Comet West 1975 n Part II: Study of the Striated Tail
P. L. Lamy1 and S. Koutchmy2
1 Laboratoire d'Astronomie Spatiale, Traverse du Siphon, les Trois Lucs, F-13012 Marseille, France
2 S.A.S. Institut d'Astrophysique, 98 bis boulevard Arago, F-75014 Paris, France
Received March 29, 1978
Резюме. У цій другій статті, ми робимо спробу аналізу динамічної еволюції смуг Комети Веста 1975, n базуючись на п'яти фотографічних спостереженнях, виконаних з березня 3.2 по 12.5, 1976. Ми вперше показуємо, що синхронно-синдинамний опис не є застосовним і що процес утворення смуг, здається, є результатом синхронної активності і сонячно-кометної взаємодії. У сценарії, який ми пропонуємо велика частина пилу була випущена в перигелії, згодом утворивши смуги. Ці смуги поширюються в просторі, зберігаючи форму протягом декількох днів. Їх диференціальний рух сумісний з постійною швидкістю. Можливі механізми утворення смуг обговорюються.
Ключові слова: комети — пиловий хвіст — міжпланетний пил
1. Вступ
У статті 1 (Koutchmy і інші., 1978), вивчення смугастого хвоста Комети Веста 1975 було сконцентроване на морфологічному аспекті смуг.У цій другій статті, ми робимо спробу аналізу їх динамічної еволюції для того, щоб cпробувати зрозуміти походження цієї дивної структури. Важливим аспектом проблеми є відсутність смуг у переважної більшості комет, який дає сурові обмеження на механізм утворення смуг. Ми обізнані лише з одним попереднім аналізом, це Vsekhsvyatsky (1959) — який був підсумований Wurm (1963) — для комети Мркоса, 1957 V. Інші автори обмежились оцінкою величини тиску сонячного випромінювання (McClure і Liller, 1958) або відзначили, що смуги не відповідають синхронним групам (Pansecchi, 1976; Sekanina, 1976). Удосконалення в представленому тут аналізі в значній мірі завдячує ряду спостережень, що покривають великий діапазон часу: до наших власних фотографій, представлених в статті 1, ми додали ті, що присутні в Pansecchi (1976), зроблені 3.2 березня, один з найбільш ранніх постперигелійних фотографічних записів. Попередній аналіз цього ряду вже надав нам (Koutchmy і Lamy, 1978) можливість знайти, що смуги поширюють в міжпланетному просторі, зберігаючи форму, тобто одна може слідувати за іншими протягом деякого часу. Ця властивість досліджується тут для того, щоб отримати деяке розуміння їхньої поведінки.2. Синхронно-синдинамний аналіз
a) Загальна структура
Цей аналіз, який звертається до робіт Bessel (1836) і Bredichin (цитований в Jaegermann, 1903), цілком сформулювали Finson і Probstein (1968) і зарекомендував себе як потужний інструмент для пояснення геометрії і яскравості пилових хвостів і анти-хвостів, і для забезпечення інформації відносно складу і розміру кометних пилових частинок. Якщо коротко, то один аспект методу полягає в побудові траєкторій частинок, чи в площині орбіти комети, чи в проекції на небесну сферу. Два види траєкторій заслуговують уваги:(i) синхрони утворені місцезнаходженнями частинок, які випущені в один і той же час T (T=0 на ядрі і зазвичай виражається в добах), але піддані всьому діапазону відштовхувальних прискорень;
(ii) синдинами - місцезнаходження частинок, випущених в різний час з нульовою швидкістю з ядра але підданих сталому відштовхувальному прискоренню радіаційного тиску β (у одиницях сонячного тяжіння).
Використовуючи орбітальні елементи Комети Веста, подані IAU Circular 2871, ми обчислили й збудували синхрони й синдинами для кожного з п'яти спостережень наведених в Таблиці 1; вони співвідносяться зі значеннями T і β відповідно. Ми наклали головні деталі хвоста із статті 1, що були піддані коректній обробці (за винятком фотографій Pansecchi); тому їх перевірка повністю доступна. Оскільки спостереження 5.5 березня містить найдовший запис кометної активності, ми спершу розглянемо Мал. 1c (погляньте також Мал. 6b статті 1). У майже 90о від напряму Сонце-Комета, ми відрізняємо перший компонент, "хвіст А", який являє собою досконале синхронне утворення (T ~ 12 днів) зрівнянне з першим вибухом, спостережуваним Ney і Merrill (1976) між лютим 22.8 і 23.8, 1976. Із зменшенням T, активність, здається, припиняється потім відновлюється трохи (невизначений регіон T > 10 d). Проходження перигелію мало місце 9.3 d перед цим спостереженням і відмінно відповідає — в межах помилок методу — сильній емісії пилу, також записаній Ney і Merrill (між лютим 24.8 і 25.8), яка ймовірно співпадає з одним з розколів ядра. Тому, ця емісія з'являється з добре визначеним краєм, відповідним синхроні T = 7 для 3.2 березня, T = 8 для 4.2 березня, T = 11.3 для 7.5 березня і T = 16 для March 12.5 — від якої й розвивається система смуг. Назвемо цей компонент пилового хвоста, який містить велику частину смуг, "хвіст B". Крім того, виділимо третій компонент, "хвіст C", який може бути відмічений ще в березні 3.2. Він з'являється значно чіткіше на трьох останніх фотографіях як збільшена яскравість, пов'язана з двома синхронами, що відповідають емісії утвореній з 3 до 5 діб після проходження перигелія. Як вже підкреслювалось, хвіст А є нормальним в тому сенсі, що він відповідає "класичним" синхронним формуванням. Хвіст B розширює свою складну систему смуг на велику область і показує дивну схожість з хвостом Комета Mrkos 1957 V. Хвіст C є цілком іншим і навряд чи може бути названий смугастим за винятком кількох несинхронних груп з гелікоїдальним рухом; це сильно нагадує хвіст Комети Seki-lines 1962 III. Отже, Комета Веста, здається, виявляє три різні види пилових хвостів.
Повернемось до аналізу синдин, в термінах β. Щоб зробити легшою їх інтерпретацію, ми відтворили на Мал. 2 результати Burns і інші. (1978) для β як функції радіусу частинки для різних матеріалів. Хвіст А цілком лежить в області β<0.5 і ймовірно складений з силікатів, що підтверджується відкриттям силікатних ознак в 10 і 20 μm (Ney і Merrill, 1976). Натомість, більшість із структур хвостів B і C лежать в областях, що відповідають великим значенням β розташованим приблизно в діапазоні 0.6-2. Це може означати, що всі частинки складаються з матеріалів-провідників (залізо, магнетит або графіт?) з дуже вузьким розподілом по розмірах, що має пік при 0.1μm. На нашу думку, ця ситуація видається дуже малоймовірною і крім того суперечить висновкам Ney і Merrill (1976). Тому, ми змушені зробити висновок, що класичний синхронно-синдинамний опис не може бути застосований до динамічної еволюції смуг. Нарешті, 12.5 березня хвіст повернувся до нормального стану: це є чистим синхронним утворенням, і значення величини β знову відповідає силікатам з, можливо, незначною кількістю матеріалів-провідників. Хоча ми не стикаємося тут з плазмовим хвостом, відзначимо, що його протяжність є незначною аж до березня 5.5, коли він починає швидко розвиватись, ставши візуально таким же яскравим як пиловий хвіст 12.5 березня.
b) Структура смуг
Оскільки синхронно-синдинамний аналіз адекватно не описує смуги, ми зараз підсумовуємо їх головні властивості (деякі з них були описані детально в статті 1), щоб сформувати основу для нашого подальшого аналізу. На перший погляд, смуги формують систематичний зразок близькопаралельних смуг приблизно рівної яскравості й відокремлені приблизно рівними проміжками. Ближчий погляд виявляє більш складну структуру:(i) Смуги не точно паралельні і не сходять в одну точку до будь-якого специфічного пункту, як запропонував Wurm (1963) для комети Mrkos 1957 V; у такому разі, сходження до пункту, розміщеного між Сонцем і Кометою, може або бути реальним, або збігом або в межах невпевненості при визначенні їх напрямів.
(ii) Їх орієнтація є в півдорозі між синхронним і напряму Сонце-Комета і прагне обертатись із збільшенням відстані від ядра; здається, це є результатом Сонячно-Кометної взаємодії і синхронна дія, чий баланс залежить від відстані між смугою та ядром.
(iii) Великомасштабні структури (огинаючі) хвоста лишаються приблизно синхронними, в той час як невеликі структури показують складну орієнтацію близьку до напряму Сонце-Комета (плазмовий хвіст). Двовимірний аналіз Фур'є із статті 1 вже встановив це на статистичній основі.
Смуги видно з хорошим контрастом протягом кількох днів, від березня 3.2 до якої-небудь дати між 7.5 і 12.5. До того ж, їх морфологія відносно добре зберігається протягом цього інтервалу часу і ми мали успіх в ідентифікації трьох смуг, які подорожують в міжпланетному просторі, зберігаючи їх основну форму (Мал. 1). Це явище не є незвичним для структурованої астрофізичної плазми якою є плазмові хвости комет, коронарні викиди мас (електронна сонячна корона), або міжпланетні плазмові хмари. Всі ці факти прагнуть запропонувати пов'язаний з плазмою аспект поведінки смуг. Їх часова еволюція по-перше характеризується переважаючою дифузією в подовжньому напрямі що є очевидним на Мал. Id; потім вони ймовірно розвертаються і розчиняються в міжпланетному просторі, при русі від ядра. 12.5 березня вони повністю зникли.
3. Запропонований сценарій формування смуг
Наведений вище аналіз рішуче вказує на те, що всі смуги, в межах даного хвоста (B чи C), як видається, виходять із синхронного краю. До речі, це було також відзначено Sekanina (1976). Розглянемо хвіст А, який є найкращим прикладом смугастого хвостом. Ми вважаємо, що основна частина пилу, що утворює цей хвіст, була випущена в перигелії (або майже там), а згодом було зметено під впливом невідомої взаємодії, яка зібрала пил у вузькі смуги. Ці смуги потім еволюціонували, зберігаючи свої основні форми протягом декількох днів, потім, як правило, розосереджувалися в міжпланетному просторі, так що вже не спостерігалися пізніше березня 12,5. Як вже вказувалося, аргуме́нти на користь сильного вибуху поблизу перигелію суттєві. Крім того, якщо смуги витягуються внапрямку до "перигелійної" синхрони, від якої вони походять, їхні початки відповідають величинам β типовим для силікатів (≲0.8) з, можливо, невеликию домішкою матеріалів-провідників, як вже зазначено для дати 12.5 березня. Подібний сценарій можна запропонувати для хвоста С, який показується через три дні після проходження перигелію. Однак невідома взаємодія суттєво менша, оскільки смуги менш чіткі ніж у хвості В. На щастя можливо здобути деяке розуміння динамічної еволюції смуг завдяки трбом ідентифікованим смугам, місцезнаходження яких відоме для чотирьох різних дат. Приймемо, що їхній рух обмежений орбітальною площиною комети; це загалом хороше наближення, оскільки реактивні та дифузійні швидкості завжди набагато менші за орбітальну швидкість. Використовуючи рівняння Finson & Probstein (1968), ми спроектували спостережні смуги назад на орбітальну площину і реконстуювали їхній реальний рух (Мал. 3). Найбільш цікавий підхід полягає в змалюванні їхнього диференціального руху, тобто різниці між їхнім дійсним рухом і рухом їх незбурених пилинок під впливом гравітації та тиску сонячного випромінювання, який повністю визначений величиною β. Для чотирьох спостережень ми продовжили кожну смугу до синхрони, яка відповідає за емісію в перигелії. Перетин з розрахованою синхроною дає три величини β; відповідно до нашого сценарію, ці три величини служать характе́рною озна́кою пилинок, з яких утворені смуги. Ці величини є в добрій узгодженості з чотирма спостереженнями і становлять 0.37, 0.43 і 0.6 відповідно. Потім легко обчислююються відповідні місцезнаходження на орбітальній площині (мал. 3). Диференціальний рух тепер характеризується відстанню між верхнім теоретичним місцезнаходженням і серединами кожної смуги і зображений як функція часу на мал. 4. Хоча є деяке свавілля в точному визначенні смуг, мал. 4 дозволяє нам зробити два недвозначних висновки:(i) за винятком останнього спостереження (березень 7.5) дані говорять про рівномірний рух (сталу швидкість) й утворення, що збігається з датою перигелію.
(iii) швидкість лежить в межах 7.5 - 12 км/с: однак більш віддалені смуги (мал. 1b,c) виявляють велику неочікувану величину 40 км/с.
Питання розбіжності в напрямку цієї швидкості (тобто орієнтації смуг) нечітке: одна підтримує цей напрямок, тоді як інша відхиляється приблизно на 10°. Ми, о́тже, вирішили, що цей ефект неважли́вий.
4. Обгово́рення
У своїй праці Комета Mrkos 1957 V, Vsekhsvyatsky (1969) досяг висновків, схожих на наші: смуги не пов'язані з синхронами і їхня морфологія натякає на механізм відмінний від гравітації та сили тиску сонячного випромінювання. На основі видимої подібності між смугами та сонячними полярними перами (чи променями) він натякнув на вплив міжпланетного магнітного поля, перенесеного частинками викинутими із Сонця (сонячний вітер) на заряджені пилові частинки; пізніше він поставив умову існування багатоа́томних іонізованих молекул. Ми схильні припустити, що невідома взаємодія, розглянута в розділі 3 викликана справді сонячним вітром і принесеним ним магнітним полем. Сонячний вітер може пояснити плазмоподібний вигляд поведінки смуг і їх сталий диференціа́льний рух спричинений уповільненням частинок на пилинках. Міжпланетне магнітне поле можна використати, щоб пояснити формування смуг: якщо лінії поля протилежних напрямків принесені вітром торкнуться хвоста, Лапласова сила можливо обмежить заряджені пилинки у вузьких витянутих об'ємах.Але потім треба пояснити як ці взаємодії можуть бути такими ефективними, оскільки відомо, що вони швидше за все слабкі у випадку динаміки міжпланетного пилу. Беручи концервативні оцінки потенціалу пилинок (10 V) і характеристик сонячного вітру і магнітного поля в площині екліптики було знайдено (Lamy, 1975):
(i) взаємодія з сонячним вітром зменшує з тангенціальне гальмування (так зване "корпускулярне гальмування") подібно до Пойтінг-Робертсонівського гальмування;
(iii) величина електромагнітних сил рівна приблизно одній десятій сили гравітації для пилинок, з якими ми маємо справу.
Однак, цілком можливо, що ці сили помітно недооцінені, оскільки взаємодії мають місце на значних екліптичних широтах (≂45°), де швидкість сонячного вітру наприклад може бути значно більшою ніж в площині екліптики. локальні умови (такі як шторм) і високошвидкісні потоки вітру (Zirker, 1977) можуть крім то́го збільшити силу взаємодії.
Газ навіть може грати роль, як пропонує Vsekhsvyatsky (1959) якщо, наприклад, зче́плення з пилом є важливим. Звернемо увагу на пізній розвиток плазмового хвоста, який почався тільки коли пиловий хвіст зменшився і розсіявся в міжпланетному просторі. Ще одна незвичайна річ, яка може траплятись в плазмовому хвості була пізніше підказана спостереженнями Feldman (1978); швидка рекомбінація іонізованих молекул з електронами можливо перешкоджає формуванню великого плазмового хвоста підтримуючи концентрацію газу в комі. Ця гіпотеза вимагає відносно великого рівня сонячного ультрафіолету, який спричиняє також ріст позитивного заряду пилинок і суттєве зростання електромагнітних сил. наш теперішній аналіз не дозволяє нам слідувати за цими ремарками, які повинні проте́ роби́ти вклад в розуміння механізму утворення смуг.
Посилання
Bessel, F.W.: 1835, A.N. 13, 186
Burns, J.A. Lamy, Ph.L., Soter, S.: 1978 (submitted to Icarus)
Feldman, P.D.: 1978 (submitted to Astron. Astrophys.)
Finson, M.L., Probstein, R.F.: 1968, Astrophys. J. 154, 327
Jaegermann, R.: 1903, kometenformen (St. Petersbourg)
Koutchmy, S., Coupiac, P., Elmore, D., Lamy, Ph., Sevre, F.: 1978 Astron. Astrophys. (in press)
Koutchmy, S., Lamy, Ph.: 1978 Nature, 273, 522
Lamy, Ph.: 1975 Ph.D. Thesis, Cornell University
McClure, A., Liller, W.: 1958, Publ. Astron. Soc. pacific 70, 404
Ney, E.P., Merrill, K.M.: 1976, Science 194, 1051
Pansecchi, L.: 1976 Coelum 44, 156
Vsekhsvyatsky, S.K.: 1959 Astron. J. (U.S.S.R.) 36, 503
Wurn, K.: 1963, The Solar System Vol IV, Chapter 17. The Univ. of Chicago Press; Chicago, London
Zirker, J.B.: 1977, rev. Geophys. Space Sci. 15, 257