Comète de Halley. Crédit d'image: MPAE. Cliquez pour agrandir.
En tant que professeur émérite de l'Institut Max Planck, le Dr Kissel a une dévotion permanente pour l'étude des comètes. «Au début du XXe siècle, les queues de comètes conduisent à la postulation et plus tard à la détection du« vent solaire », un flux d’atomes ionisés constamment éloignés du soleil. À mesure que les observations astronomiques devenaient plus puissantes, de plus en plus de constituants pouvaient être identifiés, à la fois des particules à l'état solide et des molécules gazeuses, neutres et ionisées. » Au fur et à mesure que nos techniques d'étude de ces visiteurs du système solaire externe se raffinaient, nos théories sur leur composition et sur leur apparence se sont également développées. Dit Kissel, «De nombreux modèles ont été proposés pour décrire l'apparence dynamique d'une comète, dont Fred Whipple était apparemment le plus prometteur. Il a postulé un noyau composé de glace d'eau et de poussière. Sous l'influence du soleil, la glace d'eau sublimerait et accélérerait les particules de poussière le long de son chemin. »
Pourtant, ils étaient un mystère - un mystère que la science était désireuse de résoudre. "Ce n'est que lorsque Halley a su que de nombreuses comètes font partie de notre système solaire et tournent autour du soleil comme le font les planètes, juste sur d'autres orbites de type et avec des effets supplémentaires dus à l'émission de matériaux." commente Kissel. Mais ce n'est qu'en se rapprochant et en étant proche d'une comète que nous avons pu en découvrir beaucoup plus. Avec le retour de Halley dans notre système solaire intérieur, les plans ont été faits pour attraper une comète et son nom était Giotto.
La mission de Giotto était d'obtenir des photographies en couleur du noyau, de déterminer la composition élémentaire et isotopique des composants volatils dans le coma cométaire, d'étudier les molécules mères et de nous aider à comprendre les processus physiques et chimiques qui se produisent dans l'atmosphère et l'ionosphère cométaires. Giotto serait le premier à étudier les systèmes macroscopiques des flux de plasma résultant de l'interaction vent cométaire-solaire. Au sommet de sa liste de priorités figurait la mesure du taux de production de gaz et la détermination de la composition élémentaire et isotopique des particules de poussière. Le flux de poussière - sa taille et sa distribution de masse et le rapport poussière / gaz crucial étaient essentiels à l'enquête scientifique. Alors que les caméras embarquées imageaient le noyau à 596 km de distance - déterminant sa forme et sa taille - il surveillait également les structures dans le coma des poussières et étudiait le gaz à l'aide de spectromètres de masse neutres et ioniques. Comme la science le soupçonnait, la mission Giotto a découvert que le gaz était principalement de l'eau, mais il contenait du monoxyde de carbone, du dioxyde de carbone, divers hydrocarbures, ainsi qu'une trace de fer et de sodium.
En tant que chef de recherche d'équipe pour la mission Giotto, le Dr Kissel se souvient: «Lorsque les premières missions rapprochées de la comète 1P / Halley sont arrivées, un noyau a été clairement identifié en 1986. C'était aussi la première fois que des particules de poussière, la comète les gaz libérés ont été analysés in situ, c'est-à-dire sans intervention humaine ni transport vers le sol. C'était une période passionnante dans la recherche cométaire, grâce à l'instrumentation de Giotto, des chercheurs comme Kissel pouvaient désormais étudier des données comme jamais auparavant. «Ces premières analyses ont montré que les particules sont toutes un mélange intime de matière organique de masse élevée et de très petites particules de poussière. La plus grande surprise a certainement été le noyau très sombre (ne réfléchissant que 5% de la lumière qui y brille) et la quantité et la complexité de la matière organique. »
Mais une comète était-elle vraiment quelque chose de plus ou juste une boule de neige sale? "Jusqu'à aujourd'hui, il n'y a - à ma connaissance - aucune mesure montrant l'existence de glace d'eau solide exposée sur une surface cométaire." dit Kissel, «Cependant, nous avons constaté que l'eau (H2O) sous forme de gaz pouvait être libérée par des réactions chimiques qui se produisent lorsque la comète est de plus en plus chauffée par le soleil. La raison pourrait être la «chaleur latente», c'est-à-dire l'énergie stockée dans le matériau cométaire très froid, qui a acquis l'énergie par un rayonnement cosmique intense pendant que la poussière voyageait à travers l'espace interstellaire par rupture de liaison. Très proche du modèle pour lequel feu J. Mayo Greenberg plaide depuis des années. »
Nous savons maintenant que la comète Halley était constituée du matériau le plus primitif que nous connaissions dans le système solaire. À l'exception de l'azote, les éléments légers présentés étaient assez similaires en abondance à ceux de notre propre Soleil. Plusieurs milliers de particules de poussière ont été déterminées comme étant de l'hydrogène, du carbone, de l'azote, de l'oxygène - ainsi que des éléments de formation de minéraux tels que le sodium, le magnésium, le silicium, le calcium et le fer. Parce que les éléments les plus légers ont été découverts loin du noyau, nous savions qu'il ne s'agissait pas de particules de glace cométaire. De nos études sur la chimie des gaz interstellaires entourant les étoiles, nous avons appris comment les molécules de la chaîne carbonée réagissent aux éléments tels que l'azote, l'oxygène et, dans une très petite partie, l'hydrogène. Dans le froid extrême de l'espace, ils peuvent polymériser - modifiant l'arrangement moléculaire de ces composés pour en former de nouveaux. Ils auraient la même composition en pourcentage de l'original, mais un poids moléculaire plus élevé et des propriétés différentes. Mais quelles sont ces propriétés?
Grâce à des informations très précises issues de la rencontre rapprochée de la sonde avec la comète Halley, Ranjan Gupta du Centre interuniversitaire d'astronomie et d'astrophysique (IUCAA) et ses collègues ont fait des découvertes très intéressantes sur la composition de la poussière cométaire et les propriétés de diffusion. Comme les missions initiales sur les comètes étaient des «survols», tout le matériel capturé a été analysé in situ. Ce type d'analyse a montré que les matériaux cométaires sont généralement un mélange de silicates et de carbone dans une structure amorphe et cristalline formée dans la matrice. Une fois que l'eau s'évapore, la taille de ces grains varie de sous-micron à micron et est de nature très poreuse - contenant des formes non sphériques et irrégulières.
Selon Gupta, la plupart des premiers modèles de diffusion de la lumière à partir de ces grains étaient «basés sur des sphères solides avec la théorie conventionnelle de Mie et ce n'est que ces dernières années - lorsque les missions spatiales ont fourni de solides preuves contre cela - que de nouveaux modèles ont été -des grains sphériques et poreux ont été utilisés pour reproduire le phénomène observé ». Dans ce cas, la polarisation linéaire est produite par la comète à partir de la lumière solaire incidente. Confiné à un plan - la direction à partir de laquelle la lumière est diffusée - il varie selon la position à mesure que la comète s'approche ou s'éloigne du Soleil. Comme l'explique Gupta, «Une caractéristique importante de cette courbe de polarisation par rapport à l'angle de diffusion (en référence à la géométrie soleil-terre-comète) est qu'il existe un certain degré de polarisation négative.»
Connue sous le nom de «rétrodiffusion», cette négativité se produit lors de la surveillance d’une seule longueur d’onde - la lumière monochromatique. L'algorithme de Mie modélise tous les processus de diffusion acceptés causés par une forme sphérique, en tenant compte de la réflexion externe, des réflexions internes multiples, de la transmission et des ondes de surface. Cette intensité de lumière diffusée fonctionne en fonction de l'angle, où 0? implique la diffusion vers l'avant, loin de la direction d'origine des lumières, alors que 180? implique une rétrodiffusion - retour attribue la source de la lumière.
Selon Gupta, "La rétrodiffusion est observée dans la plupart des comètes généralement dans les bandes visibles et pour certaines comètes dans les bandes proche infrarouge (NIR)." À l'heure actuelle, les modèles tentant de reproduire cet aspect de polarisation négative à des angles de diffusion élevés ont un succès très limité.
Leur étude a utilisé une DDA modifiée (approximation dipolaire discrète) - où chaque grain de poussière est supposé être un réseau de dipôles. Une large gamme de molécules peut contenir des liaisons entre les extrêmes ionique et covalent. Cette différence entre les électronégativités des atomes dans les molécules est suffisante pour que les électrons ne soient pas partagés également - mais sont suffisamment petits pour que les électrons ne soient pas attirés uniquement vers l'un des atomes pour former des ions positifs et négatifs. Ce type de liaison dans les molécules est appelé polaire. car il a des extrémités positives et négatives - ou pôles - et les molécules ont un moment dipolaire.
Ces dipôles interagissent les uns avec les autres pour produire des effets de diffusion de la lumière comme l'extinction - des sphères plus grandes que la longueur d'onde de la lumière bloqueront la lumière monochromatique et blanche - et la polarisation - la diffusion de l'onde de la lumière entrante. En utilisant un modèle de grains composites avec une matrice de graphite et de sphéroïdes de silicate, une gamme de tailles de grains très spécifique peut être nécessaire pour expliquer les propriétés observées dans les poussières cométaires. «Cependant, notre modèle est également incapable de reproduire la branche négative de polarisation qui est observée dans certaines comètes. Toutes les comètes ne montrent pas ce phénomène dans la bande NIR de 2,2 microns. »
Ces modèles de grains composites développés par Gupta et al; devra être affiné davantage pour expliquer la branche de polarisation négative, ainsi que la quantité de polarisation dans différentes longueurs d'onde. Dans ce cas, il s'agit d'un effet de couleur avec une polarisation plus élevée en rouge qu'en lumière verte. Des simulations plus approfondies en laboratoire des grains composites sont à venir et "L'étude de leurs propriétés de diffusion de la lumière aidera à affiner ces modèles."
Les débuts réussis de l’humanité pour suivre cette piste de poussière cométaire ont commencé avec Halley. Vega 1, Vega 2 et Giotto ont fourni les modèles nécessaires pour améliorer les équipements de recherche. En mai 2000, les Drs. Franz R. Krueger et Jochen Kissel du Max Planck Institute ont publié leurs résultats en tant que «première analyse chimique directe de la poussière interstellaire». Selon le Dr Kissel, «Trois de nos spectromètres de masse à impact de poussière (PIA à bord de GIOTTO et PUMA-1 et -2 à bord de VEGA-1 et -2) ont rencontré la comète Halley. Avec ceux-ci, nous avons pu déterminer la composition élémentaire de la poussière cométaire. L'information moléculaire, cependant, n'était que marginale. » La rencontre rapprochée de Deep Space 1 avec la comète Borrelly a renvoyé les meilleures images et autres données scientifiques reçues à ce jour. Au sein de l'équipe Borelly, le Dr Kissel répond: «La mission la plus récente à Borrelly (et STARDUST) a montré des détails fascinants de la surface de la comète, tels que des pentes abruptes de 200 m de haut et des flèches d'environ 20 m de large et 200 m de haut.»
Malgré les nombreux problèmes de la mission, Deep Space 1 s'est avéré être un succès total. Selon le journal de mission du Dr Mark Rayman du 18 décembre 2001, «La richesse des données scientifiques et techniques renvoyées par cette mission sera analysée et utilisée pour les années à venir. Le test de technologies avancées à haut risque signifie que de nombreuses missions futures importantes qui auraient autrement été inabordables, voire impossibles, sont à notre portée. Et comme tous les lecteurs macroscopiques le savent, la riche récolte scientifique de la comète Borrelly fournit aux scientifiques de nouvelles perspectives fascinantes sur ces membres importants de la famille du système solaire. »
Maintenant, Stardust a poussé nos enquêtes un peu plus loin. En collectant ces particules primitives de la comète Wild 2, les grains de poussière seront stockés en toute sécurité dans l'aérogel pour étude au retour de la sonde. Donald Brownlee, de la NASA, déclare: «La poussière de comète sera également étudiée en temps réel par un spectromètre de masse à temps de vol dérivé de l'instrument PIA transporté par la comète Halley lors de la mission Giotto. Cet instrument fournira des données sur les matériaux de particules organiques qui peuvent ne pas survivre à la capture d'aérogel, et il fournira un ensemble de données inestimable qui peut être utilisé pour évaluer la diversité parmi les comètes en comparaison avec les données de poussière de Halley enregistrées avec la même technique. "
Ces mêmes particules pourraient contenir une réponse, expliquant comment la poussière interstellaire et les comètes peuvent avoir semé la vie sur Terre en fournissant les éléments physiques et chimiques essentiels à son développement. Selon Browlee, "Stardust a capturé des milliers de particules de comètes qui seront retournées sur Terre pour analyse, dans les moindres détails, par des chercheurs du monde entier." Ces échantillons de poussière nous permettront de regarder en arrière il y a environ 4,5 milliards d'années - nous enseignant la nature fondamentale des grains interstellaires et d'autres matériaux solides - les éléments constitutifs de notre propre système solaire. Les deux atomes trouvés sur Terre et dans notre propre corps contiennent les mêmes matériaux que ceux libérés par les comètes.
Et ça ne cesse de s'améliorer. Maintenant en route vers la comète Comète 67 P / Churyumov-Gerasimenko, la Rosetta de l'ESA approfondira le mystère des comètes en tentant un atterrissage réussi à la surface. Selon l'ESA, des équipements tels que «Grain Impact Analyzer and Dust Accumulator (GIADA) mesureront le nombre, la masse, la quantité de mouvement et la distribution de vitesse des grains de poussière provenant du noyau de la comète et d'autres directions (reflétés par la pression du rayonnement solaire) - tout en Le système d'analyse de la poussière par micro-imagerie (MIDAS) étudiera l'environnement de la poussière autour de la comète. Il fournira des informations sur la population, la taille, le volume et la forme des particules. »
Une seule particule cométaire pourrait être un composite de millions de grains de poussière interstellaires individuels, nous permettant de nouvelles informations sur les processus galactiques et nébulaires améliorant notre compréhension des comètes et des étoiles. Tout comme nous avons produit des acides aminés dans des conditions de laboratoire qui simulent ce qui peut se produire dans une comète, la plupart de nos informations ont été obtenues indirectement. En comprenant la polarisation, l'absorption des longueurs d'onde, les propriétés de diffusion et la forme d'une caractéristique silicate, nous acquérons de précieuses connaissances sur les propriétés physiques de ce que nous n'avons pas encore exploré. Le but de Rosetta sera de transporter un atterrisseur jusqu'au noyau d'une comète et de le déployer à la surface. La science de l'atterrisseur se concentrera sur l'étude in situ de la composition et de la structure du noyau - une étude inégalée de matériel cométaire - fournissant aux chercheurs comme le Dr Jochen Kissel des informations précieuses.
Le 4 juillet 2005, la mission Deep Impact arrivera au Comet Temple 1. Enterré sous sa surface pourrait être encore plus de réponses. Dans le but de former un nouveau cratère à la surface de la comète, une masse de 370 kg sera libérée pour avoir un impact sur le côté ensoleillé de Tempel 1. Le résultat sera l'éjection fraîche de particules de glace et de poussière et approfondira notre compréhension des comètes en observant les changements d'activité. Le vaisseau volant surveillera la structure et la composition de l'intérieur du cratère - en transmettant les données à l'expert de la poussière cométaire de la Terre, Kissel. «Deep Impact sera le premier à simuler un événement naturel, l'impact d'un corps solide sur un noyau de comète. L'avantage est que le temps d'impact est bien connu et qu'un vaisseau spatial correctement équipé est autour, lorsque l'impact se produit. Cela fournira certainement des informations sur ce qui se trouve sous les surfaces à partir desquelles nous avons des photos des missions précédentes. De nombreuses théories ont été formulées pour décrire le comportement thermique du noyau de la comète, nécessitant des croûtes épaisses ou minces et / ou d'autres caractéristiques. Je suis sûr que tous ces modèles devront être complétés par de nouveaux après le Deep Impact. "
Après toute une vie de recherche sur les comètes, le Dr Kissel suit toujours la piste de la poussière: «C'est la fascination de la recherche sur les comètes qu'après chaque nouvelle mesure, de nouveaux faits nous montrent à quel point nous nous sommes trompés. Et c'est toujours à un niveau plutôt mondial. » À mesure que nos méthodes s'améliorent, notre compréhension de ces visiteurs du nuage d'Oort augmente également. Dit Kissel, "La situation n'est pas simple et comme de nombreux modèles simples décrivent assez bien les activités cométaires mondiales, alors que les détails doivent encore être travaillés, et les modèles incluant les aspects chimiques ne sont pas encore disponibles." Pour un homme qui est là depuis le tout début, travailler avec Deep Impact continue une carrière distinguée. "C'est excitant d'en faire partie", explique le Dr Kissel, "et j'ai hâte de voir ce qui se passera après le Deep Impact et je suis reconnaissant d'en faire partie."
Pour la toute première fois, les études passeront bien sous la surface d'une comète, révélant ses matériaux vierges - intacts depuis sa formation. Qu'est-ce qui se trouvait sous la surface? Espérons que la spectroscopie montre le carbone, l'hydrogène, l'azote et l'oxygène. Ceux-ci sont connus pour produire des molécules organiques, à commencer par les hydrocarbures basiques, comme le méthane. Ces processus auront-ils gagné en complexité pour créer des polymères? Trouverons-nous la base des glucides, des saccharides, des lipides, des glycérides, des protéines et des enzymes? Suivre une traînée de poussière pourrait très bien conduire à la fondation de l'ADN le plus spectaculaire de toutes les matières organiques - l'acide désoxyribonucléique.
Écrit par Tammy Plotner
