Комета C/2007 N3 (Lulin)

Комета C/2007 N3 (Lulin)

Министерство образования и науки Украины

Министерство образования и науки Автономной Республики Крым

Малая академия наук школьников Крыма «Искатель»

секция астрономии

КОМЕТА C/2007 N3 (Lulin)

Работу выполнил:

Потапов Евгений, дч

учащийся Гимназии №11 им. К.А. Тренева

Научные руководители:

Лавут Елена Сергеевна,

Максименко Алевтина Павловна

Симферополь

2009г.

СОДЕРЖАНИЕ

Введение

Общие сведения о кометах

краткая история изучения комет

строение, состав комет

природа комет

общая теория об элементах орбиты

Комета C/2007 N3 (Lulin)

общие сведения о комете

расчет орбиты кометы

Заключение

Список использованной литературы

ВВЕДЕНИЕ

За все время, проведенное в Малой Академии Наук, мне удалось пронаблюдать, сфотографировать и изучить несколько комет. По двум из них, самым ярким и знаменитым я написал работы. Это были комета 73Р Швассмана-Вахмана 3, которая в 2006 году распалась на множество фрагментов, подобно комете Шумейкеров-Леви 9, и выдающаяся комета 2007 года 17Р Holmes, внезапно вспыхнувшая и, тем самым, повысившая свою яркость более, чем в 400 000 раз. Все эти работы были основаны на живых фотографиях этих комет. Однако, в прошедший год меня постигла неудача и единственная, хоть как-то проявившая себя комета, на которую я возлагал большие надежды в написании будущей работы, пролетела в самый дождливый период, дав возможность в редких проявлениях между тучами запечатлеть комету С/2007 N3 Lulin на пленку всего 5 раз за 2 ночи наблюдений. Но, я не стал искать новую тему для будущего творческого взноса, потому, что меня очень заинтересовало очень быстрое движение этой кометы по звездному небу. Я решил узнать, откуда такая скорость передвижения и как она связана с орбитой кометы? Для этого я попытался сам рассчитать элементы ее орбиты, начертить саму орбиту, а также, по возможности, сделать другие вычисления, исходя из 5 фотографий кометы Лулина.

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Краткая история изучения комет:

Ещё в древности человек мог наблюдать прекрасные хвостатые светящиеся образования на небе, которые, завораживая своим видом, внезапно появлялись и исчезали куда-то. Эти объекты назвали кометами, что означает «длинноволосые», «косматые».

Первое письменное упоминание о появлении кометы датируется 2296г. до н. э. Движение кометы по созвездиям тщательно наблюдалось китайскими астрономами. Научно обосновать явление комет первым попытался Аристотель. На принадлежность комет к Солнечной системе впервые указал Э. Галлей. Джованни Вирджинио Скиапарелли впервые показал, что рой кометных тел, сопровождает Солнце в его движении среди звёзд. Этот рой был назван облаком Оорта. Эрнст Юлиус Эпик установил, что ежегодно нашу Солнечную систему покидают несколько наблюдавшихся комет. Известный советский астроном Борис Александрович Воронцов-Вельяминов продолжил идеи Эпика и высказал предположение о существовании межгалактического кометного фона.

За прошедшие двести лет астрономия совершила гигантский прорыв в понимании законов строения и эволюции комет. В наши дни для изучения комет используются не только наземные средства наблюдений, но и возможности космических аппаратов.

Строение. Состав комет:

У комет, приблизившихся к Солнцу, различают «голову» и «хвост». Центральная часть головы кометы называется ядром. Ядро -это небольшое компактное тело, являющееся конгломератом каменной и ледяной пород. Диаметры ядра колеблются в пределах от 0,5 до 20 км, масса составляет 10 в 10 степени кг. Оно, в основном, состоит из смеси льдов различной природы.

Ядро кометы окутывает оболочка кома, которая является вторичным образованием, т. к. состоит из вещества, выброшенного из кометного ядра.

Под действием светового давления и корпускулярных потоков образуется хвост. Хвост кометы - длинные струйные образования из головы кометы в противоположную от Солнца сторону. Хвост кометы состоит из улетучивающихся из ядра под действием солнечных лучей молекул газов и частиц пыли. Хвосты различают: пылевой, газовый и аномальный.

Природа комет:

Вдали от Солнца температура кометного ядра близка к абсолютному нулю. На расстоянии примерно 5а.е. от Солнца температура на поверхности кометного ядра становится -140 градусов Цельсия. Начинается процесс испарения льдов. При испарении летучих веществ на поверхности ядра образуется корка, препятствующая дальнейшему испарению газов. Толщина корки увеличивается с течением времени. Это явление называется «кометная старость». Кометам свойственно "омолаживаться". Это происходит при столкновениях комет между собой или с астероидами. Сохранению молодости комет способствует их выброс в облако Оорта. Механизм столкновения комет может приводить не только к их омоложению, но и к дроблению кометных ядер на более мелкие. Известны "микрокометы" и "миникометы".

Кометы делят на два основных класса в зависимости от периода их обращения вокруг Солнца:

Короткопериодическими называют кометы с периодами обращения менее 200 лет, а долгопериодическими - с периодами более 200 лет. Все короткопериодические кометы являются членами разных кометно-планетных семейств больших планет.

Общая теория об элементах орбиты

Рис. 1

Элементы орбиты - величины, характеризующие орбиту небесного тела, а также положения тела на орбите.

Орбита небесного тела, движущегося в поле тяготения др. тела, представляет собой кривую второго порядка (конич. сечение), в одном из фокусов которой находится центр масс двух тел (притягивающий центр). Данное определение относится к случаю, когда взаимодействующие тела сферически-симметричны или же находятся на столь большом расстоянии, что отклонение их формы от сферической не сказывается существенно на силе взаимодействия.

Точка орбиты тела, ближайшая к притягивающему центру, наз. перицентром, а наиболее удаленная - апоцентром. В данном случае это перигелий и афелий.

На рис. 1 S^xy - основная координатная плоскость. Здесь это плоскость земного экватора.

Ось S^x направлена в основную точку, за которую для орбит тел в Солнечной системе чаще всего принимают точку весеннего равноденствия (одну из точек пересечения экватора с эклиптикой). Плоскость NПN' - плоскость орбиты небесного тела, П - перигелий орбиты, - полюс орбиты (он находится на прямой, проходящей через перигелий и перпендикулярной к плоскости орбиты), T - положение небесного тела на орбите.

Прямая NSN', по которой плоскость орбиты NПN' пересекается с основной координатной плоскостью S^xy, называется линией узлов. Полупрямая SN, которую небесное тело пересекает, показывает положительное направление линии узлов. Если движение небесного тела происходит против часовой стрелки для наблюдателя, находящегося в полюсе орбиты , то точка N называется восходящим узлом орбиты, а N' - нисходящим узлом. Угол  между осью S^x и полупрямой SN наз. долготой восходящего узла. Этот угол отсчитывается от оси S^x в сторону оси S^y от 0 до 360^o. Угол i между плоскостью орбиты и плоскостью S^xy называется наклоном орбиты. Наклон может иметь все значения от 0 до 180^o. Если , то движение наз. прямым, если же , то обратным. Угловое расстояние  линии SП от линии узлов SN наз. расстоянием перигелия от узла или аргументом перигелия. Угол  отсчитывается в направлении движения тела от 0 до 360^o.

Рис. 2

Величины составляют первую группу элементов орбиты, первые два из них характеризуют положение плоскости орбиты, а третий - ориентацию орбиты в этой плоскости.

Размер орбиты и ее форму характеризуют элементы p и e - параметр и эксцетреситет (рис. 2). Эксцетреситетом орбиты e наз. отношение расстояния между фокусами F¹F²=2c этой орбиты к расстоянию между ее вершинами A и A'. Расстояние между ее вершинами обозначают 2a, а величину a наз. большой полуосью орбиты, так что e=c/a. Для нашей параболической орбиты c=a, поэтому e=1. Половина фокальной хорды DD' орбиты, перпендикулярной к ее оси, носит название фокального параметра и обозначается буквой p. Вместо двух элементов p и e для параболы используют один элемент q=p/2 - перигелийное расстояние (на рис. 2 отрезок AF¹). Движение по круговой орбите является частным случаем движения по эллипсу (e=0).

Положение небесного тела на орбите в некоторый начальный момент времени t⁰ определяется его угловым расстоянием от линии апсид. Этот угол обозначается через M⁰ и наз. средней аномалией в эпоху. Часто в качестве элемента выбирают момент времени  прохождения небесного тела через перигелий орбиты.

Элементы наз. кеплеровскими элементами. Они определяют орбиту независимо от того, является ли она эллиптической, гиперболической или параболической.

КОМЕТА C/2007 N3 (Lulin)

Общие сведения о комете

Любители астрономии хорошо помнят неожиданную вспышку кометы Холмса, всего за сутки превратившую эту комету из телескопического объекта в объект, видимый невооруженным глазом. Но прошло чуть более года, как Природа уготовила нам новый сюрприз. Конечно, не такой яркий, но не менее загадочный.

Комета C/2007 N3 (Lulin), проще говоря – комета Лулина, была открыта сравнительно недавно - в июле 2007 года двумя астрономами Цюань Чжи Е (Quanzhi Ye) и Чи Шэн Линь (Chi Sheng Lin). Свое интересное название она получила в честь тайваньской обсерватории Лулин, где работал один из первооткрывателей.

Комета Lulin представляет собой очень интересный и необычный объект, который движется по своей орбите в противоположную всем планетам сторону. При этом угол наклона орбиты кометы к плоскости эклиптики очень мал – всего 1,6° (или 178, 38⁰). Комета движется по параболической траектории и, вероятно, это ее первый визит к Солнцу. Орбита кометы пересекает пути всех планет-гигантов Солнечной системы (перигелий кометы - между орбитами Земли и Марса), но ни одна из них на нее не оказала заметного влияния.

Еще в начале июля 2008 года блеск кометы Lulin был около 11m, но уже к октябрю увеличился до 9,5m. В конце декабря ее блеск оценивался в 7,6m. Максимального сближения с Землей комета достигла 24 февраля 2009 года, когда геоцентрическое расстояние составило 61 миллион километров. Ее блеск составил 5m, при этом скорость перемещения кометы по небесной сфере составила примерно 5° в сутки. Это объясняют ее «обратным» движением.

В период наилучшей видимости в феврале 2009 года комета двигалась по созвездиям Весов, Девы, Льва и Рака. Комета прошла близ ярких звезд Спики и Регула. При наблюдении на неё через бинокль или телескоп, наблюдали видимое движение кометы на фоне звёзд. 14 января комета находилась на ближайшем расстоянии от Солнца. А в ночь с 23 на 24 февраля комета Lulin прошла всего в 2° южнее Сатурна. Именно в эту ночь были относительно неплохие погодные условия, и нам удалось запечатлеть на пленку это прохождение.

Ко всему прочему, комета Lulin, подобно комете 17P Holmes, имела необычный зеленоватый оттенок ( >> ). Характерный цвет комете Лулин придали входящие в состав ее ядра молекулы углерода и ядовитого газа дициан, которые под воздействием солнечных лучей и в условиях безвоздушного пространства создают зеленоватое свечение.

И, пожалуй, главной особенностью этой замечательной кометы был "сброс" кометой Лулин своего нормального хвоста ( >> ). Аномальный хвост кометы, или "антихвост", при этом не изменился.

Природа феномена, как и очень многое в природе комет вообще, далека от понимания. Эффект сброса хвоста наблюдался при столкновении в 2007 году кометы Энке с облаком солнечного вещества, выброшенного протуберанцем. Однако можно ли в данном случае говорить о выбросе солнечного ветра, неясно.

На представленных астрономами снимках сгусток, отделившийся, от ядра, отстоит от него примерно на полградуса - диаметр полной Луны. К тому же Солнце находится не просто в абсолютном минимуме своей активности, но и в минимуме, по необъяснимым причинам необыкновенно затянувшемся.

Расчет элементов орбиты кометы Lulin

Как я уже упоминал, комета Lulin, к несчастью, пролетела в самый дождливый период, не дав ее толком сфотографировать. К тому же, мешала яркая Луна. Но, я не отчаялся и решил узнать, почему комета имела довольно большую скорость на звездном небе, рассчитав ее орбиту.

На 19.02.09 в 5ч. 20м.

α = 12h 30΄ 36΄΄

δ = -2º 54΄47΄΄

На 24.02.09 в 2ч. 00м.

α = 11h 1΄ 7΄΄

δ = +6º 18΄

Эфемериды третьего положения мне пришлось взять в готовом виде в Интернете:

На 10.03.09. в 0ч. 00м.

α = 7h 54΄ 18΄΄

δ = +20º 13΄ 11΄΄

Для начала, выполнив необходимые вычисления, я перевел экваториальные координаты (α, δ) этих трех положений в эклиптикальные (X, Y, Z).

За единицу времени принял средние солнечные сутки, за единицу расстояния – астрономическую единицу.

1. Находим для всех трех моментов величины:

Далее находим:

2. Находим величины:

 ,

 где k = 0,017 202 1;

3. Решаем систему двух уравнений с двумя неизвестными x₂ и r₂:

Применяя так называемый метод последовательных приближений, выбираем произвольно некоторое начальное значение x₂ = (x₂)₀, после чего находим (r₂)₀ и из следующего уравнения вычисляем значение x₂ = (x₂)₁. Если бы начальное значение x₂ было выбрано правильно, т.е. удовлетворяло бы уравнениям, то тогда (x₂)₀ = (x₂)₁. В противном случае (x₂)_{0 ≠} (x₂)₁. Тогда с новым значением (x₂)₁ вычисляем аналогичным путем следующее приближение (x₂)₂. Если (x₂)_{1 ≠} (x₂)₂, то вычисляем дальше и так до тех пор, пока два последующих приближения не сойдутся в пределах заданной точности.

4. Далее находим:

Координаты (x_j ,y_j, z_j), j = 1,2,3 – прямоугольные гелиоцентрические экваториальные координаты тела в моменты 1, 2, 3 соответственно. Дальнейшее вычисление элементов орбиты может быть проведено по двум гелиоцентрическим положениям. Обычно выбирают два крайних положения, но я взял два положения, соответствующие моим снимкам 19.02 и 24.02.2009.

5. Вычисляем:

где x, y, z₁ – эклиптические координаты кометы 19.02, а x, y, z₃ – координаты на 24.02.

6. Находим элементы Ω (долготу узла), i (наклонение) по формулам:

После проведения этих вычислений, у меня получились такие результаты:

Ω ≈ 338,8º

i ≈ 178, 4º, что означает обратное движение кометы по орбите с наклоном самой орбиты к эклиптике на 1,6º.

7. определяем параметр орбиты р:

,

где Y вычисляем с помощью непрерывной дроби:

р ≈ 2,6896 а. е.

Имея в распоряжении параметр орбиты, по очень простой формуле q=p/2 можно высчитать q (перигелийное расстояние) орбиты кометы Lulin.

q = 1,3448 а.е.

Значит, перигелий орбиты, с учетом погрешностей, находится где-то около орбиты Марса.

8. Эксцентриситет орбиты кометы Лулина, по определению равен 1, исходя из ее параболической орбиты. В связи с этим же мы не можем высчитать несуществующую большую полуось. Следовательно, такой элемент, как средняя аномалия М = 0.

9. Последним элементом находим аргумент перигелия ω. Я не нашел формул для его вычисления, поэтому мне пришлось считать аргумент перигелия и момент для прохождения (t₀) перигелия с помощью специальной компьютерной программы.

В итоге вышло:

 ω ≈ 152,2º

 t₀ ≈ 18. 01. 2009

Итак, получились такие элементы орбиты кометы С/2007 N3 Lulin:

i ≈ 178, 4º

Ω ≈ 338,8º

q ≈ 1,3448 а.е.

e = 1

M = 0

ω ≈ 152,2º

t₀ ≈ 18. 01. 2009

Если сравнить с теми, что даны во Всемирной сети:

Наклон орбиты, гр 178,3704

Долгота восходящего узла, гр 338,4791

Перигелийное расстояние, а.е. 1,209265

Эксцентриситет орбиты 0,999581

Аргумент перигелия, гр 136,9164

Дата прохождения перигелия 10. 01.2009

Видно, что погрешность в моих вычислениях не очень большая, даже, можно сказать, приемлемая.

Теперь, зная элементы орбиты кометы Лулина, можно начертить и саму орбиту:

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Таким образом, мне удалось изучить, немного пронаблюдать и сфотографировать еще одну неординарную комету C/2007 N3 (Lulin), таящую в себе много загадок. В одной из них я смог разобраться – это ее очень быстрое движение на небе среди звезд из-за нестандартного расположения орбиты кометы, но вторая – отделение хвоста – так и остается неразгаданной.

Благодаря этой комете, точнее, благодаря неблагоприятным условиям ее видимости, мне, конечно, не удалось сделать так много ее фотоснимков, как прошлых неординарных комет, но, зато на примере кометы Lulin я смог разобраться и изучить небольшой, однако, довольно непростой раздел астрометрии, такой, как вычисление кеплеровских элементов параболической орбиты, о котором раньше я знал лишь азы.

В дальнейшем я планирую подробней и более глубоко изучить комету Lulin, исходя из имеющихся данных, попытаться рассчитать ее нормальную скорость, позиционный угол хвоста и другие элементы.

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАНОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

2. Учебник для 11 класса Е. П. Левитан

3. Учебник для 11 класса Б. А. Воронцов-Вельяминов

4. Общий курс астрономии М. Кононович.

5. Интернет-ресурсы:

A. http://meteoweb.ru/astro/clnd023

D. http://www.astrogalaxy.ru/797