De veroudering van kometen door kosmische stralen

Ruimtefysica
Kometen zijn relatief kleine lichamen bestaande uit bevroren materiaal en stof gevormd in de buitenste regionen van het zonnestelsel. Omdat ze geen verandering hebben ondergaan door zwaartekracht of opwarming, gaan we er ook van uit dat kometen het best bewaarde materiaal uit het vroege zonnestelsel bevatten. We konden echter aantonen dat kometen toch verouderen: Galactische Kosmische Stralen dringen door in de komeetkern en veranderen de samenstelling en structuur van komeetijs waardoor het niet langer als ongewijzigd kan worden beschouwd. Dit heeft grote gevolgen voor de interpretatie van komeetmetingen.

Levensloop van kometen

Het zonnestelsel ontstond zo'n 4,7 miljard jaar geleden door het gravitationeel samentrekken van een Moleculaire Wolk (MW). Een MW is een soort interstellaire wolk waarin moleculen kunnen worden gevormd die op stofkorrels bevriezen.

Een complexe chemie leidt tot de abiotische vorming van complexe moleculen zoals suikers, alcoholen en aminozuren. Het merendeel van de massa van de imploderende MW verzamelde zich in het centrum waar de zon werd gevormd, terwijl de rest van het materiaal in een protoplanetaire schijf terechtkwam waaruit andere lichamen ontstonden.

Kometen behoren tot de kleinste (enkele kilometer) van deze lichamen en werden ver van de zon gevormd, waardoor ze koud bleven en het oorspronkelijke materiaal uit de protosolaire nevel bewaard hebben. Kometen verblijven in de koude buitengebieden van het zonnestelsel, tot een verstoring hen in het binnenste zonnestelsel brengt, waar ze opwarmen, verdampen en uiteindelijk uiteenvallen en verdwijnen.

Komeetkern: veranderingen door Galactische Kosmische Stralen (GKS)

Lichamen in het zonnestelsel worden voortdurend bestraald door GKS, een stroom van hoogenergetische protonen en atoomkernen die met bijna de snelheid van het licht bewegen.

We modelleerden hoeveel energie door GKS in komeetkernen wordt gedeponeerd en gebruikten resultaten uit laboratoriumexperimenten om aan te tonen dat GKS de buitenste tiental meter van de komeetkern aanzienlijk kunnen veranderen. Daarnaast breken GKS chemische verbindingen in het komeetijs af, wat leidt tot de vorming van nieuwe en vernietiging van bestaande moleculen. Ook wordt het komeetijs door GKS geleidelijk compacter.

Implicaties voor de interpretatie van komeetmetingen

Kometen worden gezien als koelkasten die materiaal uit de protosolaire nevel bewaren. Dit is de reden waarom kometen in-situ worden bestudeerd: kometen bieden een unieke kans om resten van het oorspronkelijke materiaal waaruit het zonnestelsel is ontstaan te onderzoeken, wat nieuwe inzichten kan geven in de vorming van het zonnestelsel en het ontstaan van planeten.

Het BIRA is betrokken bij Comet Interceptor, een missie in voorbereiding, die een komeet tijdens zijn eerste nadering van het binnenste zonnestelsel zal onderzoeken terwijl de buitenste lagen van de komeetkern ontgassen. Het zal dus van cruciaal belang zijn om rekening te houden met de nucleus-wijziging door GKS om Comet Interceptor-metingen goed te interpreteren en onze kennis over het vroege zonnestelsel nog verder te vergroten.

Referenties:

  • Gronoff, G., Maggiolo, R., Cessateur, G., Moore, W. B., Airapetian, V. S., De Keyser, J., Dhooghe, F., Gibbons, A., Gunell, H., Mertens C. J., Rubin, M., and Hosseini, S. (2020). The Effect of Cosmic Rays on Cometary Nuclei. I. Dose Deposition, The Astrophysical Journal, 890, 89. https://doi.org/10.3847/1538-4357/ab67b9
     
  • Maggiolo, R., Gronoff, G., Cessateur, G., Moore, W. B., Airapetian, V. S., De Keyser, J., Dhooghe, F., Gibbons, A., Gunell, H., Mertens C. J., Rubin, M., and Hosseini, S. (2020). The Effect of Cosmic Rays on Cometary Nuclei. II. Impact on Ice Composition and Structure, The Astrophysical Journal, 901, 136. https://doi.org/10.3847/1538-4357/abacc3
Illustratie verandering samenstelling komeetkern
Illustratie van de verandering van samenstelling die wordt veroorzaakt door Galactische Kosmische Stralen over een periode van 4.5 miljard jaar als functie van de diepte in de komeetkern. Maggiolo et al. 2020.