Анотація до роботи:

Розенбуш В.К. Властивості розсіяного випромінювання малих тіл Сонячної системи. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора фізико-математичних наук за спеціальністю 01.03.03 - Геліофізика і фізика Сонячної системи. - Головна астрономічна обсерваторія НАН України, Київ, 2006.

Дисертація присвячена дослідженню 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. Висновки дисертації ґрунтуються на дослідженні поляриметричного і фотометричного спостережного матеріалу 21 комети, 10 супутників планет та 6 астероїдів, отриманого дисертантом протягом 1988-2006рр. на різних телескопах з апертурними і панорамними приймачами випромінювання. Наведено результати комплексних досліджень опозиційних ефектів у різних тілах Сонячної системи, зокрема відкриті поляризаційні опозиційні ефекти в деяких високоальбедних об’єктах. На основі поляриметричних та фотометричних даних на малих фазових кутах виділено клас високоальбедних об’єктів (астероїди 44 Ніза і 64 Ангеліна, супутники Іо, Європа, Ганімед і Япет, А і В кільця Сатурна) з унікальними опозиційними властивостями і тим самим експериментально доведено, що механізм когерентного підсилення зворотного розсіяння є ефективним фізичним механізмом розсіяння світла в природному середовищі Сонячної системи. Проведено розділення фазових і довготних залежностей поляризації випромінювання супутників Калісто та Япета. Виявлена залишкова поляризація випромінювання супутників Іо, Європи і Ганімеда в точці інверсії, що може бути пояснено структурною і/або оптичною неоднорідністю поверхні. Запропоновано нову класифікацію комет, яка ґрунтується на властивостях розсіяного і теплового випромінювання пилу. Виявлені особливості в поляризованому випромінюванні комет, зокрема аномальна спектральна залежність лінійної поляризації, кругова поляризація випромінювання комет, орієнтація пилових частинок у кометних атмосферах, варіації поляризації під час нестаціонарних процесів у кометах. Отримані нові закономірності й ефекти у розсіяному випромінюванні вибраних астероїдів та супутників.

В дисертації представлені результати досліджень, які проводив автор, починаючи з кінця 80-х років минулого сторіччя й до останнього часу. Загалом проведено дослідження 21 комети, 10 супутників планет та 6 астероїдів, що є значним внеском до експериментального базису, необхідного для розвитку теорії розсіяння світла, моделювання та інтерпретації. Проведені дослідження направлені на вивчення властивостей випромінювання, розсіяного на пилових частинках малих тіл Сонячної системи – супутників планет, астероїдів, комет. Дослідження взаємозв’язку між найрізноманітнішими членами Сонячної системи – від планет до об’єктів пояса Койпера – один із напрямків у вирішенні космогонічних проблем, який веде до більш повного уявлення про Сонячну систему в цілому. З іншого боку, результати даного дослідження пов’язані з вирішенням проблеми механізмів розсіяння світла, які адекватно пояснюють виникнення лінійної та кругової поляризації розсіяного випромінювання різних тіл Сонячної системи.

Основні результати дисертаційної роботи наступні:

Отримано значний обсяг даних, який ґрунтується на результатах поляриметричних та фотометричних досліджень вибраних об’єктів трьох популяцій малих тіл Сонячної системи – комет, астероїдів та супутників планет. Дані щодо лінійної (13-ти) та кругової (3-х) поляризації випромінювання комет включені до створеного за участю автора Поляриметричного банку кометних даних (), який є складовою частиною Міжнародної бази даних NASA Planetary Data System.

Вперше виявлені поляризаційні опозиційні ефекти у вигляді вторинних мінімумів від’ємної поляризації біля опозиції у супутників Юпітера Іо, Європи й Ганімеда, веденої півкулі супутника Сатурна Япета та астероїдів 44 Ніза і 64 Ангеліна й визначені їхні параметри. Тим самим на основі поляриметричних та фотометричних даних на малих фазових кутах виділено клас високоальбедних об’єктів з унікальними опозиційними властивостями та 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 у середньоальбедних супутника Калісто та астероїда 4 Веста й низькоальбедної ведучої сторони Япета поляризаційний опозиційний ефект відсутній.

На основі існуючих наземних та космічних фотометричних і поляриметричних спостережень об’єктів з різними фізичними властивостями та походженням (БКТ, кільця, кометні та міжпланетні пилові частинки) встановлено взаємозв’язок між параметрами ОЕ, фазовою залежністю від’ємної поляризації та геометричним альбедо, який вказує на спільне походження фотометричних і поляризаційних опозиційних явищ. Виявлено розподіл усіх вивчених БКТ на дві групи з різними розсіювальними властивостями, що вказує на різний відносний внесок когерентного підсилення зворотного розсіяння та тіньового ефекту у формування опозиційних ефектів у високольбедних і низькоальбедних об’єктах.

Отримані спектральні залежності параметрів ПОЕ та регулярної ФЗП для астероїдів Е-типу і галілеєвих супутників Юпітера. Для кожного об’єкта спостерігаються свої індивідуальні особливості як у залежностях параметрів ОЕ від довжини хвилі, так і в їхніх залежностях від геометричного альбедо. Фазові залежності показників кольору U-B, B-V, V-R і R-I астероїдів 64 Ангеліна та 44 Ніза показують нелінійний хід на фазових кутах a<1.5, що свідчить про спектральну залежність ОЕ блиску.

Отримані фазові криві яскравості п’яти великих супутників Урана в спектральних смугах 0.25, 0.41, 0.48, 0.56, 0.75, 0.91 та 1.8 мкм і визначені їхні параметри, які включають амплітуду і кутову ширину опозиційного піку яскравості та фазовий коефіцієнт лінійної частини. Знайдено геометричне альбедо кожного супутника з урахуванням ОЕ яскравості. Показано, що відбивні здатності супутників на різних фазових кутах лінійно залежать від довжини хвилі, але мають різні спектральні градієнти.

Розроблено метод і проведено розподіл фазових та довготних залежностей поляризації випромінювання Калісто. Визначені параметри фазових, довготних та спектральних залежностей поляризації для ведучої та веденої півкуль супутника. Виявлено зв’язок між ступенем поляризації і локальними альбедними та структурними утвореннями на поверхні Калісто. Вперше отримані фазові та довготні залежності поляризації для ведучої і веденої півкуль Япета.

Вперше знайдено ненульовий ступінь поляризації випромінювання супутників Іо, Європи та Ганімеда в точці інверсії. Це означає, що другий та третій параметри Стокса одночасно не дорівнюють нулю. Показано, що випромінювання Юпітера, розсіяного супутником Іо, не вносить помітної поляризації у його випромінювання. Залишкова поляризація та плавний поворот площини поляризації супутників в точці інверсії можуть бути обумовлені структурною та/чи оптичною неоднорідністю поверхні.

Отримана складова ФЗП випромінювання астероїдів Е-типу в UBVRI фільтрах у діапазоні фазових кутів 0-83, 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%, a_min»6, a_inv»19 та фазову криву позитивної поляризації з максимумом P_max»1.7% на фазовому куті a_max»71.

Виявлена значуща кореляція між великою піввіссю орбіт малих тіл Сонячної системи та амплітудою ФОЕ і градієнтом поляризації в діапазоні фазових кутів 0-1. Коефіцієнти кореляції відповідно дорівнюють 0.803 та -0.737. Отримані залежності свідчать про те, що в основі опозиційних ефектів усіх досліджених малих тіл лежить єдиний фізичний фактор, яким може бути агрегатна структура космічного пилу, і що з віддаленням від Сонця переважає більш примітивний та малоперероблений матеріал, тобто склад та структура пилової складової малих тіл зберегли свої первинні властивості, набуті при формуванні Сонячної системи.

Вперше отримано фазову залежність кольору комети Галлея, згідно з якою показник кольору пилу BC-RC систематично зменшується зі збільшенням фазового кута, що може бути пояснено зменшенням середнього розміру пилових частинок з наближенням комети до Сонця. Визначені параметри фазової функції блиску комети Галлея: амплітуда Dm=0.68^m, кутова напівширина опозиційного ефекту HWHM=6.4, фазовий коефіцієнт b=0.0045 зор.вел/град, початок нелінійного збільшення блиску на ~30.

На основі дослідження комет Леві, Свіфта-Туттля, Табура, А2 (LINEAR) та Енке показано, що значне зменшення ступеня поляризації випромінювання газових комет відбувається внаслідок проникнення молекулярних емісій в смуги континууму. Його врахування є принципово важливим для класифікації комет за величиною максимального ступеня поляризації. Зроблено висновок, що поділ комет на дві групи – пилові та газові – за ступенем поляризації на великих фазових кутах є артефактом, викликаним низькою просторовою та спектральною роздільною здатністю апаратури. Запропоновано нову класифікацію комет. До І типу відносяться комети, які показують високий ступінь поляризації в навколоядерній області коми, відсутність чи слабкість силікатних емісій, концентрацію компактних агрегатних пилинок поблизу ядра. До ІІ типу відносяться комети, для яких характерні високий ступінь поляризації по всій комі, сильні силікатні емісії, протяжні пилові атмосфери з пористими агрегатними пилинками. Виявлені відмінності двох груп комет пов’язані з властивостями їхніх ядер, які залежать від часу інсоляції.

Вперше виявлено від’ємний градієнт спектральної залежності поляризації випромінювання комет Джакобіні-Циннера, Швассмана-Вахмана 3 (ядра В і С) й опосередковано Темпеля 1. Виділена група з п’яти комет з аномальною спектральною залежністю поляризації. За незвичним хімічним складом газової складової ці комети відносяться до комет пояса Койпера. Аномальна спектральна залежність поляризації, властива кометам цієї групи, незалежно підтверджує, що розбіжності у властивостях пилу також пов’язані з місцями утворення комет.

Визначено ступінь лінійної поляризації випромінювання молекул NH₂(0,7,0) в кометах А2 (LINEAR) та Енке і отримано його фазову залежність. Показано, що ступінь поляризації випромінювання молекул NH₂ близький до теоретичної фазової залежності поляризації резонансно-флуоресцентного випромінювання двохатомних молекул С₂ та CN.

Унікальні поляриметричні спостереження покриття зірок атмосферами комет Леві та Хейла-Боппа дали перші прямі спостережні докази наявності в атмосферах комет орієнтованих несферичних частинок. Аналіз лінійної поляризації розсіяного випромінювання кометного пилу та поглинання світла зірок, яке пройшло крізь атмосфери комет, показує, що дуже малі (релеївські) орієнтовані несферичні частинки домінували в атмосферах комет Леві та Хейла-Боппа.

Для комети Галлея знайдено систематичні відхилення параметра Стокса u_sca та кута q_r від нульового значення, в середньому %, . Параметр u_sca показує залежність від фазового кута. За апертурними та ПЗЗ спостереженнями комети Хейла-Боппа в різних фільтрах знайдено відхилення q_r на 1-1.5є в оболонках та між ними. Виявлені відхилення свідчать про присутність компоненти поляризації, не пов’язаної з площиною розсіяння, яка може бути обумовлена глобальною орієнтацією несферичних пилових частинок в атмосферах комет Галлея та Хейла-Боппа.

Результати дослідження кругової поляризації комет Хейла-Боппа, S4 (LINEAR) і Q4 (NEAT): а) зареєстрована лише лівостороння поляризація випромінювання комети Хейла-Боппа з максимальною величиною в оболонках Р_c= -0.26±0.02% та мінімальною в навколо ядерній області коми Р_c=-0.08%. Знайдено варіації ступеня кругової поляризації по комі до 0.1%. В цілому, просторовий розподіл ступеня кругової поляризації по комі відповідає розподілу лінійної поляризації та поверхневої яскравості; б) отримані просторові розподіли кругової поляризації під час розпаду комети S4 (LINEAR). Зареєстрована як лівостороння, так і правостороння кругова поляризація, в середньому |Р_c|.0.8%. Одразу ж після повного розпаду комети зареєстрована лише лівостороння кругова поляризація, Р_c»-0.4%; в) отримано розподіли вздовж розрізів по комі кругової P_c та лінійної Р поляризації випромінювання комети Q4 (NEAT), а також кута q_r. Знайдені значущі коефіцієнти кореляції свідчать про досить сильний зв’язок між змінами параметрів P_c і P, а також між P_c та q_r вздовж розрізів; г) вперше отримано складову фазову залежність кругової поляризації випромінювання комет, згідно з якою абсолютна величина ступеня поляризації лінійно збільшується з фазовим кутом, досягаючи значення P_с= 0.4% на фазовому куті 120. Показано, що фазова залежність ступеня кругової поляризації якісно співвідноситься з наявними модельними розрахунками.

Вперше виявлено, що в усіх досліджених кометах кругова поляризація є переважно лівосторонньою. Це підтверджує гіпотезу щодо опромінення космічної органіки в протопланетній туманності циркулярно поляризованим світлом. Показано, що кругова поляризація комети S4 (LINEAR) може виникати внаслідок розсіяння світла на частково орієнтованих агрегатних частинках та/чи розсіяння на оптично активних частинках.

Оцінки відстаней, до яких відбувається орієнтація частинок в комі газовими потоками та сонячним випромінюванням, добре узгоджуються з відстанями, де виміряна кругова поляризація в кометі S4 (LINEAR). Тим самим підтверджується, що найбільш ефективними механізмами орієнтації частинок в кометних атмосферах є механічна орієнтація та орієнтація сонячним випромінюванням.

Виявлено взаємозв’язок між ступенем кругової поляризації комети S4 (LINEAR), блиском комети і швидкістю продукування води, які безпосередньо пов’язані з активністю комети, й ступенем лінійної поляризації. Зареєстровано варіації ступеня та положення площини лінійної поляризації під час нестаціонарних процесів у кометах Леві, А2 (LINEAR) та Т7 (LINEAR), що може свідчити про зміну середнього розміру частинок та/чи їхнього показника заломлення. Не знайдено значних відмінностей між ФЗП комет, які розпалися (Веста, Брукса 2, Ліллера, Табура, А2 (LINEAR), Швассмана-Вахмана 3 (ядра С та В)), та складовою ФЗП для нормальних комет (які не розпалися на фрагменти).

Виявлені й досліджені особливості в лінійній поляризації випромінювання комет, зокрема: а) ступінь поляризації комети Хейла-Боппа був найвищим серед комет на відповідних фазових кутах, причому в оболонках він був вищий, ніж в оточуючих областях коми; б) значні (до ~0.5%) варіації ступеня поляризації комети Т7 (LINEAR) в дуже вузькому діапазоні фазових кутів (6.4– 6.8) на геліоцентричній відстані 2.7 а.о.

Знайдено нові закономірності й ефекти в досліджуваних астероїдах та визначені деякі фізичні характеристики, зокрема: а) АНЗ 33342 (1998 WT24) належить до Е-типу, геометричне альбедо p_v=0.43, розмір складає 0.420.33 км, середній розмір частинок реголіту ~25 мкм; б) показники кольору на нульовому фазовому куті (U-B, B-V, V-R, R-I) і фазові коефіцієнти кольору астероїдів 44 Ніза та 64 Ангеліна значно розрізняються, а саме: відбите світло Ангеліни стає червонішим зі збільшенням фазового кута, тобто має місце “фазове почервоніння”, тоді як Ніза показує посиніння зі збільшенням фазового кута, що є наслідком різного мінералогічного складу; в) систематичне відхилення площини поляризації карликової планети Церера від положення, ортогонального до площини розсіяння, що може бути викликано структурною асиметрією поверхні, а саме нахилами ділянок поверхні астероїда по відношенню до площини розсіяння; г) систематичні варіації ступеня поляризації (до ~0.06%) і кута q_r (до ~5) з обертанням астероїда 4 Веста, причому варіації q_r знаходяться у протифазі зі змінами ступеня поляризації. Виявлені варіації зв’язані як з альбедними, так і макроструктурними неоднорідностями поверхні.