|
Ta strona korzysta z plików cookies, zgodnie z Polityką Cookies. Korzystając ze strony wyrażasz zgodę na działanie plików cookies, w zakresie zgodnym z bieżącymi ustawieniami Twojej przeglądarki internetowej. Kliknij przycisk "Polityka cookies" aby zapoznać się z jej treścią lub przycisk "Zamknij" aby ta informacja nie pojawiała się więcej.
|
|
Na dachu siedziby Fundacji Copernicus w Narusie znajdziemy kamery, które celują w niebo. To bardzo ważna część naszego obserwatorium. Zakupione przez Fundację Copernicus na potrzeby projektu „Odkrywcy 2025” cały czas dostarczają cennych informacji o szczególnych obiektach astronomicznych - tych najmniejszych możliwych do obserwacji. Rejestrują szybkie przeloty kosmicznych drobin przez naszą atmosferę, które nagrzewając się do wysokich temperatur, topią się i zostawiają świetlisty ślad w postaci meteoru. Gdy tylko pozwoli im na to masa, nie wyparują całkowicie, dotrą do powierzchni ziemi, stając się meteorytem.
W obudowie jednej z kamer znajdziemy rozwiązanie do badania meteorów, które w polskiej nauce zastosowano po raz pierwszy właśnie w obserwatorium Fundacji Copernicus Chodzi o sposób analizy światła, który nazywamy badaniami spektroskopowymi. Za pomocą spektrografu rejestrujemy światło meteoru i jednocześnie rozszczepiamy je na składowe kolory, aby rozpoznać pierwiastki, z których meteor jest zbudowany. Poniżej opisujemy krok po kroku, jak rozpoznać skład chemiczny na podstawie światła z konkretnym przykładem naszej obserwacji.
Przyroda znalazła genialny sposób na przenoszenie energii na odległość. Fala!
Wyobraźmy sobie, że stoimy nad wyjątkowo spokojnym Zalewem Wiślanym, a po drugiej stronie jest łódź.
W jaki sposób sprawić, żeby łódź podskoczyła nie ruszając się z miejsca? Jak nadać jej energię, gdy jesteśmy naprawdę daleko? Przydałby się wielki kamień, np. meteoryt. Wrzucamy go do wody, powstaje wielka fala, która roznosi się po całym Zalewie i dociera do łódki. Łódka podskoczy wiele razy, więc odebrała energię kamienia. To, ile energii się przeniosło widzimy w częstości podskoków. Fale możemy nawet modulować, przenosząc w ten sposób różne energie. Tak samo dzieje się ze światłem, które też jest falą. Tylko nasze oczy odróżniają fale światła niosące różne energie nie w postaci pędzących grzbietów, ale jako różne kolory. Każdy kolor odpowiada innej energii fali światła (ryc.1).
Skąd wziąć latające kamienie dla fal światła. Atomy!
Teraz z Zalewu trafiamy w mikroświat, ale ciągle widzimy analogię (ryc. 2). Odległości między grzbietami fali światła są bardzo małe, więc potrzebujemy równie małych kamieni. Atomy są w ciągłym ruchu, ale nie muszą wpadać w wodę, żeby rozniosła się fala. Światło to fala z pól elektrycznych i magnetycznych, gdzie na zmianę jeden rodzaj pola generuje drugi. To działa i mamy na to mnóstwo przykładów w codziennym życiu. Dynamo w pędzącym rowerze działa, bo magnesy w ruchu wytwarzają prąd. A odwrotnie dzieje się w silniku, gdzie prąd wprawia w ruch magnesy, a za nimi na koła. To nie perpetuum mobile, to idealna wymiana energii.
Gdy jest za gęsto.
Atomy są w ruchu i dodatkowo składają się z naładowanych elektronów, które same poruszają się wokół jąder atomowych, jak mini prądy generując kolejne fale światła w bardzo specyficzny sposób. Gdy wśród latających atomów panuje wielki ścisk, to trudno rozpoznać pojedyncze fale. Dociera do nas mieszanina fal światła o bardzo różnych energiach, która też wygląda bardzo specyficznie (ryc. 3). Spróbujmy podzielić tą mieszankę na grupy, tak aby fale o podobnych energiach, czyli o podobnych kolorach wpadły do jednej grupy. Mamy więc grupę fioletową, niebieską, zieloną itd. Grupy nie są tak samo liczne. Spójrzcie na przykład obok. Wykres pokazuje, że najwięcej fal jest w grupie niebieskiej i zielonej. To w jakim kolorze akurat wypada najwięcej światła zależy tylko od temperatury, bo temperatura to nic innego jak średnia energia ruchu atomów. W opisie gęstej zupy atomowej najlepiej działa uśrednianie. To co ostatecznie widzimy i czujemy to nie wykres, a jeden kolor i jedna temperatura. Ostateczny kolor powstaje zgodnie ze ścisłym przepisem na mieszanie kolorów. Przykład z wykresu mówi, żeby wziąć najwięcej niebieskiego i zielonego, trochę mniej żółtego, a najmniej czerwonego i potem wszystko wymieszać, a dostaniemy jasnoniebieski. Tylko dlaczego wykres przypomina kapelusz i czy przepis też jest wzięty z kapelusza? (ryc. 3)
Gdy jest za rzadko.
Przenosimy się jeszcze głębiej, ale cały czas bez wody. Fala światła niesie się sama, choć z bardzo ważnymi ograniczeniami, które odkryjemy dopiero na poziomie pojedynczego atomu. Ponieważ jest to bardzo nieintuicyjne miejsce, posłużymy się klasyczną analogią, czyli „planetarnym” modelem budowy atomu z orbitami elektronów wokół jądra atomowego (ryc. 4). Wykres – kapelusz wziął się stąd, że natura nie pozwala, aby orbit było dowolnie dużo i dla konkretnego pierwiastka, muszą być one zawsze tak samo ustawione względem siebie i jądra. Stąd elektrony mają bardzo ograniczoną możliwość ruchu wewnątrz atomu. Jak chcą się oddalić od jądra, to mogą przeskakiwać tylko między stałymi orbitami, za każdym razem robiąc ten sam krok. Co za tym idzie, z całego morza (albo zalewu) możliwości, są dostępne tylko wybrane wartości energii, które może wyemitować, abo pochłonąć atom za pomocą fali światła. Przykład obok to bardzo uproszczony model atomu i łatwo wyliczyć, że są tylko trzy różne możliwości, więc i trzy wartości energii. Elektron może przeskoczyć tylko pomiędzy 1 i 2, 1 i 3 oraz 2 i 3 orbitą. Odpowiadają im trzy różne fale wyemitowanego światła i trzy kolory, po jednym na każdą falę.
Jeżeli odległości między atomami są spore, to fala ucieknie bez przeszkód. Nie zostanie rozproszona na jakimś innym atomie, czyli nie trafi do „zupy”. Dlatego w rozrzedzonym gazie świecenie wygląda inaczej i wykres też. Zamiast kapelusza kolorów dostajemy wąskie linie, wypadające zawsze w te same kolory, bo niosące zawsze te same energie. Na przykładzie (ryc. 5) są trzy linie – niebieska, zielona i czerwona dla modelu atomu z przykładu powyżej. Trzy linie, bo w nim są możliwe tylko trzy rodzaje przejść między dwoma orbitami. Każdy pierwiastek ma inną budowę, inne orbity, więc jego świecenie wygeneruje inny zestaw linii, w innych miejscach. Te wąskie linie są dla pierwiastków jak odciski palców u człowieka. Trzeba je tylko pobrać z nieba, aby porównać z tymi dobrze znanymi z laboratorium i rozpoznamy w docierającym świetle konkretne pierwiastki.
Jak pobrać odciski palców z nieba.
Natura sama dostarcza rozwiązań i podpowiedzi. Gdzieś pomiędzy niebem, a ziemią wskutek rozszczepienia światła Słońca powstaje tęcza - wypisz, albo lepiej wymaluj, jak na naszych przykładach wyżej. Rozszczepienie zachodzi na kroplach deszczu. Z wody już dawno zrezygnowaliśmy i tutaj też nie potrzeba, skoro mamy bardziej trwały i precyzyjniejszy zamiennik w postaci trójkątnej szklanej figury. Pryzmat wygląda niepozornie, a to potężne narzędzie w rękach fizyków i astronomów (ryc. 6). A to nie jedyny element rozszczepiający, bo każdy chyba stworzył, nawet przypadkowo, tęczę przy pomocy zapisanej płyty CCD odłożonej w nasłonecznionym miejscu. Bardziej precyzyjna płytka z wieloma gęsto upakowanymi rowkami to siatka dyfrakcyjna i z niej korzysta się obecnie najczęściej w profesjonalnych celach. Przy słabszych obiektach niż Słońce, kluczowa jest możliwość cyfrowej rejestracji, obróbki i dopiero analizy zapisanego obrazu rozszczepionego światła. Pryzmat lub siatkę łączymy z kamerą i tak powstaje spektrograf (ryc. 7).
W przypadku meteorów nie mniej ważne od sprzętu obserwacyjnego jest oprogramowanie do automatycznej detekcji tych ulotnych i niemożliwych do przewidzenia zjawisk. Z natury przypadkowo rozłożone na niebie i krótkotrwałe przeloty wymuszają użycie kamery o jak największej rozdzielczości i szerokim polu widzenia, aby wartościowe były również rejestracje odległych zjawisk, czyli tych z naszej perspektywy, lecących bliżej horyzontu. Wtedy statystycznie rosną szansę na częstszą analizę najjaśniejszych meteorów, czyli bolidów. One niosą największy ładunek informacji, bo rozszczepione światło słabych meteorów ginie w szumie tła. Jednocześnie najjaśniejsze bolidy częściej kończą się spadkiem meteorytu. Znalezienie meteorytu na podstawie analizy przelotu, jest głównym zadaniem sieci obserwatoriów Skytinel. Wstępna analiza składu chemicznego z pomocą danych ze spektrografu (ryc. 8) pozwala m.in. na ocenę masy obiektu w fazie lotu, co jest ważnym parametrem, który trzeba założyć przy wyznaczeniu trajektorii. Klasyfikując z grubsza potencjalny meteoryt jako kamienny, żelazny lub żelazno – kamienny, zawężamy obszar poszukiwań.
Pierwsze obserwacje, które posłużyły do kompleksowej analizą składu chemicznego meteoru (ryc. 12) oraz atmosfery dotyczą spadku z 3 stycznia 2026 roku. O godz. 23:08 nisko na południowo – wschodnim niebie pojawił się jasny bolid z roju Kwadrantydów. Na ujęciach z naszej kamery znajdziemy go jako jasną plamkę w lewym, dolnym rogu (rysunek poniżej). Był na tyle jasny, aby bliżej środka pola widzenia pozostawić część światła w postaci rozszczepionej na poszczególne składowe. W przypadku naszej, monochromatycznej kamery są to białe krótkie ślady na tle tęczy, która została dodana już na etapie analizy.
Te ślady odpowiadają liniom kilku pierwiastków, dla których znamy dokładne położenia wśród pozostałych i dzięki temu udało się je zidentyfikować. Są to przede wszystkim linie magnezu Mg I, sodu Na I, oraz atmosferyczne linii tlenu O i azotu N. Analiza składu chemicznego potwierdza, że niezależne obliczenia orbity na podstawie trasy przelotu są poprawne i obiekt, który wpadł w atmosferę nad Polską był pierwotną skałą z początków Układu Słonecznego. Nie zbliżała się do Słońca na tyle, aby wskutek wysokiej temperatury jej wnętrze uległo przeobrażeniom. Nie możemy potwierdzić, że był to meteor żelazny, ponieważ brak wyraźnych linii żelaza.
Dzięki temu, że ten sam przelot meteoroidu został zarejestrowany przez różne stacje sieci Skytinel, udało się dokładnie wyznaczyć jego orbitę i trajektorię w atmosferze. Obserwacje z kilku miejsc pozwalają zastosować triangulację – czyli metodę, w której patrząc na obiekt z różnych punktów, można precyzyjnie określić jego położenie, prędkość i kierunek lotu, a następnie odtworzyć orbitę ciała (ryc. 9 i 10).
Bolid z 3 stycznia 2025 roku był widoczny między innymi z:
Dzięki temu bogatemu materiałowi wyznaczone parametry były wyjątkowo precyzyjne (ryc. 11).
Analiza nagrań wykazała, że meteoroid wszedł w atmosferę Ziemi z prędkością 43,5 km/s i pod kątem 22° względem powierzchni Ziemi. Po raz pierwszy był widoczny na wysokości 104 km nad południową częścią woj. podlaskiego. Następnie leciał w kierunku południowo-zachodnim i całkowicie wyparował na wysokości 62,8 km, między Radzyniem Podlaskim a Dęblinem. Niewiele brakowało, a jego trajektoria przebiegałaby niemal idealnie nad Darłowem, gdzie 12 lutego 2025 roku spadł deszcz meteorytów, również zarejestrowany oraz wyznaczony przez sieć Skytinel. W tym przypadku niestety nie ma szans, by jakikolwiek fragment skały dotarł do gruntu, jednak prowadzimy nasze obserwacje z nadzieją, że ponownie uda się zarejestrować i odnaleźć nowy meteoryt w Polsce.
Wróćmy jednak do bolidu sprzed kilku dni. Symulacje orbity tej skały potwierdziły, że był on związany z rojem Kwadrantydów. Okrążał Słońce w około 6 lat, a jego orbita była nachylona pod kątem 73° do płaszczyzny ekliptyki. W najdalszym punkcie swojej orbity (aphelium) znajdował się w odległości 837,7 mln km od Słońca, a w najbliższym (peryhelium) – 146,6 mln km, czyli trochę bliżej niż Ziemia, która średnio jest oddalona o 150 mln km od Słońca.
Czy dzięki naszym badaniom możemy spać spokojnie? Na pewno wiemy dzięki nim więcej o naszej najbliższej kosmicznej okolicy. Liczymy orbity i podobnie jak Kopernik w ten sposób tworzymy możliwie najwierniejszy obraz Układu Słonecznego, ale na jego los póki co nie mamy wielkiego wpływu. Za to dzięki unikatowym narzędziom możemy powiedzieć więcej o jego historii. Każdy kawałek skały przylatujący z Kosmosu, był kiedyś częścią znacznie większej bryły – może dawnej planety, która już nie istnieje, bo została zniszczona we wczesnych etapach Układu Słonecznego. Badania składu chemicznego meteorów dostarczają dowodów, że niektóre meteory zawierają tyle żelaza, że muszą pochodzić z samego wnętrza, żelaznego jądra planet, które siłą rzeczy nie mogą już istnieć. Burzliwe losy Układu Słonecznego, pierwsze etapy formowania planet do obecnej liczby i kształtu, sprawiają że analiza składu chemicznego meteorów jest tak ciekawa.
Autorzy tekstu:
Ernest Świerczyński, obserwatorium w Narusie
Mateusz Żmija, koordynator sieci Skytinel
