляхом моделювання знайдено співвідношення за масою 1:1:1 для силікатної речовини, органіки й льоду. Виміряне співвідношення викинутого пилу до газу для комети Чурюмова-Герасименко також приблизно 2:1. Кометний пил є неоднорідною сумішшю аморфних і кристалічних силікатів (найпоширенішими є форстерит (Mg₂SiO₄), енстатит (MgSiO₃), олівін (Mg, Mn, Fe)₂[SiO₄])) та стійких до нагрівання органічних речовин, незначної кількості оксидів, та інших складових, таких як сульфід заліза. Розміри пилових частинок перебувають у дуже широкому діапазоні значень від десятків нанометрів до сантиметрів, але найбільший внесок у розсіювання світла (тобто зображення пилового хвоста) вносять пилинки субмікронних розмірів. У результаті досліджень комети Чурюмова-Герасименко зокрема знайдені складні органічні речовини, наприклад, ацетон (C₃H₆O) і гліцин (C₂H₅NO₂).

Чекатимемо, що майбутні дослідження, що ґрунтуватимуться на спільних зусиллях космічних місій, наземних і надатмосферних спостережень, лабораторних досліджень і теоретичних досліджень дадуть нове, більш глибоке розуміння структури та еволюції комет.

3.2. Comets' composition

Comets are bulk of ice and dust. But what kind of ice and dust? First of all, what is the density of comet nucleus? One would think that it takes value between the density of water ice, 0.93 g/cm³ and the density of comet hydrated silicates, 2–3 g/cm³, but it does not. Based on observations, the average density of cometary nuclei is about 0.6 g/cm³. Such a low value indicates that the nucleus is very porous. For example, the porosity of comet Churyumov-Gerasimenko is 70–80%. The average asteroid is assumed to have a density of around 2 g/cm³. The density of the medium-sized centaurs like the density of comets, 0.5–0.8 g/cm³. So the nominal density of centaurs' particles also must be like the cometary particles density.

Our current knowledge of the cometary ices composition are mainly based on a many studies of coma (cometary atmosphere). The coma develops when a comet approaches the Sun, and the ice begins to sublimate (transition from solid to gas). The direct studies of cometary nuclei by spacecrafts is very limited due to the very small number and different ways of studies.

The cometary ice consists not only water ice, but also many other ices — carbon monoxide (CO), carbon dioxide (CO₂), methane (CH₄), ammonia (NH₃) and other. The cometary ice consists predominantly water, about 80% by number of molecules. And the content of CO, NH₃, and other carbon and nitrogen compounds is quite low. The number of parent molecules detected in comets is less than 0.01% to 20% relative to the water. It generally decreases with increasing complexity, except for the hydrocarbons. Analysis of many comets has shown that the isotopic composition is different from the composition of the Earth's water. On Earth, for every 10 thousand water molecules there are three deuterium atoms. On the comets the deuterium/hydrogen ratio is approximately three times greater. Only the water vapor of comet Hartley-2 contains deuterium/hydrogen ratio similar to the Earth's oceans.

When a comet approaches the sun, its heat begins to evaporate the ice. The cometary gaseous material forms the coma (cometary atmosphere) around the nucleus. Closer to the Sun, the gas and dust are increasingly blow away by the solar wind (a stream of particles). Thus formed the gas and dust tails of comets. In the coma, gas breaks down and ionize rapidly, for a few hours. Ions (electrically charged particles) under the action of solar wind forms the ion tail. Ion tail occupies a different position than the dust tail, but near the coma tails overlap, forming a dusty plasma.

About the ratio of substances in nucleus, the simulation results are 1:1:1 by the weight for silicate material, organics and ice. The measured ratio of produced dust and gas from the comet Churyumov-Gerasimenko is about 2:1. Comet dust is inhomogeneous mixture of amorphous and crystalline silicates (most common are forsterite (Mg₂SiO₄), enstatite (MgSiO₃), olivine (Mg, Mn, Fe)₂[SiO₄])), heat-resistant organic substances, small amounts of oxides, and other constituents such as iron sulfide. Sizes of dust particles lie in a very wide range ​​from tens of nanometers to centimeters. But the submicron particles make the greatest contribution to the light scattering (i.e. luminescence dust tail). The comet Churyumov-Gerasimenko studies found particularly complex organic substances, for example, acetone (C₃H₆O) and glycine (C₂H₅NO₂).

We expect that future studies based on the joint efforts of space missions, ground and superatmospheric observations, laboratory and theoretical studies will give us newer and deeper understanding of the structure and evolution of comets.