Az üstökös jég olyan fagyott gázok gyűjteménye, amelyek a porral együtt az üstökös magját alkotják . Az üstökösjég összetételére vonatkozó modern ismeretek elsősorban a kómával kapcsolatos számos tanulmányon alapulnak, amely a jég szublimációja miatt alakul ki , amikor egy üstökös közeledik a Naphoz. Néhány fontos információ azonban az űrmissziókból származik. Kétségtelen, hogy az üstökösjég fő összetevője a vízjég . További jelentős összetevők a CO és CO 2 jég .
Ami az üstökösmagban lévő anyagok arányát illeti, modellezéssel 1:1:1 tömegarányt találtak a szilikátanyagra , a szerves anyagokra és a jégre [1] . A „porosnak” tekintett Churyumov-Gerasimenko üstökös esetében a kibocsátott por és a gáz mért aránya megközelítőleg 4:1 tömegarány [2] . A Halley-üstökös esetében a Giotto űrszondához közeledve a por és a gáz tömegének aránya körülbelül 2:1 volt [3] ; sok más üstökös esetében hasonló vagy valamivel nagyobb értékeket kaptak [4] .
Az emberiség évezredek óta figyeli az üstökösöket, de ez idő nagy részében semmit sem tudott a természetükről. A 18. században egyes tudósok helyes következtetéseket vontak le az üstökösök összetételéről. 1755-ben Immanuel Kant azt javasolta, hogy az üstökösök néhány illékony anyagból állnak, amelyek elpárologtatása a perihélium közelében izzáshoz vezet [5] . 1950-ben Whipple egy jégkonglomerátum modellt javasolt az üstökösmag szerkezetére, amely szerint az atommag jég és nem illékony komponensek konglomerátuma [6] . Ezt a modellt számos megfigyelési bizonyíték támasztja alá [7] .
Az üstökösjég összetételével kapcsolatos modern ismeretek főként a kómával kapcsolatos számos tanulmányon alapulnak, amely a jég szublimációja következtében alakul ki, amikor egy üstökös közeledik a Naphoz. Az atommag felszínének űrhajókkal végzett közvetlen vizsgálata korlátozott számuk és a különféle kutatási módszerek miatt. Ezért az üstökösök diverzitásának statisztikai megközelítést igénylő vizsgálata csak távoli megfigyelési programokkal valósítható meg [8] .
A megfigyelések során a kómák rögzítik a gyermek- és szülőmolekulákat . A leánymolekulák a szülőmolekulák fotodisszociációjával jönnek létre , és az utóbbiak közvetlenül a magból szabadulnak fel. A leggyakoribb szülőmolekula a H 2 O , melynek disszociációs termékei a legtöbb esetben H + OH, ritkábban pedig H 2 + O [9] . A H 2 O + gyök kialakulása a vízmolekula fotodisszociációjával is magyarázható [10] . További szülőmolekulák a CO , CO 2 , CH 4 , NH 3 , HCN , H 2 CO , H 2 S , a leánymolekulák pedig a CN, CS, CO (ami, úgy tűnik, lehet szülő és gyermek is). A leánymolekulák és gyökök főleg a spektrum látható és ultraibolya részein mutathatók ki, míg a szülőmolekulák jobban kimutathatók infravörös és milliméteres spektroszkópiával [11] .
Az űrkorszaki technológia fejlődésével lehetővé vált az üstökösök vizsgálata a Föld légkörén kívül. Az első űrszonda, amely az üstökös felderítését végezte, az International Cometary Explorer volt . 1985. szeptember 11-én átrepült a 21P/Giacobini-Zinner üstökös farkán, és tanulmányozta azokat a mágneses mezőket , amelyek akkor keletkeznek, amikor az üstökös kölcsönhatásba lép a napszéllel [12] . Ezt követték a Halley-üstökös vizsgálatai 1986-ban a „Vega-1”, „Vega-2” , Giotto, Suisei, Sakigake készülékek által. Ezek az eszközök megmérték a mag tömegét és méretét, és megállapították, hogy a magot nem illékony fekete poros anyag borítja, és csak egy kis részét borítja jég. Ezek a készülékek az üstökös porszemcséit – összetételüket és méretüket – tanulmányozták [13] [14] [15] [16] . A NASA Deep Impact küldetése 2005-ben megpróbálta tanulmányozni a 9P/Tempel üstökös belső összetételét . Az ütközőeszköz ütközött az üstökös magjával, kráter keletkezett, és az üstökös kérge alatt megbúvó anyag szabadult fel. A vizsgálat kimutatta, hogy az üstökös kémiai összetétele heterogén, az érintkezés előtt csak kis jégfoltok voltak a felszínen. Az ütközést követő első két másodperc után a felszabaduló anyag kis vízjégkristályokat, nagy mennyiségű CO 2 -t és nagyon nagy mennyiségű szerves anyagot tartalmazott. A szén-dioxid-jég jelentősége az üstökösökben található szén-monoxid-jéggel kapcsolatban az egyik jelentős felfedezés a küldetés során [17] . A mag térfogatsűrűsége olyan alacsony (becslések szerint 0,6 g/cm³), hogy az egész magnak nagyon porózusnak kell lennie [18] . A következő jelentős üstökösküldetés a Rosetta , amely a 67P/Chyuryumov-Gerasimenko rövid periódusú üstököst tanulmányozta . Ennek az üstökösnek a magjának térfogatsűrűsége is alacsony, ≈ 0,5 g/cm 3 [2] . A Rosetta nem talált jégfoltokat a felszínen. A felszín alatt elrejtve a jég túlnyomórészt kristályos formában van. Ez azt jelenti, hogy a protoszoláris ködben keletkezett üstökös tehát egyidős a Naprendszerével. Ezeket az eredményeket a Rosetta űrszonda fedélzetén lévő Rosina eszközök adatainak elemzésével kaptuk. A Rosina tömegspektrométernek köszönhetően 2014 októberében először mérték meg a molekuláris nitrogén (N 2 ), a szén-monoxid (CO) és az argon (Ar) mennyiségét üstökösjégben [19] .
Az üstökösjég fő alkotóeleme a vízjég . A Halley-üstökös kómájának űrhajóval történő megfigyelése és a kiegészített földi megfigyelések lehetővé tették az üstökös jég összetételének meghatározását: 80% - H 2 O, 10% - CO , 3,5% - CO 2 a számot tekintve a molekulákból. A többi jég CH 4 , NH 3 , H 2 CO , CH 3 OH és más szén- és nitrogénvegyületek. Fontos részlet az a bizonyíték, hogy a vízmolekulák egy része valószínűleg kémiai kombinációban van jelen sziklás és széntartalmú anyagokkal, például hidroxilvízzel . Az is lehetséges, hogy a klatrátok különböző jeges anyagok arányában vannak jelen , ahol az egyik anyag egy másik kristályszerkezetében csapdába esik. Különösen a vízjég kellően nyitott kristályszerkezete könnyen körülveszi más fagyott anyagok molekuláit, mint például a CO [20] [21] [4] .
11, rövid és hosszú periódusú üstökös vízgőzének elemzése kimutatta, hogy az izotóp - összetétel jelentősen eltér a szárazföldi víz összetételétől. A Földön három deutérium (D) atom jut minden 10 000 vízmolekulára , és körülbelül háromszor annyi a fagyott „ nehézvíz ” üstökösén. Csak a Hartley-2 üstökös vízgőzében van a Föld óceánjaihoz hasonló mennyiségű deutérium [22] . Az üstökös vízjég izotópos összetételének kérdése felkelti a figyelmet, tekintettel az összetett szerves vegyületek üstökös eredetére vonatkozó elméletre, amelyből a Földön később élet alakult ki [23] . Ha csak a D/H arányt vesszük figyelembe, akkor a föld vizének akár 50%-ának eredetét is lehetővé teszi. Ha azonban figyelembe vesszük az üstökösanyag túlzott argon- , nemesfém- és nemesgáz -tartalmát , akkor az üstökösök számított hozzájárulása a Föld vizéhez kevesebb, mint 1% [24] .
Körülbelül 3 órai távolságban. Vagyis ≈160-170 K felszíni hőmérsékleten a vízjég szublimációja kezd jelentőssé válni az üstökösmag számára [25] , és a legközelebbi távolságokban dominál. Az üstököstevékenység azonban sokkal nagyobb távolságból figyelhető meg. Az atommag körüli halóból származó jégszemcsék szublimációja megmagyarázhatja a távoli üstököstevékenység tipikus fejlődését. A Hale-Bopp-üstökös egyéb szerves molekuláinak OH , HCN , CH 3 OH , H 2 CO és H 2 S emissziójának fő forrása is lehet 3-6 AU távolságra. e) A HCN és CO 2 kibocsátás lényegesen alacsonyabb, mint a távoli üstökösök CO -kibocsátása. A CO-vonalak megfigyelt keskeny profilja azt jelzi, hogy a gáz nukleáris eredete ≈4 AU-n kívül esik. e. [26] Mivel a CO-jégszublimáció hőmérséklete 24 K, ez 5 AU-nál nagyobb távolságokon is lehetséges. e. [27]
A modellezési tanulmányok azonban azt mutatják, hogy a távoli üstököstevékenység legjobb forrása az amorf vízjég , amelyet vékony porózus porköpeny borít, és kis mennyiségű CO- és CO2 - molekulák csapódnak le . ≈4-7 a távolságban. Vagyis az üstökösmag felszíne közelében az amorf vízjég exoterm módon (energia felszabadulásával) kristályos jéggé alakul , és csapdába esett gázokat és port szabadít fel [26] . Az üstökös jég kezdetben meglehetősen amorf, mivel a dinamikus evolúció a Naptól távol kezdődött, és kristályos jéggé alakul a Naprendszer belső zónáiban . Ezenkívül meg kell jegyezni, hogy ha az üstökösmag forgástengelye merőleges az ekliptika síkjára , akkor mindkét aktivitási mechanizmus (a CO fázisátalakulása és szublimációja) maximalizálódik [28] .
Egy másik folyamat megy végbe az amorf jégben, amely ≈37 K-től kezdődik, és addig tart, amíg a fázisátalakulás 120 K-nál meg nem kezdődik. Az amorf jég izzadásáról beszélünk . Új üstökösök aktivitása ≈11 AU-t meghaladó távolságban. e. csak az amorf jég lágyulásával magyarázható, és az új üstökösök tevékenysége ≈7-11 a.u. távolságra. Azaz valószínűleg a vízjég lágyulása és amorf-kristályos fázisátalakulása a felelős, a mag albedójától , a forgási sebességtől és a termikus paraméterektől függően. Az izzítás során a vízmolekulák átrendeződnek, hogy kedvezőbb, alacsonyabb energiájú konfigurációkat találjanak, és ilyenkor csökken a porozitás, és a felesleges molekulák elszállnak. Az izzítás aktiválási energiája <10 kJ/mol, a fázisátalakulásnál pedig 44 ± 2 kJ/mol [29] . A szén-monoxid kibocsátásának legnagyobb távolsága 14 a.u. azaz a Hale-Bopp üstökös magjából [30] .