Ein Komet, der alle 50.000 Jahre einmal erscheint, erscheint wieder. Warum sieht dieser Komet grün aus?

Produziert von: Science Popularization China

Autor: Yang Yi (Institut für Geochemie, Chinesische Akademie der Wissenschaften)

Hersteller: China Science Expo

Am 2. März 2022 nutzten die Astronomen Frank Masci und Bryce Bolin die Zwicky Transient Facility (ZTF) am Palomar-Observatorium in Südkalifornien, um ein Objekt zu entdecken, das sie zunächst für einen Asteroiden hielten. Nachfolgende Beobachtungen zeigten, dass es sich um einen Kometen mit einem Kerndurchmesser von 1 bis 1,6 Kilometern handelte. Zu diesem Zeitpunkt befand sich der Komet etwa 643 Millionen Kilometer von der Sonne entfernt, nahe der Umlaufbahn des Jupiters.

Den damals entdeckten Kometen nannten wir C/2022 E3. Es handelt sich um den hellsten Kometen, der derzeit für 2023 vorhergesagt wird. Der 1. und 2. Februar ist der beste Zeitraum für die Beobachtung auf der Nordhalbkugel. Auf der Südhalbkugel wird er nach dem 3. Februar allmählich sichtbar und ist aufgrund des Einflusses des Vollmonds nur vom 9. bis 15. Februar für Beobachtungen auf der Südhalbkugel geeignet. Tatsächlich durchlief dieser Komet bereits vor 50.000 Jahren eine Umlaufbahn, die für die Beobachtung von der Erde aus günstig war. Diese Begegnung schien wie ein romantisches Wiedersehen.

Dieser Komet ist leicht zu finden, aber nicht hell genug

Wir haben erwähnt, dass dies die bislang hellste Kometenprognose für 2023 ist. Bereits am 3. November 2022 wurde eine Helligkeit von C/2022 E3 von 10,2 beobachtet, also fast eine Größenordnung höher als die damals vorhergesagte Helligkeit.

Am 12. Januar 2023 passiert der Komet das Perihel mit einer Periheldistanz von 1,11 Astronomischen Einheiten (die Astronomische Einheit wird mit AE abgekürzt und ist definiert nach der durchschnittlichen Entfernung von der Erde zur Sonne, die 14.959.787.0700 Meter beträgt). am 2. Februar wird er das Perigäum passieren, wobei die Perigäumsdistanz nur noch 0,28 Astronomische Einheiten (etwa 41,89 Millionen Kilometer) beträgt. Nachdem ein Komet das Perihel passiert hat, nimmt seine Helligkeit aufgrund seiner Nähe zur Erde schnell zu.

Je näher der Komet der Erde kommt und je heller er wird, desto leichter lässt er sich beobachten. Die prognostizierte Helligkeit für Anfang Januar liegt bei 8. Größenordnung und bis zum Ende des Monats wird die Helligkeit auf fast 5. Größenordnung ansteigen, was diesen Zeitpunkt für Beobachtungen und Fotografien günstig macht.

Im Januar bewegte sich der Komet von der Nordhalbkugel über Bootes, Draco, Ursa Minor bis hin zum Giraffenstern und bewegte sich dabei sehr schnell. Bis Ende Januar hatte sich der Komet dem nördlichen Himmelspol genähert und seine Helligkeit dürfte zwischen dem 28. Januar und dem 4. Februar Pekinger Zeit bei etwa der Stärke 5 liegen. Am 30. Januar war er nur 10 Grad vom nördlichen Himmelspol entfernt und der Komet befand sich direkt über dem Polarstern, sodass er leicht zu finden war. Der Komet erreichte das Perigäum am 2. Februar Pekinger Zeit und der 1./2. Februar war der geeignetste Zeitraum für die Beobachtung auf der Nordhalbkugel. Nach dem 3. Februar würde er auf der Südhalbkugel allmählich sichtbar werden und aufgrund des Einflusses des Vollmonds wäre er auf der Südhalbkugel nur vom 9. bis 15. Februar zur Beobachtung geeignet. Am 11. Februar würde der Komet mit einer scheinbaren Helligkeit von 6,5 in der Nähe des Mars vorbeiziehen, der eine scheinbare Helligkeit von 0 hat.

Abbildung 1: Die Bahn des Kometen zwischen dem 28. Januar und dem 4. Februar, Pekinger Zeit, berechnet mit der Software Stellarium.

(Bildquelle: vom Autor selbst erstellt)

Aus der vorherigen Beschreibung geht hervor, dass die Beobachtung eines Kometen umso einfacher ist, je heller er ist. Da dieser Komet der hellste für 2023 prognostizierte ist, muss er doch leicht zu beobachten sein, oder?

Tatsächlich ist dies nicht der Fall. Oben wurde die scheinbare Helligkeit von Kometen und den sie umgebenden Himmelskörpern erwähnt. Die scheinbare Helligkeit ist ein Maßstab zur Beobachtung der Helligkeit von Himmelskörpern. Bei jeder Erhöhung um 5 verringert sich die Helligkeit auf 1 % der Helligkeit, die dem ursprünglichen Wert entspricht. Die auf der Erde beobachtete Helligkeit von Wega wird als Magnitude 0 definiert.

Mit anderen Worten: Je größer der scheinbare Helligkeitswert, desto schwächer erscheint der beobachtete Himmelskörper. Das Konzept der Sterngröße wurde erstmals vom antiken griechischen Astronomen Hipparchos vorgeschlagen. Zu dieser Zeit hatte der schwächste vom menschlichen Auge wahrnehmbare Himmelskörper eine Helligkeit von etwa der 6. Größenklasse. Bei Beobachtung mit einem gewöhnlichen Fernglas können Sterne der 9. bis 10. Größenklasse beobachtet werden.

Abbildung 2: Der Komet wurde am 30. Januar, Pekinger Zeit, mit einem Mobiltelefon fotografiert. Nach etwa 30 Sekunden Belichtung war es kaum noch sichtbar.

(Bildquelle: vom Autor selbst erstellt)

Die Praxis hat gezeigt, dass der Komet selbst mit Hilfsmitteln wie Teleskopen und Langzeitbelichtungskameras nur in Gebieten mit klarem Nachthimmel, geringer Lichtverschmutzung und ohne Dunst gut beobachtet werden kann. Um hervorragende Aufnahmeeffekte für schwach beleuchtete Himmelskörper zu erzielen, ist neben Hilfsmitteln wie Teleskopen und Langzeitbelichtungskameras auch eine parallaktische Montierung erforderlich, um das Ziel zu verfolgen und den Einfluss der Erdrotation zu überwinden.

Abbildung 3: Der 1965 zurückgekehrte Komet Iketani-Seki (Größenordnung -10) ist auch tagsüber gut sichtbar.

(Bildquelle: Nationales Astronomisches Observatorium von Japan)

Verglichen mit einigen hellen Kometen des letzten Jahrhunderts, wie etwa dem Kometen Hale-Bopp (Magnitude -1,8), der 1997 zurückkehrte, dem Kometen Hyakutake (Magnitude -0,3), der 1996 zurückkehrte, dem Kometen Iketani-Seki (Magnitude -10, tagsüber deutlich sichtbar), der 1965 zurückkehrte, und dem Kometen Halley (Magnitude -3,3, tagsüber deutlich sichtbar), der am 20. April 1910 zurückkehrte, ist der Komet C/2022 E3, der seine hellste Helligkeit Ende Januar bis Anfang Februar 2023 erreichte und an seiner hellsten Stelle nur etwa die Magnitude 5 hatte, viel schwächer.

Ein Zeichen der Katastrophe? Atmosphärische Verbrennung? Alte Missverständnisse über Kometen

mein Land blickt auf eine lange Geschichte der Kometenbeobachtung zurück und verfügt auch über die weltweit ältesten Aufzeichnungen periodischer Kometenbeobachtungen.

Im alten China wurden Kometen „Boxstern“ und „Fliegender Stern“ genannt. Im „Buch der Jin-Astronomie“ in den „Frühlings- und Herbstannalen“ (613 v. Chr.) steht „Die sogenannten Kehrsterne. Das sind im Grunde Sterne und schließlich Kometen. Die kleinen sind mehrere Zentimeter lang oder erstrecken sich über den Himmel. Wenn man sie sieht, kommt es zu Kriegen und Überschwemmungen. Sie sind dafür verantwortlich, Dinge wegzuschwemmen, Altes loszuwerden und Neues herbeizuführen. Sie haben fünf Farben, die jeweils vom Wesen der fünf Elemente abhängen. Dem Historiker zufolge haben Kometen kein Licht, sondern werden von der Sonne beleuchtet. Deshalb zeigen sie nach Osten, wenn man sie abends sieht, und nach Westen, wenn man sie morgens sieht. Sie zeigen nach Norden und Süden der Sonne, und ihre Strahlen sind abgeschwächt und können lang oder kurz sein.“ Dies beschreibt die Form von Kometen genau.

Allerdings glaubten die Menschen der Antike oft, dass das Erscheinen eines Kometen Unglück bringen würde. Selbst als der Halleysche Komet im Jahr 1910 zurückkehrte, gab es immer noch das Gerücht, dass „ein Komet im Südosten erscheint und die Qing-Dynastie zweieinhalb Jahre dauern wird“. Es war das Ende der Qing-Dynastie und viele Menschen glaubten immer noch, dass Kometen Katastrophen bringen. Dies ist eine abergläubische Vorstellung und völlig unbegründet. Das antike Europa war von den Ansichten von Gelehrten wie Aristoteles beeinflusst und glaubte naiverweise, dass Kometen durch Verbrennung in der Hochatmosphäre entstehen. Aufgrund der groben Beobachtungsmethoden war auch dieses Verständnis begrenzt.

Zusammensetzung und Struktur von Kometen

Ein Komet besteht aus drei Hauptteilen: dem Kern, der Koma und dem Schweif.

(Fotoquelle: Veer Gallery)

1. Obwohl der Kometenkern klein ist, konzentriert er die Essenz des Kometenmaterials.

Das Volumen eines Kometenkerns ist im Allgemeinen kleiner als das der Planeten und Zwergplaneten im Sonnensystem, wobei der Durchmesser im Allgemeinen zwischen Hunderten von Metern und Dutzenden von Kilometern liegt. Der größte bekannte Kometenkern hat einen Durchmesser von nicht mehr als 160 Kilometern. Der Kern eines Kometen macht im Allgemeinen mehr als 99 % der Gesamtmasse eines Kometen aus.

Kometenkerne könnten eine der Quellen von „Meteoriteneis“ sein. Das von Whipple (1950) vorgeschlagene schmutzige Schneeballmodell des Kometenkerns spiegelt anschaulich wider, dass die Hauptbestandteile von Kometen aus porösem, festem Wassereis, Kohlendioxid, Kohlenmonoxid, Ammoniak, Methan, einer Mischung aus Blausäure und einer kleinen Menge staubartiger, fester Silikat- und Sulfidmineralien im Mikron- bis Millimeterbereich bestehen. Es ist ersichtlich, dass das aus dem Kometenkern gewonnene Meteoriteneis höchstwahrscheinlich hochgiftig ist und nicht als „Allheilmittel“ angesehen werden kann, wie einige alte abergläubische Vorstellungen behaupten.

Die Farbe des Kometenkerns ist nicht einheitlich, sondern vielfältig. Einige Kometen erscheinen aufgrund der Anreicherung von Wassereis auf ihrer Oberfläche grauweiß. einige Kometen erscheinen schwarz, weil ihre Oberfläche mit Kohlenstoff und Kohlenwasserstoffen angereichert ist; Einige langperiodische oder nichtperiodische Kometen können auch erdiges festes Methan, Ethan oder Methanhydrate enthalten, die im Sonnenlicht rot erscheinen.

Diese rote erdige Substanz hat einen eigenen Namen: Sie heißt Tholin. Kuiper (1951) glaubte, dass die Bestandteile von Tholinit nur unter den kalten Bedingungen des äußeren Sonnensystems gesammelt und gebildet werden könnten. Außer auf Kometen kann man es auch auf einigen Eissatelliten, Zentauren, Zwergplaneten, die mehr als 30 Astronomische Einheiten von der Sonne entfernt sind, und anderen Himmelskörpern sehen. Beispielsweise gibt es auf Pluto, Triton und Titan Landformen aus rotem Tholin-Boden.

Später wurden im Gebiet jenseits der Neptunbahn Tausende von Himmelskörpern entdeckt, deren Hauptbestandteile Wassereis, festes Methan, Ammoniakeis, Stickstoffeis und festes Cyanid sind. Dieses mit Eiskörpern angereicherte Gebiet wird Kuipergürtel genannt. Durch die Analyse der Ähnlichkeiten in der Zusammensetzung und der geometrischen Beziehungen ihrer Umlaufbahnen haben Wissenschaftler außerdem bestätigt, dass die Heimat der meisten Kometen der Kuipergürtel und die Oortsche Wolke sind.

2. Die Koma verleiht dem Kometen Farbe.

Auf den zahlreichen Fotos von Astronomie-Enthusiasten erscheint der Komet C/2022 E3 hellgrün. Allerdings ist sein Kern selbst nicht grün und er kann auch kein ausreichend starkes grünes Licht aus der Luft aussenden.

Woher kommt das grüne Licht? Der grüne Hof außerhalb des vorderen Endes des Kerns dieses „grünen Kometen“ ist die Koma. Ähnlich verhielt es sich am 1. April 2017, als der Komet 41P am Perigäum vorbeiflog und ihm nur 0,142 AE nahe kam. Bei der Rückkehr dieses Kometen konnte auch eine grüne Koma beobachtet werden.

Das grüne Licht der Koma stammt aus dem Emissionsspektrum im sichtbaren Lichtband, nachdem die C2-Moleküle unter ultraviolettem Licht ionisiert wurden. Der Grund dafür liegt darin, dass Sonnenlicht, Wärmestrahlung und Sonnenwind dazu führen, dass ein Teil der gemischten Materie auf dem festen Kometenkern sublimiert oder verdampft und sich dann chemisch zersetzt, wobei C2-Moleküle entstehen. Die C2-Moleküle werden weiter ionisiert und unter der Bestrahlung mit ultraviolettem Licht zur Emission einer blaugrünen Fluoreszenz angeregt, wodurch sich um das vordere Ende der Bewegungsrichtung des Kometenkerns eine kugelförmige, schalenförmige grüne Koma bildet. Allerdings beschränkt sich dieser Prozess hauptsächlich auf das vordere Ende des Kometenkerns und verschwindet, bevor er den Kometenschweif erreicht.

Darüber hinaus muss hinzugefügt werden, dass der Durchmesser der Koma in der Größenordnung von 100.000 Kilometern liegt, wenn der Kometenkern etwa eine Astronomische Einheit von der Sonne entfernt ist. Zu diesem Zeitpunkt bricht das Gas, das die Koma bildet, schnell auf der Oberfläche des Kometenkerns aus, und die Durchschnittsgeschwindigkeit relativ zum Kometenkern beträgt etwa 0,5 Kilometer pro Sekunde. Wenn sich der Kometenkern von der Sonne entfernt, nimmt der Durchmesser der Koma tendenziell ab und umgekehrt.

3. Kometenschweif, der sehr groß ist und eine sehr geringe Konzentration aufweist.

Der Schweif eines Kometen ist eine dünne Wolke aus Gas, Staub und Plasma, die oft am hinteren Ende des Kometenkerns in Bewegungsrichtung zu sehen ist, wenn Sonnenlicht, Wärme und Sonnenwindpartikel auf den Kern und die Koma des Kometen einwirken. Normalerweise tritt es nur in der Nähe des Perihels auf. Ähnlich wie bei der Koma nimmt auch die Größe des Kometenschweifes mit zunehmender Entfernung zwischen Kern und Sonne zu.

Obwohl der Kometenschweif aus spärlicher Materie besteht, ist er Tausende bis Zehntausende Kilometer breit und bis zu Hunderte Millionen Kilometer lang, einschließlich Plasma-Kometenschweifen und Staub-Kometenschweifen. Der Plasmaschweif des Kometen ist in Strahlen parallel zur Richtung vom Sonnenlicht weg verteilt und erscheint im Allgemeinen blau. Der Staubschweif des Kometen ist überwiegend gelb oder orangerot, zeigt im Allgemeinen von der Bewegungsrichtung des Kometenkerns weg und besteht aus Staub mit einem Durchmesser von einigen Mikrometern bis einigen Millimetern. Seine mineralische Zusammensetzung ähnelt dem ursprünglichen Material des Sonnensystems, das weder metamorphosiert noch differenziert wurde – den Chondriten.

Abbildung 6 Schematische Darstellung des Kometenschweifes des Kometen Hale-Bopp

(Bildquelle: https://www.wikiwand.com/en/Comet Sättigung und Kontrast wurden angepasst)

Einige Kometen (wie der bereits erwähnte „Hale-Bopp-Komet“) haben „Natrium-Kometenschweife“, die neutrale Natriumatome enthalten, die im Allgemeinen mit bloßem Auge nicht sichtbar sind und nur mit spektroskopischen Instrumenten oder Detektoren identifiziert werden können. Der Entstehungsmechanismus ist noch immer umstritten. Einige Wissenschaftler glauben, dass es sich um eine photochemische Zersetzung handelt, während andere davon ausgehen, dass die durch die Reibung und Kollision des Kometenstaubs verursachte plötzliche hohe Temperatur zur Verdampfung des Natriumsalzes führt.

Der „Weltuntergangs“-Tumult, der durch den Kometenschweif verursacht wurde

Als der Halleysche Komet im Jahr 1910 kurz vor seiner Rückkehr stand, führten der französische Wissenschaftler Flammarion und Forscher des Yerkes-Observatoriums in den USA sowie andere Forscher spektrale Beobachtungen seines Schweifes durch und kamen zu dem Schluss, dass dieser hochgiftige Gase wie Zyanid, Blausäure und Kohlenmonoxid enthielt.

Diese Schlussfolgerung sorgte damals für Aufsehen und nicht wenige glaubten, dass die Rückkehr des Kometen eine große Menge hochgiftiger Gase in die Erdatmosphäre bringen würde. Eine Zeit lang waren Gasmasken und Entgiftungstabletten begehrte Güter. Einige abergläubische Gruppen nutzten die Gelegenheit sogar, um die „Kometen-Weltuntergangstheorie“ in die Welt zu setzen oder „Entgiftungshexerei“ und „Entgiftungsamulette“ zu bewerben, um ein Vermögen zu machen.

Bei der erwartungsgemäßen Ankunft des Halleyschen Kometen blieb die zuvor vorhergesagte „Giftkatastrophe“ jedoch aus – und zwar deshalb, weil das Material im Schweif des Kometen extrem dünn ist, anders als der oben erwähnte Kometenkern, der mehr als 99 % der Gesamtmasse des Kometen ausmachen kann. Das Cyanid im Kometenkern ist „die Essenz, wenn es konzentriert ist“. Spektroskopische Beobachtungen sind sehr empfindlich und selbst wenn der Schweif des Kometen hochgiftige Gase enthält, deren Konzentrationen keine großflächige Vergiftung des Lebens auf der Erde verursachen würden, kann er dennoch beobachtet werden.

Tatsächlich enthalten einige Kometen zwar einen beträchtlichen Anteil hochgiftiger Substanzen, ihre Kerne haben jedoch im Allgemeinen einen Durchmesser von mehreren Kilometern, und die Summe der Gas- und Staubstoffe, aus denen der gesamte Kometenschweif besteht, beträgt etwa zig Millionen Mol, wobei der Molprozentsatz giftiger flüchtiger Stoffe bis zu etwa 15 % beträgt (hauptsächlich Blausäure, Cyanidgas und Kohlenmonoxid). Aufgrund des Hochvakuums im Weltraum verflüchtigen sich die Gase jedoch schnell, sodass die durchschnittliche Maximalkonzentration giftiger Gase im gesamten Kometenschweif nur etwa 2×10-11 mol/m3 beträgt.

Die niedrigste für den Menschen giftige Blausäurekonzentration beträgt etwa 10-7 mol/m3 und ist damit fast fünftausendmal so hoch wie die Konzentration giftiger Gase in Kometenschweifen. Das heißt, die Konzentration giftiger Gase in Kometenschweifen beträgt nur ein Fünftausendstel der für den Menschen schädlichen Konzentration oder ist sogar noch niedriger. Wenn man also von der Erde aus einen Kometen beobachtet, muss man sich keine Sorgen über eine Vergiftung machen, solange der Komet nicht mit der Erde kollidiert (wenn der Komet jedoch tatsächlich auf die Erde trifft, besteht die Sorge wegen einer Vergiftung möglicherweise nicht).

Abschluss

Mit dem Fortschritt der menschlichen Wissenschaft wurden viele Gerüchte über Kometen entlarvt und wir decken nach und nach die Wahrheit über die Natur auf. Durch die Wiederbetrachtung dieses Kometen, der bereits vor 50.000 Jahren auf die Erde traf, haben wir nun die Voraussetzungen, den romantischen Sternenhimmel mit modernen wissenschaftlichen Methoden zu verstehen.

Herausgeber: Guo Yaxin

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