Prognoza aktywności Drakonidów podczas maksimum w 2011 roku

1. Wstęp

Drakonidy są rojem meteorów pojawiających się na początku października, których ciałem macierzystym jest kometa 21P/Giacobini-Zinner, odkryta w 1900 roku. Zarówno kometa jak i rój meteorów są szczególne. Kometa jest najuboższa w węgiel, a meteory zaś są najwolniejsze i najbardziej kruche spośród wszystkich innych. W przeszłości Drakonidy miały kilka okresów wzmożonej aktywności. Najbardziej znane miały miejsce w 1933 i 1946 roku., kiedy donoszono nawet o 10 tysiącach zjawisk na godzinę.

Bardziej współczesny wybuch aktywności w 2005 roku zaskoczył wszystkich z dwóch powodów: po pierwsze nie był przewidywany, a po drugie był spowodowany przede wszystkim meteoroidami o mikroskopijnych rozmiarach od 10 do 100 um, obserwowanych głównie radiowo, o czy m donosili Campbell-Brown et al. (2006). W ostatnich kilku latach było wiele przewidywań co do nasilenia aktywności w maksimum w październiku 2011 roku. W szczególności Wantabo i Sato (2008) wykazali, że zmianą aktywności samej komety można tłumaczyć poprzednie wyrzuty materii a także przewidzieli aktywność roju na poziomie kilkuset zjawisk na godzinę.

Przeprowadzona została gruntowna analiza mająca na celu ustalenie czego możemy się spodziewać po nadchodzącym maksimum w 2011 roku. Spodziewana aktywność w maksimum jest najtrudniejsza do prognozowania, ale jest to też często impuls aktywizujący setki czy może nawet tysiące obserwatorów, a także legitymizujący naukowe ekspedycje, choćby takie jak obserwacje Leonidów.

2. Metody

Szacunki wykonane przez Sato (2003) i Horii (2008) opierają się na najprostszej symulacji zgodnej z teorią strumienia pyłowego przedstawioną prze Ashera (2000). Założono że cząstki meteoroidów były wyrzucane równolegle do kierunku ruchu ciała macierzystego, zarówno w przód jak i w tył przy każdym przejściu komety przez peryhelium. Prędkości wyrzutu cząstek przyjęto w przedziale (-30 ; +30) m/s. gdzie minus oznacza wyrzut przeciwnie, a plus zgodnie z kierunkiem ruchu komety. Nie brane było pod uwagę ciśnienie promieniowania. Użyliśmy elementów orbitalnych komety obliczonych przez Kinoshita (2008), zawierających 20 przejść przez peryhelium w latach 1880-2005.

Szacunki wykonane przez Vaubaillona (2005) opierają się na zaawansowanych symulacjach numerycznych odtwarzających wyrzut cząstek i ewolucję strumienia meteoroidów w Układzie Słonecznym. Wadą tych szacunków jest to, że gęstość strumienia jest wyznaczana w oparciu o fotometrię ciała macierzystego. W tym wypadku wiemy, że jego aktywność ulegała znacznym zmianom w przeszłości, co czyni te szacunki mniej wiarygodnymi niż np. w przypadków Leonidów.

Mimo tych zastrzeżeń model można skalibrować poprzez zestawienie z wynikami minionych obserwacji. Symulacje zostały przeprowadzone przy pomocy superkomputera w centrum obliczeniowym CINES we Francji i objęły 24 przejścia komety przez peryhelium w latach 1852-2005. Podczas każdego przejścia wyrzucone zostały cząstki w trzech grupach wymiarowych od 0,1 mm do 10 cm, po 50 tysięcy w każdej grupie.

3. Wstępne wyniki – przewidywania dla minionych obserwacji

W celu przetestowania modeli sprawdzone zostało jak prognozują deszcze Drakonidów z lat 1933 i 1946. Oba modele przewidziały je prawidłowo i we właściwych datach. Rysunki 1 i 2 pokazują spotkanie roju z Ziemią. Deszcz z roku 1933 został spowodowany strumieniami uformowanymi w latach 1900 i 1907. Miały one odpowiednio 4 i 5 obiegów wokół Słońca, czyli bardzo młode. Strumienie nie zostały zaburzone przez Jowisza, były więc bardzo gęste. Dodatkowo spotkanie nastąpiło w tym samym punkcie orbity Ziemi. W pewnym sensie ten deszcz był podobny do maksimum Leonidów w 2001 roku, pomijając że został spowodowany kometą z rodziny Jowisza.

Tabela 1. Charakterystyka wybuchów Drakonidów w 1933 r. oraz 1946. Ujemna wartość odległości od Ziemi oznacza że Ziemia jest bliżej słońca niż strumienia meteroidowego.

Rysunek 1. Przejście strumienia Drakonidów przez orbitę Ziemi podczas wybuchu w 1933 r.

Rysunek 2. Przejście strumienia Drakonidów przez orbitę Ziemi podczas wybuchu 1946 r.

W 1946 Ziemia napotkała te same meteoroidy, ale tym razem towarzyszyły im także także bardzo młode strumienie, wyrzucone jeden obieg lub dwa przed maksimum. Można powiedzieć, że deszcz Drakonidów zw 1946 roku był deszczem idealnym.

W literaturze znajdują się doniesienia o liczbie zarejestrowanych zjawisk rzędu 10 tysięcy na godziną, co rozbudza nadzieje co do maksimum w 2011. Jednakże liczba zjawisk jest trudna do ustalenia, ponieważ nie istniały wówczas standardowe techniki redukcji danych.

Warto wspomnieć, że w dwóch przypadkach modele przewidziały inny wybuch aktywności, spowodowany przez strumienie wyrzucone przed odkryciem komety w XIX w. Niestety jednak jest to bardzo niepewne z kilku powodów, z których najważniejszy jest ten, że orbita komety jest słabo określona dla okresu sprzed odkrycia, ponieważ w roku 1908 nastąpiła jej zmiana pod wpływem Jowisza. W związku z tym konieczne jest dokładne poznanie orbity komety 21P.

4. Orbita komety 21P/Giacobini-Zinner

Kometa została odkryta w 1900 r. Niemal wszystkie następujące powroty były obserwowane. Ponieważ jest to kometa z rodziny Jowisza, do chwili obecnej zaobserwowanych było 15 powrotów. Nieznacznie różnice w parametrach orbity prowadzą do odmiennych przewidywań odnośnie aktywności Drakonidów w maksimum. W tabeli 2 pokazano wyniki przewidywań dla wybuchu aktywności w 1985 roku zestawione z obserwacjami, dostarczone przez JPL i IMCCE (wyjaśnienie akronimów w opisie tabeli). Należy zwrócić uwagę, że ten ostatni posłużył dla przewidywań opublikowanych przez Jenniskensa (2006). Od tego czasu uwzględniono także część mniej istotnych efektów aby dokładniej obliczyć orbitę komety. Niestety nie istniał wówczas ogólnie przyjęty standard prowadzenia obserwacji i zależały one od podejścia naukowca do danego przypadku. Metody zautomatyzowane biorą pod uwagę wszelkie dostępne dane, mieszczące się w przyjętych kryteriach, tym niemniej także ustalenie kryteriów jest arbitralne. W tym wypadku nie wiemy dokładnie jak dane zostały wówczas zredukowane, a wpływa to w sposób znaczący na parametry strumieni pokazane w tabeli.

Widać, że parametry podane przez JPL mogą wyjaśnić pierwszy wybuch aktywności podczas gdy te pochodzące od IS obarczone są błędem czasu 2 godzin. Można by sądzić, że parametry JPL są bliższe rzeczywistości, jednak nie tłumaczą drugiego wybuchu, przy którym lepsze okazują się te od IS. Ostrożnie mówiąc sytuacja jest zagadkowa, a przewidywania trudne.

Tabela 2. Wyniki przewidywań aktywności z 1985 roku na podstawie różnych modeli i zestawów danych:
“V-IMCCE” - (Vaubaillon et al., 2005) model Vaubaillona na podstawie danych o orbicie od P. Rocher,
“V-JPL” ten sam model na podstawie orbit z JPL,
“MS” model standardowy policzony przez Sato i Horii na podstawie orbit od Kinoshita;
“IS” wyniki I. Shanov opublikowane przez Jenniskensa (2006).

5. Spotkanie strumienia Drakonidów z Ziemią w 2011

Dla roku 2011 rozmaite modele potwierdzają możliwość wybuchu aktywności w maksimum Drakonidów. Rysunek 3 i tabela 3 pokazują warunki spotkania Ziemi i strumienia. Dobra wiadomość jest taka, że drugie i główne maksimum będzie spowodowane strumieniami cząstek wyrzuconych w roku 1900 i 1907, z którymi zetknęliśmy się już w klatach 1933 i 1946. Rysunek 4 pokazuje strumień wyrzucony z 1900 w roku 2011. Mimo że ten należący do rodziny Jowisza strumień liczy sobie 17 okrążeń Słońca nie jest mocno zaburzony. Te dwa fakty świadczą o nadchodzącym wybuchu aktywności. Tym niemniej, jak widzieliśmy poprzednio, orbita komety wciąż jest niewiadomą.

Rysunek 3. Przejście strumienia Drakonidów przez orbitę Ziemi w 2011 r.

Pierwsze maksimum jest przewidywane kilka godzin przed właściwym. Z powodu niepewności orbity to pierwsze zdarzenie jest wysoce niepewne. Analizy pokazują, że będzie złożone z relatywnie dużych cząstek (większych od 1 mm). W konsekwencji mamy nadzieję, że to maksimum będzie okazją aby pogłębić naszą wiedzę o orbicie komety.

Jak już wspomniano, nie istnieje fotometria komety z lat, w których nastąpiło wyrzucenie strumieni meteoroidów. W konsekwencji określenie natężenia strumienia bazuje na porównaniu rojów z roku 1933 i 1946. Niestety również same roje w tamtych latach nie są dokładnie poznane, ponieważ brakowało wówczas dobrze zdefiniowanej metody redukcji danych. Co więcej, Wantabe et al. (2008) wykazał, że aktywność komety zmieniła się pomiędzy tymi dwoma przejściami. W konsekwencji aktywność w maksimum może być dwukrotnie lub nawet więcej niedoszacowana lub przeszacowana.

6. Prognozowana aktywność

Aktywność roju w nadchodzącym maksimum nie jest tak dobrze określona jak na przykład Leonidów w 2002. Wydaje się pewne, że nastąpi wzmożenie aktywności powodowane meteoroidami wyrzuconymi w 1900 i 1907 roku. Jednakże Masłow (2011) przewiduje jedynie nieznaczne zwiększenie aktywności do najwyżej 50 zjawisk na godzinę. Dlaczego więc obserwacje są tak ważne? Według naszej wiedzy nadchodzący wybuch aktywności Drakonidów będzie pierwszym tak znacznym przewidzianym teoretycznie. Jak to już pokazano, będzie okazją do zbadania orbity komety z okresu sprzed jej odkrycia w 1900 roku. Co więcej będziemy mogli niezwykle szczegółowo obserwować rozpad najbardziej kruchych spośród meteorów w atmosferze Ziemi, korzystając z większej niż zwykle liczby zjawisk. To maksimum będzie też być może najbardziej obfite w zjawiska odkąd minęły wielkie dni Leonidów. Mamy nadzieję, że te prognozy zmotywują ludzi na całym świecie do wyjścia z domów i obserwowania zjawisk.

Ważne aby raporty zostały przesłane do IMO by powstała globalna analiza. Dzięki niej uzyskamy pełny obraz tego roju. Porównanie z tym, co wydarzyło się w roku 1933 i 1946 pozwoli nam wejrzeć w sposób, w jaki wówczas redukowano dane.

Tabela 3. Charakterystyka Drakonidów w 2011 r.

7. Planowane obserwacje

Ponieważ zwykle rój Drakonidów nie jest szczególnie obfity w zjawiska przewidywane wzmożenie aktywności daje nam wyjątkową szansę aby zbadać jego właściwości. Nie tylko możemy dzięki temu badać modele ewolucji innych rojów ale zbierzemy także więcej danych o meteoroidach, które są najbardziej kruche spośród wszystkich innych rojów (Borowiczka et al. 2007)

Czas wystąpienia maksimum faworyzuje Środkową i Wschodnią Europę, choć z drugiej strony pogoda o tej porze roku nie jest mocną stroną Starego Kontynentu. Stąd bierze się pomysł obserwacji z powietrza. Jeśli chodzi o warunki atmosferyczne najbardziej obiecujące są tereny Południowo-Wschodniej Europy, choć radiant będzie tam nisko nad horyzontem co spowoduje znaczny spadek liczby zjawisk. Wiadomo już, że jest organizowanych wiele wypraw do krajów śródziemnomorskich (Grecja, Izrael, Turcja itp.). Jak zwykle wkład poszczególnych krajów pozwoli stworzyć pełny obraz zjawiska. Obserwacje dokonywane automatycznie będą dostępne na stronie IMO.

Trzeba jeszcze raz podkreślić wagę pracy wykonywanej przez amatorów, zarówno jeśli chodzi o obserwacje jak i o analizę. Ponieważ przewidywany szczyt aktywności w Japonii nie będzie widoczny, japońscy obserwatorzy planują ekspedycję pod agendą Narodowego Obserwatorium Astronomicznego w Japonii (NAOJ). Przewidując możliwą pokrywę chmur japońscy astronomowie wybrali jako miejsce obserwacji Obserwatorium Maidanak, położone w centrum Euroazji, w Uzbekistanie. Obserwatorium to położone jest w pobliżu granicy z Afganistanem, na wysokości 2593 m n.p.m. Jest tam ponad 200 pogodnych nocy w roku, przede wszystkim od lipca do sierpnia – z prawdopodobieństwem 90%, aczkolwiek w tak wysokie prawdopodobieństwo pogodnych nocy w Październiku już nie występuje.

Rysunek 4. Trójwymiarowy rzut strumienia Drakonidów w październiku 2011 r.

Astronomowie NAOJ zamierzają spędzić w obserwatorium kilka dni przed i po maksimum, aby prowadzić obserwacje za pomocą kamer WATEC głównie w celu monitorowania aktywności roju.

W Europie planuje się wykorzystanie dwóch małych samolotów w celu przeprowadzenia obserwacji bazowych z powietrza. Francuski samolot SAFIRE (Submillimeter and Far-InfraRed Experiment ) Falcon 20 jest już sfinansowany i w trakcie przygotowań. Drugim będzie kolejny Falcon 20 - Niemieckiej Agencji Kosmicznej (DLR). Jeśli obie te maszyny będą dostępne - poleci jedna za drugą. Taka konfiguracja to nowatorski pomysł Mariusza Wiśniewskiego z Polskiej Sieci Bolidowej. Pozwoli użyć instrumentów po obu stronach kadłubów maszyn do równoczesnego prowadzenia obserwacji bazowych. Odległość między samolotami wyniesie około 100 km. Ponieważ długotrwałość lotu Falconów wynosi 4 godziny planujemy dwa starty aby objąć obserwacjami oba maksima. Bazą operacji będzie lotnisko Kiruna w północnej Szwecji, gdzie oba samoloty wylądują między maksimami w celu zatankowania. Czasu będzie bardzo mało, więc dokładne planowanie jest podstawą.

Każdy samolot będzie przenosił szereg instrumentów, długoogniskowe (40o) i szerokokątne (90-120o ) kamery wideo nagrywające z niską (1 kl./s) i dużą (50 kl./s) prędkością jak również kamery spektralne pracujące w zakresie światła widzialnego i podczerwieni. Samolot SAFIRE będzie niósł 10 instrumentów, a DLR 6 lub 7. Celem misji jest jest zmierzenie liczebności roju, profilu aktywności, fotometrii, trajektorii i widm meteorów. Jeśli obie maszyny będą dostępne zostaną także zbadane orbity heliocentryczne. Być może NASA dołączy z samolotem Gulfstream.

Ponieważ maksimum będzie widoczne w sobotę o rozsądnej godzinie, będzie doskonałą okazją dla popularyzacji nauki, astronomii i meteorów. Wiele organizacji amatorskich zaistnieje publicznie tej nocy. Nie należy pomniejszać tego faktu, gdyż wielu zawodowych astronomów zainteresowało się nauką będąc świadkiem maksimum roju meteorów.

8. Wnioski

Większość metod użytych do przewidywań prognozuje wybuch aktywności Drakonidów w 2011 roku. Bazując na poprzednich obserwacjach wybuch ten nastąpi 8 października około godziny 20.00 UT. Liczba zjawisk jest trudna do przewidzenia z powodu szczególnej orbity komety. Obserwacje meteorów jak też opracowane dane spływające w następnych miesiącach pozwolą nam wejrzeć ww strukturę strumienia meteoroidów wyrzuconych z komety 21P.

Opracowanie powstało na postawie artykułu:

The coming 2011 Draconids meteor shower

Jeremie Vaubaillon, Junichi Watanabe, Mikiya Sato, Shun Horii and Pavel Koten

WGN 39-3 (2011)

Referencje:

Asher D. J. (2000). “Leonid dust trail theories”. In Arlt
R., editor, Proceedings of the International Meteor
Conference, Frasso Sabino, Italy, 23–26 September
1999, pages 5–21. International Meteor Organization.
Boroviˇcka J., Spurn´y P., and Koten P. (2007). “Atmospheric
deceleration and light curves of Draconid
meteors and implications for the structure
of cometary dust”. Astronomy and Astrophysics,
473:2, 661–672.

Campbell-Brown M., Vaubaillon J., Brown P., Weryk
R. J., and Arlt R. (2006). “The 2005 Draconid
outburst”. Astronomy and Astrophysics, 451:1,
339–344.

Ehgamberdiev S. A., Baijumanov A. K., Ilyasov S. P.,
Sarazin M., Tillayev Y. A., Tokovinin A. A., and
Ziad A. (2000). “The astroclimate of Maidanak
Observatory in Uzbekistan”. Astronomy and Astrophysics
Supplement, 145, 293–304.

Horii S., Watanabe J., and Sato M. (2008). “Meteor
showers originated from 73P/Schwassmann Wachmann”.
Earth, Moon, and Planets, 102:1-4, 85–89.

Jenniskens P. (2006). Meteor Showers and their Parent
Comets. Cambridge University Press, Cambridge,
UK.

Kinoshita K. (2008). “21P/Giacobini-Zinner”.
http://jcometobs.web.fc2.com/pcmtn/
0021p.htm .

Maslov M. (2011). “Future Draconid outbursts (2011 –
2100)”. WGN, Journal of the IMO, 39:3, 64–67.

Sato M. (2003). “An investigation into the 1998 and
1999 Giacobinids by meteoroid trajectory modeling”.
WGN, Journal of the IMO, 31:2, 59–63.

Vaubaillon J., Colas F., and Jorda L. (2005). “A new
method to predict meteor showers. I. Description of
the model”. Astronomy and Astrophysics, 439:2,
751–760.

Watanabe J. and Sato M. (2008). “Activities of parent
comets and related meteor showers”. Earth, Moon,
and Planets, 102:1-4, 111–116.