Kometen kommer – men klarar Ison mötet med solen?

Det här är en artikel från 2013

När kometen Ison påbörjade sin resa mot solen för en halv miljon år sedan fanns inga moderna människor. Våra förfäder Homo erectus var på vandring från Afrika till Europa och Asien, och lämnade efter sig spår av stenverktyg, lägereldar och ben från bytesdjur. Vi vet inte om de talade ett språk eller hade förmåga att reflektera över tillvarons villkor. När kometen nu når höjdpunkten, och kanske slutet, på sin långa resa möts den av en annan människoart, Homo sapiens – en självmedveten och tänkande varelse på jakt efter sitt ursprung. Nyfikenheten har drivit oss att utforska varje aspekt av vår omvärld, och i detta mödosamma bygge av vår världsbild och historia utgör kometer en viktig pusselbit.

Natthimlen kännetecknas vanligen av oföränderlighet – vid sidan av stjärnbildernas dagliga och årliga rörelser, månens skiftande faser och planeternas långsamma vandringar är allting sig likt, år efter år. Men då och då uppträder plötsligt ett nytt objekt på himlen, som ibland blir tillräckligt ljusstarkt för att kunna ses med blotta ögat, och vid mycket sällsynta tillfällen till och med i fullt dagsljus – en komet. Ett sådant objekt har ett stort diffust huvud och en lång suddig svans som alltid är riktad rakt bort från solen. En komet kan vara synlig under veckor eller månader i sträck och rör sig ofta märkbart på himlen från natt till natt. Hyakutake och Hale-Bopp är exempel på riktigt ljusstarka kometer som kunde ses med blotta ögat under 1996 och 1997 – sådana objekt uppträder några få gånger under en människas livstid. Svagare kometer, synliga med prismakikare eller små teleskop, visar sig nästan årligen.

I centrum av kometens huvud finns kometkärnan. Den är fast och har några få kilometers diameter, och består av en mycket porös och skör blandning av is och små korn av silikater, sulfider, organiska ämnen och metaller. Kometkärnan färdas i en mycket utdragen bana kring solen, vilket gör att den tillbringar det mesta av sin tid i kylan långt ute i solsystemets utkanter, och där kan vi oftast inte se den ens med de största teleskopen. Men ju närmare solen kometen kommer, desto större är chansen att se den. I takt med att avståndet till solen minskar, börjar isen i kärnan hettas upp och förgasas. Gasen river med sig stoftkornen och tillsammans bildar de komethuvudet som kan bli mer än 10 000 kilometer i diameter. Solvinden och strålningstrycket från solljuset gör att gaserna och stoftkornen dras ut till en svans, som i extrema fall kan bli lika lång som medelavståndet mellan solen och jorden: 150 miljoner kilometer (en så kallad astronomisk enhet).

Den is som förgasas när en kometkärna i dag värms upp av solen, frös vid tiden för solsystemets födelse för 4,6 miljarder år sedan. De stoftkorn som frigörs i samband med kometens utgasning bildades vid samma tid. Tillsammans berättar de om de kemiska och fysikaliska förhållanden som rådde då – en text som kan dechiffreras och läsas och gör det möjligt att förstå hela solsystemets ursprung.

Solsystemet föddes ur en gravitationell kollaps av ett typiskt molekylmoln, som det finns otaliga av i Vintergatan. Kollapser av detta slag bildar ett massivt objekt i centrum, en protosol, som med tiden utvecklas till en sol, samt en omgivande tunn skiva av gas och stoft. Denna så kallade solnebulosa hettades ursprungligen upp genom att infallande gas bromsades i skivan under kraftig värmeutveckling. Närmast protosolen kan solnebulosans temperatur ha uppgått till 2 000 grader Celsius, men den avtog med tiden och med avståndet till protosolen.

Vid så höga temperaturer är materien uppdelad i sina atomer. När den kyls av slår de fria atomerna sig samman till molekyler och mineral. Molekyler bildas i gasform och måste kylas ytterligare innan de övergår i fast form, så att de enklare kan bidra till att bygga planeter, månar, asteroider och kometer. Mineral däremot bildas direkt i fast form. Skillnader i kylningstakt och lägsta temperatur i olika delar av solnebulosan har gett upphov till mycket olika sammansättning hos de kroppar som bildades där.

Solnebulosan innehöll samtliga grundämnen, men det var endast ett femtontal som fanns i större mängd. Eftersom dessa bara kan kombineras på ett begränsat antal sätt, blir solsystemets mineralogi tämligen enkel. Vid kylning av denna atomsoppa bildas först ett antal gaser, främst vätgas, vatten, kolmonoxid, koldioxid och kvävgas. Det uppstår också mindre mängder metan, ammoniak och metanol. Samtliga dessa kommer att förbli gasformiga ner till mycket låga temperaturer. Produktionen av fasta korn kommer i gång i stor skala först när kisel, syre och magnesium slår sig samman till silikater som olivin och pyroxen, eller med andra ord – sten. Vid ännu lägre temperaturer kondenserar gasformigt järn och nickel till en fast metallisk legering, medan överblivet järn slår sig samman med svavel till sulfider. Även små mängder fältspat hann bildas innan kondensationsprocessen avstannade i det varma inre solsystemet. Därför var det främst korn av olivin, pyroxen, sulfider, järn-nickellegeringar och fältspat som tillsammans byggde förstadier till planeter, planetesimaler, med typiska diametrar på mellan 100 och 1 000 kilometer. Av dessa bildades planeterna Merkurius, Venus, jorden och Mars samt månen. Asteroiderna utgör överblivna planetesimaler och deras kollisionsfragment, som lyckats undgå att bli slukade av någon planet. Inte heller de flyktiga gaserna eller organiska molekyler deltog i byggandet av de jordliknande planeterna. De var bara passiva åskådare till planetbildningen och blåste till slut bort, eftersom de helt enkelt inte kunde övergå i fast form vid de höga temperaturer som rådde i närheten av solen.

Längre bort, över fyra astronomiska enheter från solen, såg det helt annorlunda ut. Här sjönk temperaturen till långt under vattnets fryspunkt, och då kunde helt nya grupper av ämnen delta i planetbildningen. Korn av olivin, pyroxen, sulfider, metall och fältspat täcktes här av grafit och komplicerade organiska ämnen när kol började kondensera. Ovanpå kornen, i takt med att temperaturen sjönk ytterligare, byggdes tjocka skorpor av is – en blandning av främst vatten, kolmonoxid och koldioxid samt mindre mängder metan, ammoniak och metanol.

När sådana korn slog sig samman till planetesimaler skilde de sig kraftigt från planetesimalerna i det inre solsystemet genom sin rikedom på is och organiska ämnen. Huvuddelen av de isrika planet­esimalerna byggde upp fyra stora kroppar på över tio jordmassor var. De hade då tillräckligt stark gravitationskraft för att kunna dra till sig gas direkt ur solnebulosan. På så vis bildades jättarna Jupiter, Saturnus, Uranus och Neptunus, som till stor del består av vätgas, kvävgas och ädelgaserna helium, neon och argon. Gas- och isjättarnas stora månar blev i regel mycket rika på is, liksom populationen av objekt utanför Neptunus bana, transneptuner i det så kallade Edgeworth-Kui­pers bälte. Kometkärnorna utgör överblivna planetesimaler i denna avlägsna och kalla del av solsystemet, som undgick att slukas av en jätteplanet eller måne. Kometkärnornas porösa inre, där korn av olika sammansättning bildar en löst sammanhållen struktur, ger inblick i de processer som bildade planetesimalerna. De utgör därmed nyckeln som gör det möjligt att förstå hela den kedja av händelser som leder till uppkomsten av en planet.

I dag hittar vi de allra flesta kometerna i stora reservoarer i utkanten av solsystemet. Så var det inte från början, då miljontals kometkärnor samt större isrika planetesimaler vistades mellan de fyra gasjättarna, vid denna tid hopträngda på ett avstånd av 5–15 astronomiska enheter från solen. De mindre kropparna kretsade på upp till 30 astronomiska enheter från solen, men troligen inte längre ut än så. De flesta kometkärnorna hade svagt elliptiska banor kring solen: det kortaste avståndet till solen var i regel inte mycket mindre än det längsta.

Kometkärnor som kom nära Jupiters bana utsattes dock för kraftiga störningar. Deras banor blev extremt utdragna, så att det längsta avståndet växte till flera hundra eller tusen astronomiska enheter, medan det kortaste avståndet till solen förändrades tämligen lite. Dessa kometer tillbringade alltså det mesta av sin tid långt bort från solen, och anlände till jätteplaneternas domäner med omkring tiotusen års mellanrum.

På den tiden var solsystemet en del av en öppen stjärnhop med tusentals medlemmar. För en kometkärna som vågat sig mer än tusen astronomiska enheter bort från solen blev gravitationskraften från hopens närbelägna stjärnor snabbt jämförbar med solens. Det gjorde i regel att kometens minsta avstånd till solen ökade, medan det största avståndet höll sig mer eller mindre konstant. Därmed fick kometkärnan en nästan rund bana, långt bort från solen. Denna avlägsna population av kometkärnor utgör i dag Hills moln.

Kometer som vågade sig ännu längre bort utsattes för så stora gravitationskrafter från stjärnorna i hopen att de helt lämnade solsystemet. Länge utgjorde Hills moln därför solsystemets absoluta utmarker. Detta skulle dock förändras i takt med att solen lämnade sin födelsehop. Då återstod endast den svaga gravitationskraften från miljardtals stjärnor långt borta i Vintergatan, samt krafterna från det fåtal närgångna stjärnor som råkar passera solsystemet då och då. Kometer vars banor sträcktes ut av Jupiter till 10000–50000 astronomiska enheter från solen eller ännu mer, slets nu inte bort från solsystemet. I stället påverkades de av de främmande stjärnorna så att banorna blev närmast cirkulära, tiotusentals astronomiska enheter från solen. Denna mycket avlägsna population av kometkärnor utgör i dag Oorts moln.

Under årmiljarderna har gravitationskrafter från Vintergatans stjärnor långsamt vridit dessa kometers banplan så att de nu är helt slumpmässigt fördelade. Kometerna i Oorts moln bildar därför ett mer eller mindre sfäriskt hölje kring solen, medan kometkärnorna i Hills moln troligtvis är mer samlade kring samma plan som planeternas.

Det var dock bara en liten bråkdel av kometkärnorna som placerades i Hills eller Oorts moln på det här viset. De allra flesta objekt matades i stället inåt av Saturnus, Uranus och Neptunus, i riktning mot Jupiter, som i sin tur kastade ut dem ur solsystemet för alltid. Denna växelverkan med miljontals kometkärnor fick jätteplaneterna att själva flytta på sig. Jupiter rörde sig långsamt in mot solen, medan Saturnus, Uranus och Neptunus rörde sig utåt. Efter att denna migration pågått i omkring 600 miljoner år, hamnade Jupiter och Saturnus i mycket speciella banor som kraftigt störde resten av det yttre solsystemet. Uranus och Neptunus fick starkt elliptiska banor och passerade mycket nära Jupiter och Saturnus. I och med detta tvingades Jupiter och Saturnus flytta mot sina nuvarande banor vid cirka fem respektive tio astronomiska enheter från solen, medan Uranus och Neptunus kastades flera astronomiska enheter ut.

Under ett våldsamt tumult rensades den yttre delen av solsystemet från kvarvarande kometkärnor. Detta fick Uranus och Neptunus att glida ut till sina nuvarande runda banor vid 19 respektive 30 astronomiska enheter från solen. Framför sig skyfflade Neptunus en mindre mängd stora och små planetesimaler, vilket gav upphov till Edgeworth-Kuipers bälte på 30–48 astronomiska enheter från solen. Stora objekt bortom Neptunus bana, transneptunerna, och små kometkärnor som kom för nära, stördes av Neptunus och fick utdragna banor som sträckte sig långt utanför Edgeworth-Kuipers bälte. Denna population kallas spridda skivan.

Kometkärnorna i Edgeworth-Kuipers bälte, spridda skivan, Hills moln och Oorts moln är på tok för ljussvaga för att vara synliga från jorden. De tillbringar all sin tid i extrem kyla, och deras is förblir intakt. De utgör solsystemets reservoarer av kometkärnor. Mycket speciella händelser krävs för att dessa kometkärnor ska hämtas från sina förvaringsplatser och sätta kurs mot solen, så att vi ska kunna se dem från jorden.

De kraftfulla gravitationella störningar som möblerade om solsystemet i dess barndom har inte upphört än, även om de numera sker på blygsammare nivå, eftersom antalet småkroppar har minskat enormt. Störningarna ger upphov till en mycket viktig transportmekanism som gradvis slussar kometkärnor från de inre delarna av spridda skivan mot solsystemets inre delar. Det börjar med att Neptunus får fatt på en kometkärna eller en större transneptun och tvingar den inåt tills den kommer under Uranus inflytande. Uranus slussar så objektet vidare till Saturnus, som i sin tur lämnar det till Jupiter. Denna process kan ta hundratusentals år. Stora objekt som befinner sig i denna övergångsfas kan ibland ses från jorden med mycket stora teleskop och kallas för kentaurer. Jupiter kommer sedan att bearbeta banan ytterligare, så att den sträcker sig från jordens bana, ut mot Jupiters eller strax bortom den. Denna grupp kometkärnor kallas traditionellt för Jupiterfamiljen men i dag allt oftare för ekliptiska kometer. Deras banplan avviker aldrig kraftigt från planeternas och de har i regel omloppstider som understiger 20 år. De gör därför upprepade besök i närheten av solen och utvecklar då periodiskt de huvuden och svansar som kännetecknar aktiva kometer. Borrelly, Wild 2 och Tempel 1 utgör berömda exempel på kometer i Jupiterfamiljen, som besökts av rymdsonderna Deep space 1, Stardust och Deep impact. Kometer i Jupiterfamiljen förblir aktiva i omkring 10000 år – därefter tar deras is slut.

Andra kometer kommer till oss på ett annat sätt, från de yttre delarna av spridda skivan. Genom växelverkan med Neptunus ökar deras längsta avstånd till solen och de hamnar under inflytande av Vintergatans avlägsna stjärnor. Banplanen vrids då bort från planeternas banplan, samtidigt som stjärnorna tvingar en liten del av dessa kometkärnor att svänga in lite närmare solen. Solsystemets planeter kan ta vid och då även dra in banans yttersta punkt så att objektet blir en komet av Halley-typ, som ofta även kallas isotropisk komet. Sådana kometer har omloppstider på upp till 200 år och kan ha banor som lutar kraftigt mot planeternas banplan. Det mest kända exemplet är Halleys komet som gett namn åt gruppen. Dess bana lutar så kraftigt att den i praktiken kretsar kring solen åt ”fel” håll, det vill säga medurs sett från en punkt högt över jordens nordpol, medan alla planeter rör sig moturs. Halleys komet besöktes 1986 av en armada av rymdsonder från Sovjetunionen, Japan och Europeiska rymdorganisationen.

Inte alla synliga kometer tillhör dock Jupiterfamiljen eller är av Halley-typ. I genomsnitt vartannat år upptäcks en komet som kommer in mot solen i en parabolisk bana. Dessa så kallade nya kometer kommer direkt från Oorts moln och kan därmed ha banplan som lutar hur som helst i förhållande till planeternas banor. De har blivit störda av närbelägna eller avlägsna stjärnor för mycket länge sedan och faller mot solen för första gången sedan de placerades i Oorts moln i solsystemets barndom. På grund av det enorma avståndet mellan Oorts moln och solen kan resan hit ta hundratusentals år. Kometen Ison är just en sådan ny komet.

Nya kometer kan få sina banor störda på väg genom planetsystemet. Vissa kommer i likhet med Ison att få sin paraboliska bana omvandlad till en hyperbolisk bana, vilket gör att de med tiden helt lämnar solens gravitationsfält och försvinner ut i Vintergatan. Andra kometer får i stället en snävare elliptisk bana och återkommer till solen gång på gång. Exempel på den senare gruppen långperiodiska kometer är Hyakutake, med en omloppstid på 126 000 år, samt Hale-Bopp, med en omloppstid på 2 440 år. Majoriteten av alla kometer som upptäcks är långperiodiska.

Varje år upptäcks omkring 200 kometer för första gången, främst tack vare storskaliga sökprogram som Linear, Loneos, Pan-Starrs med flera, som drivs av professionella astronomer. Årligen hittas dock en handfull kometer fortfarande av amatörastronomer som använder avancerad utrustning – Ison är en sådan komet. Kometen upptäcktes den 21 september 2012 av Vitaly Nevski och Artyom Novichonok. Deras 40 centimeters reflektor i ryska Kislovodsk ingår i det internationella nätverket International scientific optical network – därav namnet Ison. I sedvanlig ordning rapporterade de upptäckten till Minor planet center, som snabbt insåg att kometen även fanns på gamla bilder tagna av Mt Lemmon survey redan den 28 december 2011 och av Pan-Starrs den 28 januari 2012. Tack vare dessa observationer kunde man snabbt fastslå att banan var parabolisk och att kometen skulle passera bara 0,012 astronomiska enheter från solens centrum den 28 november 2013. Det är åttio gånger närmare solen än jorden, eller knappt fem gånger avståndet mellan jorden och månen och bara 2,6 gånger solens egen radie. Ison skulle även passera bara 0,072 astronomiska enheter från Mars den 1 oktober 2013.

Vid tiden för upptäckten var kometen ovanligt ljusstark med hänsyn till dess stora avstånd till solen, mer än sex gånger längre bort än jorden. Det gjorde att de första prognoserna om kometens ljusstyrka vid solpassagen blev mycket optimistiska – den kanske till och med skulle bli ljusstarkare än fullmånen. Kometer är dock mycket förrädiska och svårförutsägbara, särskilt sådana som kommer direkt från Oorts moln. Kärnans ytlager är i regel rikt på mycket lättförångad is, som frusen kolmonoxid och koldioxid. Utgasningen av dessa ämnen river med sig stoftkorn, och ljuset vi ser från kometen är främst solljus reflekterat av sådana korn. Prognoser om kometens framtida ljusstyrka förutsätter att utgasningen ökar i samma takt som solstrålningen när kometen närmar sig solen, vilket inte alltid är fallet.

För att komplicera saken ytterligare börjar alltmer vattenånga komma ut när kometen närmar sig solen. Den is som finns i kometerna domineras av vatten, men detta ämne är inte lika flyktigt som kolmonoxid eller koldioxid och behöver högre temperaturer för att aktiveras. I vilken mån kometen i fortsättningen kommer att kasta ut stoftkorn, kommer därefter främst att bero på förångningen av vatten, vilken sker i en takt som kan vara mycket svår att bedöma på förhand. Dessutom är det vanligt att stora delar av kometkärnans yta slaggar igen när stoftkorn ansamlas i stället för att dras med bort av gaserna. Då minskar utgasningen ytterligare, och därmed ljusstyrkan.

Faktum är att kometen Ison under månaderna efter upptäckten inte ökade lika kraftigt i ljusstyrka som man ursprungligen hade förväntat. Därför har man justerat den ursprungliga prognosen att Ison kommer att lysa lika starkt på himlen som månen. Nu tror vi att den kan jämföras med planeten Venus när den är som ljusast.

Den stora frågan är om kometkärnan överlever passagen så nära solens yta. Solstrykande kometer kan pulvriseras helt av de enorma krafter som uppstår när stora mängder is förgasas samtidigt i kometkärnan och försöker ta sig upp till ytan. Ett exempel på det är kometen Lovejoy, som den 15 december 2011 passerade solen på ett avstånd av endast 0,0056 astronomiska enheter. Den överlevde själva passagen, men kärnan föll sönder och kometen försvann redan fem dagar senare. Nu återstår att se om Ison går samma öde till mötes!