Навесні 2023 року комету C/2022 E3 (ZTF) можна було розгледіти неозброєним оком — рідкісна подія для комет з далекої хмари Оорта. Тепер її детально дослідили за допомогою космічного телескопа Джеймс Вебб, отримавши одну з найповніших спектральних карт хімічного складу комети за всю історію спостережень.

Що і як спостерігали

Спостереження проводилися 28 лютого та 1 березня 2023 року, коли комета перебувала на відстані 1,33 астрономічної одиниці від Сонця — тобто вже пройшла перигелій і рухалася від Сонця. Хмара Оорта — це гіпотетична сферична область на самій межі Сонячної системи, звідки, як вважається, прилітають довгоперіодичні комети на кшталт ZTF. Такі об'єкти зберігають у собі речовину, майже незмінену з часів формування Сонячної системи, тож їхній склад цінний для розуміння того, з чого будувалися планети.

Джеймс Вебб зафіксував випромінювання цілого набору молекул: води (H2O), ціановодню (HCN), метанолу (CH3OH), етану (C2H6), метану (CH4), чадного газу (CO), вуглекислого газу (CO2 і його важкого ізотопу 13CO2), а також карбонілсульфіду (OCS) — сполуки сірки. Окремо зареєстрували серію переходів гідроксилу (OH) у ближньому та середньому інфрачервоному діапазоні — це так зване прояскраве випромінювання, яке виникає, коли молекули води розпадаються під дією сонячного світла.

Карти газу замість одного спектра

Головна методична цінність роботи — не просто перелік знайдених молекул, а просторово-спектральні карти. Для більшості речовин (окрім етану, ціановодню та гідроксилу, для яких сигнал був заслабким для детального картографування) вчені побудували розподіл колонкової щільності (кількості молекул на промінь зору) та ротаційної температури залежно від відстані до ядра комети. Одночасно виміряли й розподіл континууму — фонового випромінювання пилу.

Виявилося, що розподіл усіх картографованих молекул і пилу нерівномірний, анізотропний — газ витікає з ядра переважно у певних напрямках, а не рівномірно у всі боки. Водночас вода демонструє окремий, відмінний від інших молекул характер розподілу. Це може вказувати на те, що вода вивільняється з ядра іншим механізмом або з інших ділянок поверхні, ніж решта летких сполук.

Ізотопи, орто-пара відношення і склад пилу

Дослідники також перевірили дві величини, які традиційно використовують для порівняння комет між собою і з умовами формування Сонячної системи. Орто-пара відношення (OPR) води — співвідношення двох спінових станів молекули — виявилося близьким до 3, що відповідає значенню статистичної рівноваги, а не якомусь особливому «відбитку» умов, за яких формувалася комета. Співвідношення ізотопів вуглецю у вуглекислому газі (12CO2 до 13CO2) склало близько 89, що практично збігається із земним значенням.

Окремо змоделювали склад субмікронних (менших за мікрометр) пилинок у комі комети. Основну масу — 56% — становить аморфний вуглець. Далі йде аморфний піроксен із магнієм і залізом (28%), кристалічний олівін (10%) і аморфний олівін з магнієм та залізом (5%). Загальна частка кристалічного матеріалу у пилу склала 0,2385±0,0008 — тобто менше чверті пилу має впорядковану кристалічну структуру, решта — аморфна, безструктурна речовина.

Чому це важливо

Отримані дані дозволяють порівняти C/2022 E3 (ZTF) з іншими кометами, вивченими раніше, включно з тими, що вже спостерігав Джеймс Вебб. Чим більше таких детальних «хімічних портретів» комет накопичується, тим точніше можна визначити, наскільки різними чи схожими є будівельні блоки, з яких свого часу формувалися тіла Сонячної системи. Поки що дослідження зосереджене на конкретній кометі, але метод спектрально-просторового картографування, застосований тут, відкриває можливість систематичніше порівнювати леткі речовини та пил у різних кометних тілах у майбутньому.