Актуальність теми. Комети у багатьох людей викликають згадку про якраве, швидкоплинне та дещо загадкове явище. З наукової точки зору комета - небесне фізичне тіло, вигляд та поведінка якого визначається умовами в міжпланетному просторі. Тому вивчення явищ, що виникають в ядрі та атмосфері комети при її наближенні до Сонця, корисне для фізики міжпланетного простору, фізики плазми, фотохімії та фізики низьких температур.

В XX сторіччі комети були об'єктом уваги багатьох вчених, але до цього часу природа деяких явищ, які спостерігаються в кометах, не має остаточної наукової інтерпретації. Так, наприклад, ще не встановлено внаслідок розпаду яких речовин виникають молекули радикалів, що входять до складу газової голови комети. До кінця не вияснено механізми утворення структурних деталей газових та пилових хвостів комет, не відомі причини спалахів яскравості голів комет. Немає одностайності і в уявленнях про склад та властивості кометних порошинок.

Дослідження речовини, що складає ядро комети, потрібне не тільки для розуміння фізичних та хімічних процесів в кометах. Вважають, що речовина протосонячної туманності в первинному вигляді збереглася лише в ядрах комет, які більшу частину свого життя проводять далеко від Сонця. Саме тому вивчення кометної речовини цікаве також і для тих вчених, що вивчають походження та еволюцію Сонячної системи.

Яскрава комета Веста 1976 VI при наближенні до Сонця продемонструвала рідкісні явища. При проходженні кометою перигелію стався множинний розпад ядра комети, а невдовзі після цього спостерігався смугастий пиловий хвіст. Причини та обставини виникнення цих явищ залишаються до кінця не зрозумілими.

Багато надій покладається на безпосереднє вивчення комет з космічних апаратів. Та все ж більш дешевим, завжди доступним, а при раптовій появі яскравої комети і єдино можливим способом досліджень залишаються наземні спостереження комет в широкому діапазоні електромагнітного випромінювання. Серед наземних способів досліджень комет почесне місце займає вивчення та інтерпретація розподілу поверхневої яскравості кометних атмосфер. За допомогою цього методу можна знайти основні характеристики кометної атмосфери та частинок.

Слід вказати, що не дивлячись на широке застосування методу досліджень розподілу поверхневої яскравості пилових хвостів комет за останні роки, для комети Веста він не застосовувався. Таким чином дослідження розподілу поверхневої яскравості хвоста комети Веста дає можливість вперше визначити деякі характеристики пилових частинок, які звільнились в процесі розпаду ядра комети, а також буде корисним для кращого розуміння самого процесу розпаду.

Вивчення розподілу поверхневої яскравості пилових хвостів комет, так само як і багато інших спостережень, широко застосовується вченими для визначення характеристик кометних пилових частинок. Завдяки цим дослідженням та космічній місії до комети Галлея за останні десять років наші уявлення про кометні пилові частинки значно наблизилися до реальності. Використання нових даних про кометні порошинки для інтерпретації наших спостережень допомогло створити більш реалістичну модель розподілу поверхневої яскравості хвоста комети.

Актуальність теми досліджень визначається також неповторністю об'єкта досліджень та його недоступністю для досліджень в наступні декілька тисяч років.

Зв'язок роботи з науковими програмами. Дана робота виконувалась як частина наукових програм та планових тем лабораторії фізики та астрономії низькотемпературних небесних об'єктів ГАО НАН України, зокрема як частина планової науково-дослідної теми № 166 "Дослідження фізичних процесів у кометах з використанням спектроскопії та аналізу зображень".

Мета і задачі дослідження. Метою дисертації є виконання спостережень унікального небесного об'єкта - комети Веста 1976 VI, знаходження розподілу поверхневої яскравості пилового хвоста комети та інтерпретація цього розподілу за допомогою порівняння з модельними обчисленнями поверхневої яскравості.

Для досягнення поставленої мети необхідно розв'язати такі задачі:

Виконати попередні дослідження апаратури для спостережень, щоб знайти необхідні для опрацювання спостережень характеристики апаратури, зокрема розподіл світла в фокальній площині астрофотокамери та спектральне пропускання її об'єктива.

Розробити та запровадити методику абсолютної прив'язки результатів спостережень до використаного при спостереженнях джерела світла. Для цього необхідно співставити яскравість екрану радіолюмінесцентного джерела та стандартного джерела світла, побудувати характеристичну криву для перерахунку почорніння фотоплівки в яскравості, оцінити похибку прив'язки.

Одержати скани фотографічних зображень великої площі, провести їх обробку та візуалізацію, для чого розробити та запровадити програмне забезпечення для автоматизації процесу редукцій спостережень, фільтрації зображень та візуалізації.

Одержати розподіл поверхневої яскравості пилового хвоста комети у вигляді зручному для співставлення з обчисленим.

Розробити програмне забезпечення для обчислень поверхневої яскравості пилового хвоста комети за допомогою заданих параметрів кометних пилових частинок.

Із порівняння знайденого розподілу поверхневої яскравості хвоста комети з модельними розрахунками такого розподілу знайти характеристики пилових частинок, що складають хвіст комети.

Наукова новизна результатів роботи полягає в тому, що:

комета веста поверхнева фотометрія

Вперше детально розроблено та застосовано методику стандартизації астрономічних негативів за допомогою радіолюмінесцентних джерел світла. Застосування цієї методики стандартизації астрономічних негативів дозволяє використати для фотометрії ті спостереження, які не було стандартизовано з тих чи інших причин.

Розроблено та застосовано нове програмне забезпечення для автоматизованої обробки та візуалізації результатів поверхневої фотометрії комет, а, також, для моделювання поверхневої яскравості пилових хвостів комет. Програмне забезпечення дозволяє оперативно отримати результати поверхневої фотометрії будь-якого протяжного небесного об'єкта. Програмне забезпечення для моделювання реалізує модифікований метод розрахунку поверхневої яскравості, що враховує анізотропію викиду пилових часток.

Вперше виконано модельні розрахунки поверхневої яскравості для пилового хвоста комети Веста 1976 VI та отримано основні характеристики пилових частинок, що звільнились в процесі розпаду ядра комети. Результати обчислень свідчать про те, що викиди частинок при активних процесах в ядрі комети є анізотропними, а темп пилоутворення збільшується майже в 10 разів.

Виявлено, що тривалість підвищеного виділення пилу під час активного процесу незначна і становила кілька годин. Один із активних процесів співпадає в часі з визначеним із прямих спостережень моментом розвалу ядра.

Наукова та практична цінність роботи. Комета Веста продемонструвала явища, які спостерігались в дуже небагатьох кометах. Спостереження комети в період цих явищ мають неабияку наукову цінність, яка підсилюється обмеженою кількістю таких спостережень. Можливість виконати стандартизовані вимірювання розподілу поверхневої яскравості кометного хвоста, як виявилося, мав лише автор роботи.

Розроблена методика калібровки та стандартизації за допомогою радіолюмінесцентних джерел світла дозволяє стандартизувати астрономічні негативи навіть у тому випадку, коли під час спостережень процедури калібровки та стандартизації з чомусь не були виконанані. Одержані в процесі стандартизації характеристики радіолюмінесцентних джерел світла були використані іншими науковцями.

Методика визначення поверхневого розподілу яскравості та програми для обробки результатів поверхневої фотометрії були використані як самим автором для обробки спостережень кількох комет, так і іншими астрономами, зокрема для обробки спостережень комет Галлея та Гейла-Боппа.

В результаті моделювання розподілу поверхневої яскравості пилового хвоста комети Веста було знайдено основні характеристики пилових часток, що складали хвіст комети Веста. Програмне забезпечення, розроблене для цього моделювання, може бути використано для моделювання розподілу поверхневої яскравості в хвостах інших комет.

Особистий внесок здобувача. Основні положення дисертації були сформульовані та вирішені автором самостійно. Із 8 робіт, в яких викладено основні положення дисертації, 4 роботи опубліковано самостійно. В роботі присвяченій застосуванню методу попередньої цифрової фільтрації зображень автору належить постановка задачі, застосування методу, виконання всіх необхідних досліджень. В роботі присвяченій поверхневій фотометрії автору належить постановка задачі, розробка методики, виконання всіх необхідних досліджень, застосування методу статистичної оцінки рівня фону фотографічного зображення. В роботах, присвячених моделюванню поверхневої яскравості автору належить застосування методу, участь в розробці програмного забезпечення, участь в обговоренні та аналізі результатів.

На захист виносяться такі основні положення дисертації:

Методика стандартизації астрономічних негативів за допомогою радіолюмінесцентних еталонів яскравості та її застосування для стандартизації фотознімків комети Веста 1976 VI.

Розробка та застосування програмного забезпечення для автоматизованої обробки і візуалізації результатів поверхневої фотометрії.

Розподіл поверхневої яскравості хвостів комети Веста для 5 дат спостережень в абсолютних енергетичних одиницях яскравості.

Розробка та застосування алгоритмів обчислення поверхневої яскравості пилових кометних хвостів для заданої моделі хвоста.

Розрахунки поверхневої яскравості синхронних смуг хвоста комети Веста в результаті яких було знайдено розподіл кометних часток по розмірам, темп пилоутворення ядер та швидкість пилових часток.

Нова інформація про параметри кометних пилинок, що спостерігалися в кометі Веста під час активних процесів.

Апробація роботи. Основні результати досліджень, які включено до дисертації доповідались на наукових семінарах відділу експериментальної астрофізики Головної астрономічної обсерваторії НАН України; астрофізичних семінарах "Фізика тіл Сонячної системи"; на Всесоюзних нарадах по фізиці та динаміці комет (м. Душанбе, 1981; м. Київ, 1983, м. Чернігів, 1988 р.); Третіх Всехсвятських читаннях, 1995 р., м. Київ; на Міжнародній конференції по дослідженню комет, 1982 р., (м. Будапешт) та Міжнародній конференції КАММАК, 1999 р., (м. Вінниця).

Публікації. Основні результати роботи опубліковані в 8 друкованих роботах.

Обсяг та структура дисертації. Дисертація складається із вступу, п'яти розділів, заключної частини, списку цитованої літератури (123 найменувань) та додатку. Обсяг дисертації складає 149 сторінок, включаючи 26 малюнків та 4 таблиці, а також 5 сторінок додатку до дисертації.

Основний зміст роботи

У вступі обґрунтовано актуальність обраної теми досліджень, сформульовано мету та задачі дисертації, вказано наукову новизну отриманих результатів та практичну цінність роботи, дано перелік опублікованих робіт, в яких викладено основний зміст дисертації.

У першому розділі наведено огляд робіт, що стосуються засобів та методики поверхневої фотометрії, зв'язку поверхневої яскравості та розподілу речовини в атмосферах комет. Окремо розглянуто зв'язок поверхневої яскравості і розподілу речовини в газових та пилових хвостах комет. Остання частина огляду присвячена роботам з моделювання поверхневої яскравості комет. В ній зокрема детально розглянуто та проаналізовано найновіші роботи італійських вчених. В кінці огляду наводяться висновки з огляду літератури та сформульовано основні вимоги до спостережень для отримання розподілу поверхневої яскравості в хвостах комет.

У другому розділі виконано необхідні попередні дослідження для проведення поверхневої фотометрії хвоста комети Веста. Описано методику досліджень та експерименти, виконані для знаходження світлорозподілу в фокальній площині астрофотокамери АФУ-75 та спектрального пропускання її об'єктива. Встановлено, що освітленість на краю корисного поля зору камери падає на 10% відносно освітленості в оптичному центрі кадру камери. Знайдено залежність освітленості на фокальній площині від віддалі до оптичного центру. Ця залежність в слідуючому розділі використана для внесення відповідної фотометричної редукції до шуканого розподілу яскравості.

Описано методику калібрування та стандартизації астрономічних негативів за допомогою радіолюмінесцентних джерел світла та експерименти, здійснені для визначення яскравості джерел. Для підвищення надійності стандартизації яскравість радіолюмінесцентних джерел світла визначено із двох незалежних вимірювань: візуальних та спектрометричних. Наводяться дані про освітленості, що їх створює прилад для калібрування, створений на основі радіолюмінесцентного джерела світла, на поверхні фотоемульсії каліброваного астронегативу. В результаті виконаних досліджень побудовано характеристичну криву для перетворення почорніння фотоемульсії в яскравість ділянки небесного тіла. В наступному розділі ця крива буде використана для фотографічної поверхневої фотометрії хвоста комети Веста. Приведено оцінку точності процедури калібрування та стандартизації за пропонованою методикою. Виявилося, що точність запропонованої нами процедури близька до звичайної точності фотографічної фотометрії. Висновки розділу стверджують придатність одержаного фотометричного матеріалу для знаходження поверхневого розподілу яскравості пилового хвоста комети Веста 1976 VI.

У третьому розділі розглянуто результати спостережень комети Веста, які будуть використані у слідуючих розділах. В першій частині розділу розглянуто та обговорено опубліковані результати спостережень комети Веста. Звернуто увагу на недостатність спостережень поверхневої яскравості цієї комети та зібрано дані, що характеризують структуру пилового хвоста комети і пилові частинки, викинуті кометою. Проаналізовано дані, одержані у всіх діапазонах електромагнітного випромінювання, що дають інформацію про кометні порошинки комети Веста. Вибрано дані, які будуть використані для моделювання поверхневої яскравості пилового хвоста комети Веста.

У наступних частинах розділу повідомляється про спостереження комети Веста, їх фотометрію та обробку результатів поверхневої фотометрії для одержання розподілу яскравості хвоста комети.

Наводяться результати досліджень структури пилового хвоста комети. Як виявилося, пиловий хвіст комети під час спостережень складався з п'яти яскравих смуг, що утворилися внаслідок підвищеного виділення пилу ядром комети. Аналіз розташування цих смуг на площині кометної орбіти дозволив встановити моменти утворення смуг та зв'язати ці моменти з активними процесами, що спостерігалися у ядрі комети. Результати отожнення моментів утворення синхронних смуг порівняно з результатами інших авторів і знайдено, що результати задовільно співпадають. Також встановлено, що момент утворення однієї із смуг співпадає з вторинним розпадом ядра, а іншої - з спалахом яскравості в перигелії.

Описано процедуру врахування редукцій фотографічної фотометрії для хвоста комети Веста та алгоритми програм обчислень цих редукцій. Наведено опис алгоритму попередньої фільтрації фотометрованого зображення та повідомляється про результати його застосування. Застосування медіанного двовимірного фільтру для попередньої фільтрації зображення дозволяє більше ніж у два рази поліпшити співвідношення сигнал-шум для оцифрованого зображення. Внаслідок цього на фільтрованому зображенні з'являються деталі структури, які "тонуть" в шумах на нефільтрованому зображенні. Застосування медіанного фільтру з вибраною апертурою дозволяє позбутися дрібних дефектів зображення та усунути частину зображень зірок поля. Висновки розділу узагальнюють результати опрацювання спостережного матеріалу і особливості застосованих методик фільтрації зображень та фотометричних редукцій.

У четвертому розділі описано метод розрахунку поверхневої яскравості заданої ділянки кометного хвоста з використанням функціональних параметрів, які характеризують сукупність порошинок комети. До цих функціональних параметрів відносяться розподіл порошинок по розмірам, темп пилоутворення ядра та кінцева швидкість, яку набувають порошинки, покидаючи зону взаємодії з газом.

Метод розрахунку опирається на класичний метод Фінсона-Пробстейна в основі якого лежить уявлення про пиловий хвіст як сукупність великого числа сферичних оболонок, на поверхні яких лежать частинки, викинуті з області взаємодії порошинок з газовою компонентою голови комети з одинаковим прискоренням в один і той же момент часу. Розрахунок виконується для точки хвоста, координати якої можна однозначно зв'язати з центром такої сфери через розмір порошинки та момент її викиду. Цей зв'язок дозволяє знайти залежність поверхневої яскравості в заданній точці від вищезгаданих функціональних параметрів, які в свою чергу є функціями розміру порошинки та моменту її викиду. Таким чином, використовуючи знайдену залежність, можна розраховувати поверхневу яскравість хвоста комети в конкретній точці для заданого набору функціональних параметрів.

Класичний метод розрахунку модифіковано для випадку анізотропного викиду пилових частинок з області взаємодії. При цьому розглядається осесиметричний викид, з віссю симетрії спрямованою на Сонце, хоча метод розрахунку можна поширити і на більш загальний випадок. Показано, що для наших спостережень ідеалізований класичний метод потрібно застосовувати з деякими уточненнями. Ці уточнення полягають у врахуванні додаткового, коріолісового повороту осі симетрії оболонки. В той же час припливною деформацією оболонок можна знехтувати виходячи з незначного віку оболонок.

У другій частині розділу детально описано алгоритм обчислень поверхневої яскравості та допоміжних обчислень, на основі якого створено програму для ЕОМ.

Висновки розділу підсумовують розробку методу обчислень поверхневої яскравості для заданого набору функціональних параметрів в даній точці кометного хвоста, та вказують на переваги описаного методу в порівнянні з класичним.

У п'ятому розділі наведено результати обчислень поверхневої яскравості ділянок кометного хвоста та значення функціональних параметрів, які характеризують сукупність кометних пилових частинок і найкращим чином підходять для цих обчислень.

Початок розділу присвячено визначенню, опису та збору значень функціональних параметрів для порівняння з результатами наших досліджень. В розділі розроблено план оптимального пошуку модельних параметрів, що визначають яскравість ділянок хвоста. План полягав у використанні неодинакової залежності поверхневої яскравості кометного хвоста від функціональних параметрів. Спочатку, зафіксувавши два інших параметри і змінюючи розподіл порошинок по розмірам, ми добились співпадання ходу залежності розрахованої поверхневої яскравості від розміру порошинки з залежністю від розміру порошинки поверхневої яскравості, виміряної в синхронній смузі на одному із знімків комети Веста. Після досягнення такого співпадання для всіх смуг, ми по черзі підібрали два інших функціональні параметри, фіксуючи вже підібрані параметри та добиваючись мінімального відхилення вказаних залежностей. Значення другого по силі дії параметра уточнили по знімку комети, одержаному через кілька хвилин після першого, а найслабшого параметра - по знімку, одержаному через кілька днів.

Далі в розділі повідомляються результати порівняння розрахованої та виміряної поверхневої яскравості ділянок кометного хвоста та значення трьох функціональних параметрів для моделі, що дає найкращі результати порівняння. Таким чином було знайдені розподіл кометних частинок за розмірами, темп пилоутворення ядра та кінцева швидкість кометних порошинок. Для розрахунків поверхневої яскравості було використано як ізотропну, так і анізотропну модель викиду пилинок з області взаємодії, і для кожної з цих моделей знайдено набір функціональних параметрів, що дає найкращі результати порівняння розрахованої та виміряної поверхневої яскравості. Співставлення значень знайдених функціональних параметрів з їх опублікованими значеннями визначило перевагу анізотропної моделі викиду. В результаті підбору параметрів анізотропної моделі знайдено, що кожний активний процес в ядрі комети, що утворив смуги в хвості комети, мав свою ступінь анізотропії викиду. З допомогою підібраних значень швидкості викиду порошинок знайдено тривалість викиду пилу під час активних процесів у ядрі.

У висновках сформульовані основні результати дисертаційної роботи.

У додатку А приведені ізофоти зображень кометних хвостів по знімках, для яких у третьому розділі була виконана поверхнева фотометрія.

Висновки та результати дисертації