Властивості розсіяного випромінювання малих тіл Сонячної системи

Размещено на http://www.allbest.ru/

Національна академія наук України

Головна астрономічна обсерваторія

УДК 523.4+523.44+523.64

Властивості розсіяного випромінювання малих тіл Сонячної системи

01.03.03 - Геліофізика і фізика Сонячної системи

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня доктора фізико-математичних наук

Розенбуш Віра Калениківна

Київ 2007

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Головній астрономічній обсерваторії Національної академії наук України, м. Київ.

Офіційні опоненти: доктор фізико-математичних наук Ксанфомаліті Леонід Васильович, Інститут космічних досліджень РАН, Росія, завідувач лабораторії;

доктор фізико-математичних наук, професор Вощинніков Микола Васильович, Науково-дослідний астрономічний інститут імені В.В. Соболєва Санкт-Петербурзького державного університету, Росія, професор кафедри астрофізики;

доктор фізико-математичних наук, професор Кручиненко Віталій Григорович, Науково-дослідна лабораторія “Астрономічна обсерваторія” кафедри астрономії та фізики космосу фізичного факультету Київського національного університету імені Тараса Шевченка, професор кафедри.

Провідна установа: Науково-дослідний інститут “Кримська астрофізична обсерваторія” Міністерства освіти і науки України, с. Наукове, АР Крим.

Захист відбудеться 19 квітня 2007 р. на засіданні Спеціалізованої вченої ради

Д 26.208.01 при Головній астрономічній обсерваторії НАН України за адресою: ГАО НАН України, 03680 МСП, м. Київ, вул. Академіка Заболотного, 27. Початок засідань о 10 годині.

З дисертацією можна ознайомитися у бібліотеці ГАО НАН України за адресою: ГАО НАН України, 03680 МСП, м. Київ, вул. Академіка Заболотного, 27.

Автореферат розісланий 16 березня 2007 р.

Вчений секретар Спеціалізованої вченої ради кандидат фізико-математичних наук Васильєва І.Е.

випромінювання розсіювання оптичний сонячний

ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Дисертація присвячена вивченню оптичних властивостей вибраних об'єктів трьох популяцій малих тіл Сонячної системи - комет, астероїдів і супутників планет, які, не зважаючи на різну фізичну природу, демонструють багато спільних закономірностей у властивостях розсіяного випромінювання. Предметом дослідження є пилова (тугоплавка) компонента малих тіл Сонячної системи, а саме пилові частинки в атмосферах комет і реголіт на поверхнях безатмосферних космічних тіл (БКТ).

Актуальність теми. Наші уявлення про речовину поверхневого шару БКТ і кометних частинок, зокрема, про розміри, структуру і хіміко-мінералогічний склад, отримуються з аналізу яскравісних і поляризаційних характеристик та їхніх спектральних залежностей. Перехід від спостережних властивостей розсіяного випромінювання - інтенсивності, кольору, стану поляризації - до фізичних властивостей розсіючого середовища і, власне, характеристик небесних тіл, неоднозначний. Проблема полягає не тільки у відсутності адекватних теоретичних механізмів розсіяння світла і відповідних моделей, але й у відсутності спостережних даних, які всебічно характеризують такі спостережні явища як від'ємна поляризація випромінювання, кругова поляризація, фотометричні і поляриметричні опозиційні явища та інші ефекти. Саме тому створення надійної спостережної бази і розвиток на її основі теорії розсіяння світла все ще залишаються ключовими як у визначенні фізичних властивостей конкретних об'єктів, так і у вирішенні фундаментальних проблем походження й еволюції малих тіл Сонячної системи.

Протягом останніх десятиліть у розумінні природи розсіяного випромінювання БКТ і комет спостерігався суттєвий прогрес як у теоретичному, так і в експериментальному напрямках, однак важливі питання, які становлять значний науковий та прикладний інтерес, залишались недостатньо вивченими. Деякі з них стали предметом дослідження даної дисертаційної роботи:

· Зусиллями багатьох дослідників у 6080-ті роки минулого століття накопичено значний спостережний матеріал про фазові, спектральні та довготні залежності блиску і поляризації випромінювання комет, астероїдів і супутників планет. Разом з тим, значні прогалини в даних були як на малих (_??3), так і на великих фазових кутах (_??30 для астероїдів і _??80 для комет). Для інтерпретації фазових залежностей поляризації (ФЗП) і блиску (ФЗБ) був запропонований ряд фізичних механізмів розсіяння світла. Однак, отримати задовільне кількісне і навіть якісне узгодження зі спостережними даними до сих пір не вдається. Для перевірки моделей, уточнення і розробки нових механізмів необхідно було отримати принципово нові дані в широкому діапазоні фазових кутів і довжин хвиль для різного класу об'єктів.

· Теоретична інтерпретація виникнення фотометричного опозиційного ефекту (ФОЕ) і від'ємної поляризації розсіяного світла поверхнями БКТ і полідисперсними середовищами на початку 90-х років ХХ ст. не була однозначною. Досить сказати, що для пояснення фазової кривої від'ємної поляризації БКТ пропонувалося більше десяти різних механізмів [66]. Тривалий час ФОЕ пояснювався взаємним затіненням частинок або елементів поверхні. Подальші теоретичні і лабораторні дослідження показали, що когерентне підсилення зворотного розсіяння на шорстких поверхнях може бути причиною появи сильного і вузького опозиційного піку яскравості. Більше того, у рамках цього механізму було показано, що опозиційний ефект (ОЕ) яскравості повинен супроводжуватися поляризаційним опозиційним ефектом (ПОЕ) у вигляді вузького мінімуму від'ємної поляризації біля опозиції [63]. Виявлення вторинного мінімуму поляризації на малих фазових кутах, насамперед у високоальбедних об'єктів, могло б підтвердити ефективність цього механізму розсіяння світла астрономічними об'єктами і дати інформацію про склад, розміри і структуру розсіювачів.

· Фотометричні дослідження виявили неоднаковість хімічного складу комет і його зв'язок з місцями утворення [54]. Неоднаковість комет може проявитися також у різних властивостях пилу, у тому числі і в поляризації відбитого світла. За максимальним ступенем поляризації інтегрального випромінювання комети поділяються на два класи. У роботі [51] було показано, що на підставі цієї спостережної відмінності неможливо зробити однозначний висновок про реальність існування двох груп комет з різними фізичними властивостями частинок. Отже, проблема таксономії комет з урахуванням їхніх поляризаційних властивостей залишалася невирішеною.

· Адекватні механізми розсіяння світла пиловими частинками комет повинні враховувати не тільки склад, розміри і структуру, але також форму й орієнтацію пилинок. На початок наших досліджень із шести комет тільки в одній кометі 1Р/Галлей була зареєстрована кругова поляризація, причому з досить низькою точністю (у середньому Р_с??0.5_??0.15% [56]). Тому було зовсім неочевидно, чи у всіх комет виникає кругова поляризація, а якщо ні, то за яких умов. Реєстрація кругової поляризації випромінювання комет з високою точністю, отримання її просторового розподілу по комі і встановлення фазової залежності могли б дати поштовх до розвитку механізмів виникнення її в кометах і дослідження механізмів орієнтації частинок.

· Побудова моделі кометних ядер залишається важливою, але до сих пір невирішеною проблемою фізики комет. Один із аспектів цієї проблеми однорідність внутрішнього складу ядер комет має відношення не тільки до фізичних властивостей комет і їхнього походження, але і до проблеми астероїдно-кометної небезпеки. Неоднорідність внутрішнього складу ядер комет і зв'язана з цим часткова фрагментація або повна дезінтеграція ядер можуть бути причиною нестаціонарних процесів у кометах і викликати зміни параметрів поляризованого випромінювання. Випадки вимірювання параметрів поляризації розсіяного випромінювання під час розпаду ядер надзвичайно рідкісні, хоча це один із прямих методів вивчення властивостей пилу внутрішніх областей ядер комет.

Перераховані вище деякі проблеми і задачі дослідження трьох популяцій малих тіл Сонячної системи взаємопов'язані, тому що мова йде про вивчення оптичних властивостей космічного пилу, який відіграє важливу роль в утворенні й еволюції генетично зв'язаних об'єктів. Такі дослідження необхідні для побудови фізичних і космогонічних моделей досліджуваних об'єктів. Усе це визначає актуальність теми дослідження.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Робота виконувалася в рамках програм фундаментальних досліджень, що проводилися в ГАО НАН України, а саме: “Порівняльне вивчення фізичних і динамічних властивостей малих тіл Сонячної системи” (№ держ. реєстрації 01.88.0015064); “Астероїди в навколоземному просторі” (шифр 1.4.6.131); “Вивчення астероїдів з особливими фізичними і динамічними характеристиками” (№ держ. реєстрації 0193V029378); “Дослідження фізичних процесів у кометах з використанням спектроскопії та аналізу зображень” (№ держ. реєстрації 0198U001453). Частина досліджень виконувалася в рамках міжнародних програм (дослідження комет C/1995 O1 (ХейлБопп), 21P/ДжакобініЦиннер, 9P/Темпель 1). Частина досліджень астероїдів, комет і супутників планет проведена в рамках спільних програм із Кримською астрофізичною обсерваторією, НДІ астрономії Харківського національного університету ім. В.Н. Каразіна, Міжнародним центром астрономічних та медико-екологічних досліджень (пік Терскол) та Інститутом дослідження Сонячної системи Товариства ім. Макса Планка (Катленбург-Ліндау, Німеччина).

Мета, задачі і методи дослідження. Метою роботи є дослідження властивостей випромінювання, розсіяного на пилових частинках атмосфер комет, реголіту астероїдів і супутників великих планет. Дослідження передбачає виявлення подібностей і відмінностей в оптичних властивостях пилової компоненти трьох популяцій малих тіл Сонячної системи, їхньої відповідності основним механізмам розсіювання світла і визначення фізичних характеристик вибраних малих тіл.

Для досягнення поставленої мети вирішувалися наступні задачі:

· вивчення особливостей фазових залежностей блиску, кольору і поляризації випромінювання об'єктів різної природи в широкому діапазоні фазових кутів і довжин хвиль;

· спостережне підтвердження теоретичного висновку про те, що вузький фотометричний опозиційний ефект повинен супроводжуватися поляризаційним опозиційним ефектом у вигляді вторинного мінімуму поляризації поблизу опозиції, визначення його амплітудних, кутових і спектральних параметрів;

· аналіз подібності і відмінності фотометричних і поляриметричних опозиційних ефектів у різних класів об'єктів, порівняння їх з існуючими моделями, уточнення механізмів формування;

· розділення фазових і довготних залежностей поляризації випромінювання супутників планет і астероїдів, дослідження їхнього зв'язку з альбедними і структурними неоднорідностями поверхонь;

· вирішення проблеми поділу комет на класи на основі властивостей розсіяного (видима область) і теплового (інфрачервона область) випромінювання пилу, вивчення зв'язку фізичних і динамічних характеристик комет;

· пошук кругової поляризації випромінювання комет, вивчення її просторового розподілу по комі, дослідження фазової залежності. Аналіз можливих механізмів виникнення кругової поляризації в кометах і орієнтації частинок у кометних атмосферах, інтерпретація отриманих даних;

· дослідження особливостей в поляризації, яскравості і кольорі окремих об'єктів і їхня інтерпретація, визначення фізичних характеристик досліджуваних об'єктів.

Об'єкт дослідження - комети, астероїди, супутники планет.

Предмет дослідження - фізичні характеристики комет, астероїдів і супутників планет; особливості процесів розсіяння світла на малих фазових кутах і в точці інверсії; діагностика пилу в досліджуваних об'єктах.

Методи досліджень - апертурна фотоелектрична фотометрія і поляриметрія, поверхнева фотометрія і поляриметрія, обробка спостережних даних, узагальнення і порівняльний аналіз даних, порівняння результатів спостережень із існуючими моделями і теоретичними дослідженнями.

У процесі роботи використовувався наступний інструментарій:

а) розробка і проведення комплексних програм поляриметричних і фотометричних спостережень вибраних комет, астероїдів і супутників планет;

б)удосконалення і створення нових методик спостережень і обробки спостережного матеріалу;

в) якісна і кількісна інтерпретація результатів спостережень.

Наукова новизна одержаних результатів. Під час виконання роботи отримані наступні нові результати:

1. Отримано значний обсяг нових даних, який ґрунтується на результатах поляриметричних і фотометричних досліджень 21 комети, 6 астероїдів і 10 супутників планет. Параметри лінійної (13-ти) і кругової (3-х) поляризації комет включені до Поляриметричного банку кометних даних, створений за участю автора. Він є складовою частиною Міжнародної бази даних NASA Planetary Data System (http://pdssbn.astro.umd.edu/holdings/ear-c-compil-5-db-comet-polarimetry-v1.0/dataset.html)

2. Вперше знайдені та досліджені поляризаційні опозиційні ефекти у вигляді вторинних мінімумів від'ємної поляризації біля опозиції у супутників Юпітера Іо, Європи, Ганімеда, веденої півкулі супутника Сатурна Япета й астероїдів 44 Ніза і 64 Ангеліна та визначено їхні параметри. Тим самим на основі поляриметричних і фотометричних даних на малих фазових кутах виділено клас високоальбедних об'єктів з унікальними опозиційними властивостями й експериментально доведено, що механізм когерентного підсилення зворотного розсіяння є ефективним фізичним механізмом розсіяння світла в природному середовищі Сонячної системи - астероїдах, супутниках планет та інших об'єктах. Показано, що в середньоальбедних супутнику Калісто і астероїді 4 Веста та низькоальбедної ведучої півкулі Япета поляризаційний опозиційний ефект відсутній.

3. Вперше отримані спектральні залежності параметрів ПОЕ і регулярної ФЗП для астероїда 64 Ангеліна, астероїдів Е-типу і галілеєвих супутників Юпітера, а також спектральні залежності параметрів ОЕ яскравості для великих супутників Урана. Для кожного об'єкта виявлені індивідуальні особливості як у залежностях параметрів ОЕ від довжини хвилі, так і від геометричного альбедо, що обумовлено відмінностями у фізичних властивостях їхніх поверхонь. Знайдено нелінійну зміну показників кольору UB, BV, VR і RI астероїдів 64 Ангеліна і 44 Ніза при наближенні до опозиції, починаючи з фазових кутів _?<_?1.5. Вперше знайдена фазова залежність кольору комети Галлея, відповідно до якої показник кольору пилу BCRC систематично зменшується зі збільшенням фазового кута, що може бути пояснено зменшенням середнього розміру частинок пилу з наближенням комети до Сонця. Залежність ОЕ блиску і поляризації від довжини хвилі підтверджує інтерференційний механізм розсіяння світла високоальбедними тілами.

4. Отримано складову ФЗП випромінювання високоальбедних астероїдів Е-типу в діапазоні фазових кутів 083, яка включає вторинний мінімум з амплітудою 0.35% на фазовому куті 1 (фільтр V), регулярну фазову криву від'ємної поляризації з параметрами P_min??0.3%, _min??6, _inv??19 і фазову криву додатної поляризації з максимумом P_max??1.7 % на фазовому куті _max??71. Показано, що амплітудні характеристики фазової залежності поляризації слабко залежать від довжини хвилі, у той час як кутові параметри збільшуються із довжиною хвилі.

5. На основі наявних наземних і космічних фотометричних та поляриметричних спостережень об'єктів з різними фізичними властивостями і походженням (планети, супутники, астероїди, транс-Нептунові об'єкти, кільця, кометні і міжпланетні пилові частинки) встановлено взаємозв'язок між параметрами ОЕ, фазової кривої від'ємної поляризації і геометричним альбедо, який вказує на спільне походження фотометричних і поляризаційних опозиційних явищ у малих тілах Сонячної системи. Виявлено розподіл усіх досліджуваних об'єктів на дві групи з різними розсіювальними властивостями, який вказує на різний відносний внесок когерентного підсилення зворотного розсіяння і тіньового ефекту у формування опозиційних ефектів у високоальбедних і низькоальбедних об'єктах.

6. Виявлено значущу кореляцію між великою піввіссю орбіт малих тіл Сонячної системи й амплітудою ФОЕ та піввіссю орбіт і градієнтом поляризації в діапазоні фазових кутів 01. Коефіцієнти кореляції відповідно дорівнюють 0.803 і 0.737. Виявлені залежності свідчать про те, що в основі опозиційних ефектів усіх досліджених малих тіл лежить загальний фізичний фактор, яким може бути агрегатна структура космічного пилу, і що з віддаленням від Сонця переважає більш примітивний і малоперероблений матеріал, тобто склад і структура пилової складової малих тіл зберегли свої первинні властивості, отримані при формуванні Сонячної системи.

7. Розроблено метод розділення фазових і довготних залежностей поляризації випромінювання Калісто і отримано їхній аналітичний опис. Визначено параметри фазових, довготних і спектральних залежностей поляризації для ведучої і веденої півкуль супутника. Виявлено зв'язок між ступенем поляризації і локальними альбедними і структурними утвореннями на поверхні Калісто. Вперше отримані фазові і довготні залежності поляризації для ведучої і веденої півкуль Япета.

8. Вперше виявлена залишкова поляризація випромінювання супутників Іо, Європи і Ганімеда в точці інверсії, що може бути пояснено структурною і/чи оптичною неоднорідністю поверхонь.

9. На основі досліджень комет C/1990 K1 (Леві), 109P/СвіфтТуттль, D/1996 Q1 (Табур), C/2001 A2 (LINEAR) і 2Р/Енке показано, що розходження, які спостерігаються у ступені поляризації інтегрального випромінювання газових та пилових комет на великих фазових кутах є артефактом, викликаним низькою просторовою і спектральною роздільною здатністю апаратури. У зв'язку з цим запропоновано нову класифікацію комет, яка ґрунтується на властивостях розсіяного і теплового випромінювання пилу. До I типу відносяться комети, що показують високий ступінь поляризації в навколоядерній області (НЯО) коми, відсутність чи слабкість силікатних емісій, концентрацію компактних агрегатних частинок біля ядра. До II типу відносяться комети, для яких характерні високий ступінь поляризації по всій комі, сильні силікатні емісії, протяжні пилові атмосфери з пористими агрегатними частинками. Виявлені відмінності двох груп комет зв'язані з властивостями поверхонь їхніх ядер, які залежать від часу інсоляції.

10. Вперше виявлено від'ємний градієнт спектральної залежності поляризації випромінювання комет ДжакобініЦиннера, 73Р/ШвассманВахман 3 (ядра В і С) і опосередковано Темпеля 1. Виділено групу з п'яти комет з аномальною спектральною залежністю поляризації. Ці комети, що прийшли з пояса Койпера, мають нетиповий хімічний склад газової компоненти. Аномальна спектральна залежність поляризації комет незалежно підтверджує, що відмінності у властивостях пилу також зв'язані з місцями утворення комет.

11. Унікальні поляриметричні спостереження покриття зірок атмосферами комет Леві і ХейлаБоппа дали прямі спостережні докази присутності в атмосферах комет орієнтованих несферичних пилових частинок. Показано, що дрібні (релеївські) орієнтовані несферичні частинки домінували в атмосферах комет Леві і ХейлаБоппа. Для комети Галлея виявлено систематичні відхилення площини поляризації від положення, ортогонального до площини розсіяння. Це свідчить про присутність компоненти поляризації, не зв'язаної з площиною розсіяння, яка може бути викликана глобальною орієнтацією несферичних пилових частинок в атмосфері комети.

12. Виміряно кругову поляризацію випромінювання комет ХейлаБоппа, D/1999 S4 (LINEAR) і C/2001 Q4 (NEAT), отримано її просторовий розподіл по комі. Вперше виявлено, що у всіх досліджених дотепер кометах кругова поляризація є переважно лівосторонньою. Це підтверджує гіпотезу про освітлення космічної органіки в протопланетній туманності циркулярно поляризованим світлом. Вперше отримана складова фазова залежність ступеня кругової поляризації випромінювання комет, відповідно до якої ступінь поляризації лінійно збільшується з фазовим кутом, досягаючи значення P_c?=_?0.4% на фазовому куті 120.

13. Підтверджено, що механічна орієнтація частинок у газових потоках і орієнтація частинок сонячним випромінюванням є найбільш ефективними механізмами орієнтації в атмосферах комет. У рамках цих механізмів отримано оцінки характерного часу орієнтації частинок, котрі добре узгоджуються з відстанями, де вимірювалася кругова поляризація в кометі S4 (LINEAR). Показано, що через низьку густину газу в кометному середовищі орієнтація сонячним випромінюванням домінує.

14. Показано, що кругова поляризація випромінювання комети S4 (LINEAR) може виникати внаслідок розсіяння світла на частково орієнтованих агрегатних частинках і/чи розсіяння світла на оптично активних частинках. Відповідно до розрахунків, кругова поляризація світла, розсіяного на оптично активних (органічних) частинках, складає 0.15% на фазовому куті 120, що близько до величини кругової поляризації, виміряної в кометі S4 (LINEAR).

15. Вперше виявлено кореляцію ступеня кругової поляризації випромінювання комети S4 (LINEAR) зі змінами блиску і продуктивності води, які безпосередньо зв'язані з активністю комети в процесі її повної дезинтеграції, і ступенем лінійної поляризації. Зареєстровано зміни параметрів лінійної поляризації під час нестаціонарних процесів у кометах Леві, А2 (LINEAR) і С/2002 T7 (LINEAR).

Практичне значення одержаних результатів. Практична цінність роботи визначається:

- великим обсягом оригінальних фотометричних і поляриметричних даних, отриманих для вибраних комет, астероїдів і супутників планет;

- дослідженнями опозиційних ефектів поляризації, кольору і яскравості для різних класів об'єктів;

- дослідженнями кругової поляризації випромінювання комет та орієнтації пилових частинок в кометних атмосферах;

- виявленням і дослідженням нових закономірностей та ефектів у поляризованому випромінюванні вибраних комет, астероїдів і супутників планет;

- визначенням фізичних характеристик досліджуваних об'єктів.

Дисертаційна робота знаходиться на стику декількох розділів науки - астрофізики, планетології, оптики, космогонії, що має значну цінність. Отримані в ній результати представляють собою емпіричну базу для моделювання та інтерпретації процесів розсіяння. Спостережні дані неодноразово використовувалися і будуть використані надалі для розрахунків фізичних характеристик пилових частинок і різноманітних середовищ, для уточнення старих і розробки нових механізмів і моделей розсіяння світла на пилових частинках.

Особистий внесок здобувача. Усі результати, що включені в дисертацію, отримані за особистої і визначальної участі дисертанта в постановці задач, розробці, підготовці і виконанні комплексних програм спостережень і їхній обробці, аналізі й інтерпретації результатів, формулюванні висновків.

Більшість статей опублікована у співавторстві, оскільки специфіка спостережень така, що вони не могли бути виконані одним спостерігачем. У роботах, виконаних у співавторстві, автору належать: [1] спостереження і дослідження інструментальної поляризації; [2,?3,?6,?10,?22,?27,?34,?40,?42,?4548] постановка наукових задач, спостереження й обробка, аналіз даних, написання текстів статей з наступним внесенням невеликих зауважень з боку співавторів; [4,?7,?8] участь в обробці спостережень, аналізі даних і написанні тексту статей; [5,?15,?25,?31] постановка задачі, розробка і проведення комплексних спостережень, обробка й аналіз даних, написання статей; [9,?30,?39] участь в аналізі даних і написанні текстів статей; [11,?12,?16,_?38] участь у спостереженнях, аналізі й інтерпретації результатів; [13,?14,?21,?41,?44] результати спостережень і досліджень; [17] участь в обробці зображень, аналізі й інтерпретації даних і написанні тексту; [1820,?24,?29,?33,?43] разом зі співавторами науковий аналіз даних і участь у написанні статей; [26] розробка комплексної програми досліджень комети Енке, участь у спостереженнях і їхній обробці, аналізі й інтерпретації результатів, написанні статті; [32] ідея роботи, спостереження і підготовка матеріалів до публікації; [35] дані про лінійну (13-ти) і кругову (3-х) поляризацію комет, участь разом зі співавторами у створенні Поляриметричного банку кометних даних; [36] постановка задачі, спостереження і участь в аналізі отриманих результатів, написання окремих розділів статті, розрахунки проведені А. Лазаряном і Л. Колоколовою; [37] ідея роботи, дані спостережень для порівняння з розрахунками, що виконали Л. Колоколова і Х. Кімура, та участь в аналізі результатів.

Апробація результатів дисертації. Матеріали дисертаційної роботи доповідалися і представлялися на наступних міжнародних конференціях і робочих групах:

“Optical Science, Engineering, and Instrumentation” (Сан Дієго, США, 1997); “22nd General Geophysical Assembly of the European Geophysical Society” (Відень, Австрія, 1997); “JENAM-97 on New Trends in Astronomy and Astrophysics” (Салоніки, Греція, 1997); “Polarimetry of Comets and Asteroids” (Харків, Україна, 1997);“First International Conference on Comet Hale-Bopp” (Пуерто де Ла Круз, Іспанія, 1998); “23nd General Assembly of the European Geophysical Society” (Ніца, Франція, 1998); “Asteroids, Comets, Meteors” (Ітака, США, 1999); “Astronomy in Ukraine - 2000 and Beyond” (Київ, Україна, 2000); “DPS Meeting 2000” (США, 2000); “Leonid MAC-99 Workshop” (Тель-Авів, Ізраїль, 2000); “Asteroids 2001 from Piazzi to the 3^rd Millennium” (Палермо, Італія, 2001); “NATO Advanced Research Workshop on the Optics of Cosmic Dust” (Братислава, Словацька республіка, 2001); “Workshop on Polarization 2001, with Emphasis on Cometary Observations” (Париж, Франція, 2001); “Cometary Science after HaleBopp” (Пуерто де Ла Круз, Іспанія, 2002); “Asteroids, Comets, Meteors” (Берлін, Німеччина, 2002); “Sixth Conference on Light Scattering by Nonspherical Particles” (Гейнсвілл, США, 2002); “NATO Advanced Study Institute on Photopolarimetry in Remote Sensing” (Ялта, Україна, 2003); “Photometry and Polarimetry of Asteroids: Impact on Collaboration” (Харків, Україна, 2003); “Remote Sensing Techniques and Instrumentation: International Cooperation” (Київ, Україна, 2003); “Astronomical Polarimetry: Current Status and Future Directions” (Гаваї, США, 2004); “Astronomy in Ukraine Past, Present and Future” (Київ, Україна, 2004); “Research of Artificial and Natural NEOs and other Solar System Bodies with CCD Ground-based Telescopes” (Миколаїв, Україна, 2004); “General Assembly of the European Geophysical Society” (Відень, Австрія, 2005); “The 8th Conference on Electromagnetic and Light Scattering by Nonspherical Particles" (Гренада, Іспанія, 2005); “Dynamics and Physics of Solar System Bodies” (Київ, Україна, 2005). “Asteroids, Comets, Meteors” (Ріо де Жанейро, Бразилія, 2005); “Физика небесных тел” (Наукове, Україна, 2005); “The 9th International Conference on Electromagnetic and Light Scattering by Non-spherical Particles: Theory, Measurements, and Applications" (Санкт-Петербург, Росія, 2006).

Результати представлених досліджень обговорювалися на семінарах ГАО НАН України, КрАО (c. Наукове, АР Крим), НДІ астрономії ХНУ ім. В.Н. Каразіна (м. Харків).

Публікації. Результати дисертаційної роботи представлені в 49 публікаціях, з них 1 - електронна база даних; 2 розділи двох книг; 34 в спеціалізованих астрономічних виданнях, у тому числі 28 статей опубліковані у провідних закордонних журналах “Astrophysical Journal”, “Astronomy and Astrophysics”, “Icarus”, “Earth, Moon, and Planets”, “Applied Optics”, “Journal of Quantitative Spectroscopy and Radiative Transfer”, “Planetary and Space Science”, “Memorie della Societа Astronomica Italiana”, “Письма в Астрономический журнал”, “Астрономический вестник”; 8 в збірниках праць конференцій; 4 в нереферованих виданнях.

Матеріали дисертації були представлені в доповідях на 27 міжнародних конференціях і робочих групах, короткий зміст яких опубліковано в 40 тезах.

Структура та обсяг дисертації. Дисертація складається зі вступу, семи розділів, висновку, списку цитованої літератури (504 найменувань). Загальний обсяг дисертації складає 350 сторінок, з яких 308 стор. тексту. Дисертація містить 91 рисунок і 38 таблиць.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У Вступі дається загальна характеристика роботи. Обґрунтовано актуальність теми досліджень, сформульовані основні цілі, задачі і методи їхнього вирішення, визначені наукова новизна і практична цінність отриманих результатів. Визначено особистий внесок автора у спільних роботах, наведено відомості про апробацію результатів, структуру й обсяг дисертації, представлено список публікацій за темою дисертації.

Розділ 1. Сучасний стан поляриметрії і фотометрії малих тіл Сонячної системи. Розділ містить короткий огляд, у якому наводяться основні спостережні закономірності взаємодії світла із різними середовищами. Викладено основні методи аналізу фотометричних і поляриметричних спостережень, спільне застосування яких є дуже ефективним, оскільки використовуються всі характеристики розсіяного випромінювання - інтенсивність, стан поляризації та їхні спектральні залежності. Стисло викладена суть основних механізмів розсіяння світла, наслідком яких є фотометричні і поляриметричні фазові ефекти.

Систематизовано знання про фізичні властивості комет, астероїдів і супутників планет отримані поляриметричними, фотометричними та іншими методами досліджень на початок даної роботи. Відзначено ті проблеми, які залишалися невирішеними і, в першу чергу, через явну нестачу надійних і детальних даних про лінійну і кругову поляризацію випромінювання комет, про фазові залежності блиску, поляризації й кольору БКТ і комет як в області опозиції, так і в широкому діапазоні фазових кутів. Сформульовані й обґрунтовані актуальні проблеми і задачі, на вирішення яких були спрямовані наші дослідження.

Розділ 2. Апаратура, спостереження і редукція даних. Основні результати поляриметричних і фотометричних спостережень комет, астероїдів і супутників планет отримані автором у 19882006 рр. на різних телескопах з використанням апертурних і панорамних фотополяриметрів. Фотометрична система при спостереженнях комет у більшості випадків визначалася спеціальними вузькосмуговими фільтрами, які виділяють ділянки континууму і випромінювання молекул. Частина спостережень комет з низькою поверхневою яскравістю, а також астероїдів і супутників, проведена з UBVRI і іншими широкосмуговими фільтрами.

Дослідження були спрямовані на пошук тонких поляриметричних і фотометричних ефектів, тому особлива увага приділялася методиці спостережень. Розроблені і застосовані спеціальні методики вимірювання й урахування фону неба, який через близькість супутників до яскравих планет дуже нерівномірний і поляризований. Унікальні поляриметричні і фотометричні спостереження покриття зір кометами вимагали також розробки нестандартних методик вимірювань і обробки. Для того, щоб визначити ступінь кругової поляризації на фіксованих відстанях від ядер комет S4_?(LINEAR) і Q4_?(NEAT), які мали велику кутову швидкість, вимірювання проводилися вздовж розрізів по комі, які визначалися власним рухом комети. Нестандартні методики спостережень вимагали розробки спеціальних методів обробки.

Спостереження всіх програмних об'єктів супроводжувалися ретельним дослідженням апаратури, випадкових і систематичних похибок при визначенні блиску, ступеня поляризації і позиційного кута площини поляризації з урахуванням особливостей методик спостережень на кожному інструменті. Для цього систематично спостерігалися фотометричні і поляриметричні стандарти. Точність визначення інструментальних параметрів поляризації була досить високою у середньому 0.050.1% для панорамних спостережень і 0.010.07% для апертурних. Тому похибки ступеня і площини поляризації програмних об'єктів визначалися переважно співвідношенням сигнал/шум. Точність фотометричних спостережень була 0.010.04^m у залежності від фільтра. Таким чином, застосовані методики спостережень і обробки дозволили отримати надійні спостережні дані і знайти нові тонкі поляриметричні та фотометричні ефекти в досліджуваних об'єктах.

Розділ 3. Результати поляриметричних і фотометричних спостережень комет. У період 19892006 рр. проведені вимірювання лінійної поляризації випромінювання 12-ти комет з апертурними і 6-ти комет із ПЗЗ-поляриметрами, виміряна кругова поляризація випромінювання комет ХейлаБоппа, S4_?(LINEAR) і Q4 (NEAT), проведені унікальні поляриметричні спостереження покриття зір кометами Леві, СвіфтаТуттля і ХейлаБоппа. Поляриметричні і фотометричні дослідження комет проводилися в межах вирішення декількох проблем.

Однією з невирішених проблем у дослідженнях комет є таксономія, яка дає можливість розділити еволюційні і первинні властивості та зв'язати їх з місцями походження. У роботі [51] було показано, що наявні на той час спостережні дані не дозволяють однозначно виявити ті фізичні властивості пилових частинок, які приводять до розподілу комет на групи за поляризаційними характеристиками. У зв'язку з цим нами були проведені дослідження комет на великих фазових кутах, насамперед газових комет. Поляриметричні спостереження комет СвіфтаТуттля, Леві, Табура, А2_?(LINEAR) й інших показали, що морфологія пилу і газу в кометних атмосферах відіграє важливу роль у розподілі поляризації по комі. Це приводить до значної залежності ступеня поляризації від розміру вимірюваної площадки коми. Так, ступінь поляризації випромінювання комети Табура у навкоядерній області коми розміром близько 1000 км складав 22%, а в області коми розміром 7500 км 12%. Співставлення поляриметричних і фотометричних даних з результатами спектральних спостережень унікальної газової комети Табура [17] дозволили відокремити реальні зміни поляризації в комі від ефектів, викликаних газовими емісіями. Вперше було показано, що навіть вузькосмугові фільтри, призначені для виділення кометного континууму, пропускають випромінювання газових молекул і деполяризують його.

Спостереження газової комети Енке в листопаді 2003р. у двох ділянках спектра, що виділяють континуум _?6416/26_?Е і емісію NH₂(0,7,0) _?6621/59_?Е, дозволили точно врахувати взаємний вплив континуума й емісії в двох фільтрах і отримати розподіл інтенсивності і поляризації випромінювання пилу і молекул NH₂ по комі комети [26]. Виявлено, що пил в основному зосереджений в навколоядерній області коми розміром _??600 км і ступінь поляризації ній складає 30%, тоді як інтегральний ступінь поляризації у великій області коми розміром 30004500 км, центрованої на ядро, значно нижчий біля 10%. Таким чином, на прикладі декількох комет показано, що ступінь поляризації випромінювання газових комет в області ядра такий же високий, як і в пилових кометах. У ході цих досліджень визначено ступінь поляризації випромінювання молекул NH₂ та її фазову залежність і показано, що він близький до величини поляризації випромінювання двоатомних молекул С₂ і CN.

Значний інтерес представляє зв'язок різних таксономічних груп комет з місцями їхнього утворення. Виявилося, що цей зв'язок можна встановити, досліджуючи спектральну залежність поляризації комет. Зазвичай, ступінь поляризації випромінювання комет у видимій області спектра збільшується з довжиною хвилі [24,_?29]. Однак, у комет ДжакобініЦиннера, ШвассманаВахмана 3 і опосередковано Темпеля 1 виявлені від'ємні градієнти спектральної залежності поляризації (СЗП), тобто ступінь поляризації в червоній області спектра систематично нижчий, ніж у синій. У комети C/1989 X1 (Остін) також була зафіксована короткочасна поява аномальної СЗП [57], а у комети S4_?(LINEAR) вона була аномальною протягом тривалого періоду спостережень [51]. Таким чином, виділена група з п'яти комет з аномальною СЗП. Для комет цієї групи є характерним незвичайний хімічний склад дефіцит летючих молекул, які містять вуглець. Підвищений вміст органічних речовин у розглянутій групі комет є спільним чинником, від якого може залежати аномальна СЗП. Згідно з [67], спостережний у видимій області відносно низький вміст летючих С₂ і С₃ у кометах не означає обов'язковий дефіцит інших вуглецевих молекул, зокрема, молекул C₂H₆, C₂H₂, CH₄, CH₃OH, H₂CO, HCN і ін., випромінювання яких реєструється в ІЧ області і радіодіапазоні. Тому немає протиріччя між зниженим вмістом вуглецю і присутністю органічних речовин у кометах. Досліджувані комети мають особливий хімічний склад газової складової і належать до пояса Койпера. Отже, аномальна СЗП цих комет незалежно підтверджує, що відмінності у властивостях пилу також зв'язані з місцями утворення комет.

Кожна комета є унікальним об'єктом і показує свої індивідуальні особливості й у поляризованому випромінюванні. Так, ступінь лінійної поляризації в області ядра комети ХейлаБоппа (Р_??12%) був на 4% вищим, ніж ступінь поляризації будь-якої іншої комети на подібному фазовому куті [6,_?9]. Знайдено змінність параметрів лінійної і кругової поляризації по комі і їхній зв'язок з морфологічними особливостями. Зокрема, ступінь лінійної поляризації в оболонках був на 12% вище, а площина поляризації відхилялася від площини розсіяння на 11.5є у порівнянні з аналогічними параметрами в сусідніх областях коми. Ґрунтуючись на теоретичних дослідженнях, високий ступінь поляризації комети ХейлаБоппа був пояснений нами розсіянням світла на агрегатних частинках, які складаються з мономерів з радіусами 0.1 мкм [4]. Цей якісний висновок був підтверджений кількісними оцінками, зробленими на основі ІЧ спостережень, згідно з якими в атмосфері комети переважали частинки з радіусами <_?0.4 мкм [68].

Побудова реалістичної моделі розсіяння світла кометними пилинками неможлива без урахування форми частинок. Тому великий обсяг отриманих даних пов'язаний із вирішенням проблеми орієнтації несферичних частинок у кометних атмосферах. Непрямі докази орієнтації пилинок випливають з локальних (по комі) чи тимчасових відхилень _r площини поляризації від положення, ортогонального до площини розсіяння, що спостерігалися нами в кометах Леві, ХейлаБоппа та А2_?(LINEAR). Систематичні відхилення параметрів поляризації u_sca і _r від нульового значення (у середньому ?%, ) знайдені для комети Галлея для всього спостережуваного діапазону фазових кутів [29]. Параметр u_sca показує залежність від фазового кута. Виявлені відхилення свідчать про присутність компоненти поляризації, не зв'язаної з площиною розсіяння, що може бути наслідком оптичної неоднорідності, зумовленої глобальною орієнтацією несферичних частинок в атмосферах досліджуваних комет.

Прямим доказом присутності в атмосфері комети орієнтованих несферичних частинок є зміна параметрів поляризації розсіяного уперед випромінювання зорі під час її покриття кометою. Проведено поляриметричні і фотометричні спостереження покриття зір кометами Леві [2], СвіфтаТуттля [65] і ХейлаБоппа [6,_?9]. Найкращий збіг спостережних (P_obs??0.7%, _obs?=_?14.5) і розрахункових (P_cal??0.78%, _cal = 44) параметрів поляризації зорі під час покриття кометою Леві має місце у випадку, коли розсіяння випромінювання неполяризованої зорі відбувається на частково орієнтованих малих (релеївських) частинках в атмосфері комети з оптичною товщиною =_?0.4. Така оптична товщина пилу отримана нами для коми комети Леві на кометоцентричній відстані 3500 км [2]. У випадку покриття зорі кометою ХейлаБоппа спостережні дані співпадають з розрахунковими при оптичній товщині _?=_?0.3. Потрібно зазначити, що поляриметричні і фотометричні спостереження покриття кометою СвіфтаТуттля чотирьох зір не показали на рівні точності вимірів ні зміни параметрів поляризації, ні поглинання випромінювання зір. Це може бути доказом відсутності значної кількості малих пилинок в комі періодичної комети, що підтверджується іншими спостереженнями.

Реєстрація кругової поляризації в кометах - ще одна можливість дослідження орієнтації несферичних частинок в атмосферах комет. До наших спостережень із шести комет тільки в одній кометі Галлея була зареєстрована кругова поляризація, у середньому P_с??0.5±0.15% [56]. Отже, зовсім було неочевидно, за яких умов розсіяне випромінювання комет стає циркулярно поляризованим. Вимірювання ступеня кругової поляризації випромінювання комети ХейлаБоппа з високою точністю були проведені нами в різних областях коми - ядрі, хвості, пилових оболонках і між оболонками (рис. 1а). Для всіх вимірюваних областей коми зареєстрована тільки лівостороння поляризація з максимальною величиною в оболонках (пилових джетах) Р_c??0.26_??0.02%, і мінімальною в навколоядерній області коми Р_с??0.08_??0.06%. Варіації кругової поляризації по комі досягали 0.1%.

Особливо важливий спостережний матеріал був отриманий для комети S4 (LINEAR) на фазових кутах від 61 до 122 під час її повної дезінтеграції (рис. 1б). Кругова поляризація монотонно змінювалася вздовж розрізів по комі, в окремих областях досягаючи 1%. Уздовж розрізів зареєстрована як лівостороння, так і правостороння кругова поляризація, однак, лівостороння кругова поляризація в основному спостерігалася на сонячній стороні коми. В області ядра більшу частину часу вона була близька до нуля. Відразу ж після повного розпаду комети була зареєстрована тільки лівостороння кругова поляризація, в середньому P_с??0.41_??0.07%. Для комети Q4 (NEAT) отримано розподіл уздовж розрізів по комі ступеня кругової поляризації P_c (рис. 1в), ступеня лінійної поляризації P і кутів _r. Значущі коефіцієнти кореляції свідчать про досить сильний зв'язок між змінами параметрів P_c і P, а також між P_c і _r уздовж розрізів, викликаних спільною причиною, ймовірніше за все, орієнтацією несферичних частинок.

Великий діапазон фазових кутів, на яких спостерігалася комета S4 (LINEAR), і дані спостережень комет ХейлаБоппа, Q4_?(NEAT) і Галлея дозволили нам уперше побудувати складову фазову залежність кругової поляризації комет (рис. 2). Виявлено, що абсолютна величина ступеня кругової поляризації лінійно збільшується зі збільшенням фазового кута, досягаючи значення P_cp=_?0.4% на фазовому куті 120, що якісно погоджується з теоретичною залежністю [55], розрахованою для суміші малих (релеївських) орієнтованих голкоподібних частинок і сферичних частинок.

Часткова фрагментація або повна дезінтеграція комети, викликана неоднорідністю внутрішнього складу ядра, надає рідкісну можливість досліджувати оптичні властивості пилових частинок, які знаходяться в середині ядра. Зареєстровані значні (до 0.5%) зміни ступеня лінійної поляризації випромінювання комети Т7 (LINEAR) на відстані від Сонця 2.7 а.о. були обумовлені активністю комети. Знайдені зміни параметрів лінійної поляризації під час спалахової активності комет Леві і А2 (LINEAR), що може свідчити про зміну середнього розміру частинок і/чи складу (показника заломлення) пилу, викинутого з внутрішніх областей ядер комет. Однак, ми не знайшли значного розходження між ФЗП комет, що розпалися (С/1975?V1?(Вест), 16P/Брукс 2, C/1988 A1 (Ліллер), Табура, A2 (LINEAR), ШвассманаВахмана 3), і складової ФЗП для нормальних комет (які не розпалися на фрагменти) [19]. Зокрема, поляризація газової комети Табура була близька до поляризації пилової комети Ліллера, які є фрагментами спільної комети, що розпалася в під час попередньої появи [17]. Тільки комета S4 (LINEAR) показала різке збільшення ступеня лінійної поляризації після повної дезінтеграції ядра [19]. Знайдено кореляцію між змінами ступеня кругової поляризації випромінювання комети S4 (LINEAR) зі змінами блиску і продуктивності води, які безпосередньо зв'язані з активністю комети в процесі її повної дезінтеграції, а також зі ступенем лінійної поляризації [36]. Зміни параметрів лінійної і кругової поляризації під час нестаціонарних процесів у кометах є свідченням зміни складу і розподілу за розмірами викинутого пилу з внутрішніх областей ядер комет.

Кометні пилинки є незалежними розсіювачами, і ефекти взаємного затінення частинок в атмосферах комет практично виключені. У зв'язку з цим спостереження комет на малих фазових кутах повинні відповісти на запитання: у чому подібність і розбіжність між параметрами ФОЕ, який спостерігається для комет, альбедо пилових частинок яких знаходиться в межах 25%, і параметрами ФОЕ низькоальбедних БКТ, для яких тіньовий ефект дає основний внесок у формування ФОЕ? У попередніх дослідженнях дані про амплітуду ФОЕ комет були суперечливі, а інші параметри взагалі не визначалися. У зв'язку з цим на основі однорідних рядів власних даних і міжнародної бази даних IHW були визначені параметри фазової функції блиску комети Галлея: амплітуда m_?=_?0.68^m, кутова напівширина ОЕ HWHM_?=_?6.4, фазовий коефіцієнт _?=_?0.0045 зор.вел/град, фазовий кут початку нелінійного збільшення блиску 30. Виявилося, що амплітуда ФОЕ для комет близька до амплітуд, характерних для низькоальбедних БКТ, але кутова ширина ФОЕ для комет значно більша, ніж для БКТ.

До нашої роботи [28] вважалося, що колір пилу в різних кометах не залежить від геліоцентричної відстані, фазового кута чи швидкості продукування пилу (див. [53] і посилання там). Однак, дослідження показали, що зі збільшенням фазового кута показник кольору BCRC комети Галлея зменшувався. Оскільки великі фазові кути в середньому відповідають меншим геліоцентричним і геоцентричним відстаням комети Галлея, а швидкість продукування пилу не залежить від розміру діафрагми, то зміна геоцентричної відстані комети не впливає на спостережний колір кометного пилу. Але розмір пилових частинок в кометних атмосферах безпосередньо зв'язаний з відстанню комет від Сонця. Тому зменшення показника кольору може бути пояснене зменшенням середнього розміру пилових частинок із наближенням комети до Сонця.

Дані про параметри лінійної (13-ти) і кругової (3-х) поляризації комет включені в Поляриметричний банк кометних даних (http://pdssbn.astro.umd.edu/holdings/ear-c-compil-5-db-comet-polarimetry-v1.0/dataset.html), створений за участю дисертанта. Він містить інформацію про поляриметрію 64 комет і є складовою частиною Міжнародної бази даних NASA Planetary Data System.

Розділ 4. Поляметричні та фотометричні ефекти в астероїдах. Відкриття А. Харрісом та ін. [60] дуже різкого збільшення блиску високоальбедних астероїдів біля опозиції (спайк-ефект) дало поштовх до теоретичних досліджень опозиційних ефектів та їхньої інтерпретації. У 1993_?р. М. Міщенко [63] на основі теорії когерентного підсилення зворотного розсіяння показав, що в результаті розсіяння світла на непоглинаючих чи слабопоглинаючих субмікронних частинках в напрямку строго назад повинен виникати різкий асиметричний мінімум від'ємної поляризації - поляризаційний опозиційний ефект, який супроводжує опозиційний пік яскравості. З того часу дисертантом були розпочаті систематичні спостереження вибраних високоальбедних об'єктів з метою пошуку локального мінімуму поляризації біля опозиції. Серед доступних для таких спостережень об'єктів були астероїди Е-типу 64 Ангеліна та 44 Ніза. Поляриметричні спостереження супроводжувалися фотометричними з метою дослідження ФОЕ в різних ділянках спектра.

Головним результатом наших досліджень астероїдів 44 Ніза та 64 Ангеліна є відкриття вторинних вузьких мінімумів від'ємної поляризації біля опозиції. Одночасна реєстрація ОЕ блиску та поляризації підтвердила теоретичний висновок М._?Міщенка [63]. На рис. 3 показано порівняння фазових функцій яскравості (після відрахування лінійної частини) й поляризації астероїдів 44 Ніза та 64 Ангеліна. Опозиційні піки яскравості у Нізи та Ангеліни в межах похибок визначення параметрів досить близькі, тоді як для Нізи характерний значно більш вузький опозиційний пік поляризації, аніж для Ангеліни.

Поляриметричні спостереження астероїда 4 Веста в діапазоні 0.6<_?<5.0 показали відсутність вторинного мінімуму поляризації біля опозиції, а фазова крива блиску Вести узгоджується з типовими кривими для середньоальбедних астероїдів S-типу. Це є непрямим свідченням того, що Веста не належить до високоальбедних астероїдів (p_v?=_?0.42 за IRAS даними), на що було вказано ще раніше [52]. Альбедо, знайдене нами за всіма даними поляриметричних спостережень, складає p_v = 0.24.

Спектральні залежності параметрів ПОЕ показують, що амплітуда ПОЕ зменшується зі збільшенням довжини хвилі (до _?700 нм), в той час як положення мінімуму ПОЕ має слабку нелінійну залежність від довжини хвилі. Знайдено опозиційний ефект кольору астероїдів Ніза та Ангеліна, що підтверджує залежність параметрів ОЕ блиску від довжини хвилі. Виявлення спектральної залежності параметрів ПОЕ та ФОЕ виключно важливе, оскільки саме інтерференційний механізм повинен показувати залежність ОЕ від довжини хвилі, тоді як в рамках тіньового механізму параметри ФОЕ не залежать від довжини хвилі.