Výzkumy v ASU AV ČR (73): Analýza spektra bolidu Benešov

Již z prvního vyhodnocení celooblohových snímků, získaných ještě starou fotografickou metodou, bylo zřejmé, že z bolidu, jehož vrcholová jasnost přesáhla hodnotu –19,5 magnitudy a jež za letu několikrát explodoval, musely dopadnou zbytky až na zemský povrch. Ve vypočtené dopadové oblasti však nebylo nalezeno vůbec nic. Tento zjevný neúspěch však astronomům z Oddělení meziplanetární hmoty ASU nedal spát a tak o téměř dvě desítky let později znovu analyzovali snímky z celooblohových kamer a znovu vypočetli očekávanou dopadovou oblast s pomocí zdokonalené metody. Přestože se obě oblasti lišily jen o několik stovek metrů, tento rozdíl se ukázal jako zásadní. V únoru 2011 byla opětovná snaha korunována úspěchem a bylo nalezeno několik meteoritů pocházejících z pádu před dvaceti lety (viz Tisková zpráva z 14. 10. 2014). Zajímavostí bylo, že každý z úlomků svědčil o jiné taxonomické třídě původního tělesa. Nešlo o chybu, meteoroid Benešov byl skutečně slepencem různých minerálů, téměř jistě tedy toto těleso prodělalo v minulosti alespoň jednu srážku s tělesem jiným. Smíšené složení podporuje hypotézu, že určitá část planetek není kompaktními tělesy, ale spíše létajícími hromadami suti (rubble-pile).

Kromě snímků z celooblohových kamer byl při průletu pořízen i záznam průletového spektra hned ze dvou spektrografů. Spektra přinášejí zcela unikátní informaci o interakci těles a zemské atmosféry během průletu v silně nadzvukovém režimu a také indicie o chemickém složení tělesa, nezávisle na studiu nalezených pozůstatků.

Původní záznam byl pořízen na fotografickou desku a také studován již v minulosti, ale vzhledem k obtížím při digitalizaci záznamu starší technikou se autoři omezili „jen“ na studium atomických čar. Technické obtíže pocházely především ze značného zčernání desky, a to jak vlivem velké jasnosti bolidu, tak i skutečnosti, že musela být použita deska prošlá (po expiraci), neboť nebyly k dispozici fotografické desky nové. Za dvě desítky let však digitalizační technika značně pokročila, a tak bylo možné znovu oskenovat obě fotografické desky ve vysokém rozlišení 2540 DPI a s velkým dynamickým rozsahem (12bitovou hloubkou). Spektrum bylo kalibrováno a proměřeno standardními metodami.

Ve spektrech nalezneme především spektrální čáry kovů, jako železa, hořčíku, sodíku, vápníku, manganu nebo chromu, ty však byly analyzovány již dříve. Zde je asi dobré podotknout, že ze spekter sice lze odhadnout chemické složení prolétajícího tělesa, ale jejich interpretace má několik úskalí. Komplikace pramení především z toho, že ablace meteoroidu může mít několik forem. Třením o atmosféru se povrch tělesa taví a tavenina se posléze odpařuje. Část hmoty může být ztracena i v kapalném skupenství, odskakováním kapek taveniny. Obecně vzato jsou těkavé prvky (jako sodík, draslík nebo síra) odpařeny při nižších teplotách než silikátová část (ta obsahuje především křemík, hořčík a železo), zatímco těžko tavitelná část (obsahující např. hliník, vápník a titan) potřebuje k odpaření velmi vysoké teploty, působící po dlouhou dobu. Část materiálu může být vaporizována i v molekulární formě, ale molekuly se mohou tvořit i druhotně, interakcí atomů odpařených z meteoru s okolním vzduchem. Atomická spektra tedy mohou podávat zkreslenou informaci o chemickém složení. Navíc vyhodnocování obvykle předpokládá, že se zářící plazma nachází v termodynamické rovnováze, což je nejspíš v pořádku pro těsnou kolizní vrstvičku nad povrchem tělesa, ale téměř jistě nedostatečné přiblížení pro dění v chladnoucím plynu za tělesem, jenž k pořízenému spektru také přispívá.

Jiří Borovička z ASU s kolegou Alexejem Berežným z Moskevské státní univerzity se tentokrát zaměřil na studium vibračních a rotačních pásů molekul, jež jsou ve spektru bolidu Benešov též dobře patrné.

Z molekul zanechaly ve spektru nejvýraznější otisky monoxidy železa, hořčíku, vápníku a hliníku. Zatímco pásy oxidu železnatého jsou běžné i ve spektrech jiných bolidů, monoxidy zbývajících zmíněných kovů jsou ve spektru Benešova unikátní. Tvar a hloubka rotačních a vibračních pásů patrných molekul byly porovnávány  se syntetickými spektry těchto sloučenin vypočtenými z matematických modelů a pak se spektry laboratorními. Mimo jiné bylo cílem získat odhad na teploty a sloupcové hustoty zmíněných komponent odpařeného plazmatu v závislosti na výšce.

Z analýzy vyplývá několik zajímavých skutečností. Oxid železnatý FeO se ve spektru vyskytoval po celou dobu letu. Ve velkých výškách se nejspíše přímo odpařoval s povrchu tělesa, hlouběji však tato molekula vzniká převážně reakcí atomů železa s atmosférickým kyslíkem. Oxid vápenatý CaO naopak ve velkých výškách přítomen nebyl, jeho čáry sílily až s průnikem tělesa hlouběji. Podobně se chovaly i čáry atomického vápníku. Vápník patří mezi obtížně tavitelné prvky, proto není pozorované chování příliš velkým překvapením. Pásy CaO tedy pocházejí z interakce vápníku s okolním vzduchem.

Oxid hlinečnatý AlO byl ve spektru Benešova identifikován jednoznačně. Vzhledem k tomu, že i hliník patří mezi obtížně tavitelné materiály, očekávalo by se chování jeho čar v závislosti na výšce podobné jako v případě CaO. Nebyl to však ten případ, přinejmenším ne ve výšce menší než 50 km. Podrobnější výpočty ukázaly, že toto chování lze očekávat při teplotách okolo 3700 K. Jde tedy o nepřímý odhad teploty chladnoucího plynu. Svou roli ale zřejmě hrají i nerovnovážné efekty. Tuto hypotézu potvrzuje i nečekaně malá jasnost pásů oxidu hořečnatého MgO a rozdíly mezi odhadnutými rotačními (1000 K) a vibračními (3000 K) teplotami molekuly AlO.

Celkově lze z molekulárních spekter při započtení nerovnovážných jevů odhadnout teplotu v ionizační brázdě bolidu Benešov na přibližně 3500 K. Zřejmě i proto nebyly odhaleny stopy po oxidu titanatém TiO, jehož formační teplota přesahuje hodnotu 4000 K a po němž autoři také pátrali. V pozorování lze dále vyloučit významnou přítomnost kyanového radikálu CN a naopak usoudit na přítomnost molekulárního dusíku N2. Spektrum bolidu Benešov se tedy zdá více než vhodným k odhadu chemického složení prolétajícího tělesa, jemuž se autoři slibují věnovat ve své budoucí práci.

REFERENCE

Borovička, J.; Berezhnoy, A. A., Radiation of molecules in Benešov bolide spectra, Icarus 278 (2016), 248-265

KONTAKT

RNDr. Jiří Borovička, CSc.
Oddělení meziplanetární hmoty Astronomického ústavu AV ČR
Email: jiri.borovicka@asu.cas.cz

Zdroje a doporučené odkazy:
[1] Oddělení meziplanetární hmoty ASU

Převzato: Astronomický ústav AV ČR, v.v.i.