Zespół naukowców pod kierunkiem astronomów z Uniwersytetu Jagiellońskiego zidentyfikował pierwszą planetoidę, której tempo wirowania oraz pobliskie fragmenty, sugerują niedawny rozpad pod wpływem szybkiej rotacji.

Prawie wszystkie z kilkuset tysięcy znanych planetoid to większe lub mniejsze skały lub zlepki skalne, niezdradzające oznak utraty materii. Ale prawie robi wielką różnicę. Astronomie znają od jakiegoś czasu grupę bardzo nielicznych „aktywnych planetoid", które wyrzucają w przestrzeń kosmiczną niewielkie ilości pyłu. Niektóre z nich przypominają pod tym względem komety, znane m. in. z tego, że powoli gubią pył podczas sublimacji zawartego w nich lodu. Jednak istnieją również obiekty tracące pył w formie nagłych wyrzutów, bez stwierdzonej jednoznacznie przyczyny. To właśnie takimi osobliwymi planetoidami zainteresowali się niedawno krakowscy badacze. Dziwne zachowanie tych ciał nie daje się bowiem wyjaśnić powolnym procesem sublimacji lodu, prowokując powstawanie różnych hipotez. Dwie najpoważniejsze tłumaczą to zjawisko kolizją z innym drobnym ciałem Układu Słonecznego, albo rozpadem na skutek zbyt szybkiej rotacji. Jednak do dnia dzisiejszego zidentyfikowano zaledwie jedną planetoidę, która wyrzuciła fontannę pyłu wskutek trafienia kosmicznym pociskiem, natomiast w przypadku kolejnych czterech, przyczyna aktywności pozostawała przedmiotem spekulacji.

Skłoniło to astronomów do podjęcia obserwacji w celu sprawdzenia wysuwanych hipotez. W swoich badaniach uczeni wykorzystali teleskop Keck II w obserwatorium na szczycie Mauna Kea na Hawajach, jeden z największych i najbardziej zaawansowanych tego typu instrumentów na Ziemi.

- Gdy w nocy z 25 na 26 sierpnia 2014 roku skierowaliśmy teleskop na planetoidę P/2012 F5, mięliśmy nadzieję wyznaczyć tempo jej wirowania i zbadać, czy w pobliżu nie ma przypadkiem fragmentów jądra. Szybko okazało się, że nasze oczekiwania w pełni się potwierdziły – cieszy się kierownik projektu Michał Drahus z Obserwatorium Astronomicznego UJ.

Naukowcy odkryli przynajmniej cztery fragmenty, które oderwały się od jądra planetoidy i zmierzyli okres jej rotacji. - Zmierzone tempo rotacji nie jest szaleńczo szybkie, gdyż jedna doba na P/2012 F5 trwa 3,24 godziny. Jednak to wystarcza, aby podjąć rywalizację z nikłą grawitacją obiektu – powiedział M. Drahus.

Aktywna planetoida P/2012 F5, sfotografowana w połowie 2014 roku przy pomocy 10 metrowego teleskopu Keck II w obserwatorium
na Mauna Kea (Hawaje). Górny panel przedstawia większy obszar, na którym widać jądro obiektu wraz z drobniejszymi fragmentami
zanurzonymi w rozciągniętym po orbicie pyle. Dolny panel przedstawia trzykrotnie powiększony wycinek zdjęcia, na którym dodatkowo
odjęto komputerowo pył w celu lepszego pokazania fragmentów jądra.© M. Drahus, W. Waniak (OA UJ) / W. M. Keck Observatory

Wyniki badań zespołu pozwalają na najdokładniejsze jak dotąd testy hipotezy „rozpadu rotacyjnego", gdyż dla żadnego innego rozpadającego się obiektu nie zdołano do tej pory wyznaczyć tempa rotacji. Wnikliwa analiza przeprowadzona przez naukowców wykazała, że cechy obiektu zgadzają się z rozpadem na skutek szybkiego wirowania. Nie powinno to dziwić, gdyż okres rotacji P/2012 F5 jest najkrótszy spośród wszystkich aktywnych planetoid zbadanych pod tym kątem. Znaczna prędkość wirowania może być efektem systematycznego skracania się okresu rotacji w ciągu ostatniego miliona lat, tj. od chwili narodzin P/2012 F5 w rozpadzie większego ciała. Takie zmiany nie są w świecie planetoid niczym nadzwyczajnym – mogą się pojawiać u małych obiektów na skutek niesymetrycznego wypromieniowywania ciepła w tzw. efekcie YORP, albo odparowania pewnej ilości lodu.

Naukowcom udało się wyznaczyć tempo rotacji obiektu dzięki obserwacjom drobnych wahań jego jasności. Takie fluktuacje pojawiają się w naturalny sposób, kiedy nieregularne ciało rotuje wokół własnej osi, odbijając stale zmieniającą się ilość światła słonecznego.

- Jest to bardzo dobrze znana technika, jednak jej zastosowanie do tak słabych obiektów jest wymagające – powiedział Wacław Waniak z Obserwatorium Astronomicznego UJ, który opracował materiał obserwacyjny.

O skali trudności niech świadczy fakt, że badany obiekt to bryła o rozmiarze niecałych 2 kilometrów obserwowana z odległości bagatela 300 milionów kilometrów. A to i tak największa aktywna planetoida z grupy czterech podejrzewanych o rozpad rotacyjny! - Główną trudnością w naszych obserwacjach jest to, że musimy śledzić jasność w krótkich, kilkuminutowych odstępach czasu, co nie pozwala na wykonywanie zdjęć ze zbyt długim czasem ekspozycji. Zamiast tego, potrzebujemy ogromnej powierzchni zbierającej światło, jaką zapewniają jedynie wielkie teleskopy takie jak Keck, gromadzące wystarczająco dużo fotonów w bardzo krótkim czasie – wyjaśnił Waniak. Oprócz monitorowania jasności na krótkich, głównie 3 minutowych ekspozycjach, naukowcy połączyli również cały materiał w jedno zdjęcie, które ujawniło nieznane wcześniej fragmenty obiektu.

Zmiany jasności jądra P/2012 F5 w ciągu dwóch kolejnych cykli rotacji.
Górny panel przedstawia blask w funkcji czasu, natomiast dolny w funkcji fazy rotacji jądra.
© M. Drahus, W. Waniak (OA UJ)

O ile uzyskane przez zespół wyniki mocno przemawiają za rozpadem obiektu na skutek zbyt szybkiej rotacji, inne scenariusze, takie jak kolizyjny, nie są do końca wykluczone. - Efekt naszych badań nie powinien być traktowany jak ścisły dowód na rozpad rotacyjny. Znamy bowiem planetoidy rotujące szybciej niż P/2012 F5, które pomimo to nie rozpadają się na naszych oczach. Istnieje również wiele kosmicznych skał, które wcześniej czy później uderzą w jakąś planetoidę, nie pytając o to, jak szybko rotuje – powiedział Drahus.

Wyniki badań zespołu ukażą się 20 marca br. w najnowszym numerze The Astrophysical Journal Letters. Zostały uzyskane przy finansowym wsparciu Narodowego Centrum Nauki w ramach programu FUGA (nr projektu 2014/12/S/ST9/00426). Opisany projekt stanowi część tematyki badawczej realizowanej w Zakładzie Astronomii Gwiazdowej i Pozagalaktycznej Obserwatorium Astronomicznego UJ.

- Wykorzystujemy do obserwacji teleskopy optyczne i radiowe rozlokowane na całym świecie oraz planujemy wykorzystanie ogromnego potencjału ESO, po przyłączeniu się Polski do tego konsorcjum w najbliższym czasie – powiedział Stanisław Zoła, Dyrektor Instytutu oraz Kierownik Zakładu, w którym przeprowadzono badania.

Teleskopy Kecka w hawajskim obserwatorium na Mauna Kea. W obecnych badaniach wykorzystany został „Keck II" (na dalszym planie),
jeden z dwóch bliźniaków o średnicach lustra głównego 10 metrów (zobacz więcej zdjęć) ©Laurie Hatch

Kontakt:
Michał Drahus
Obserwatorium Astronomiczne UJ
http://www.oa.uj.edu.pl/M.Drahus

Wacław Waniak
Obserwatorium Astronomiczne UJ
0048 12 6238-645
waniak@oa.uj.edu.pl