Astronomía

Los cometas difieren de los asteroides principalmente en su composición helada, una diferencia que hace que se iluminen dramáticamente a medida que se acercan al Sol, formando una atmósfera temporal. En algunas culturas tempranas, estas llamadas “estrellas peludas” se consideraban presagios de desastre. Hoy en día, ya no tememos a los cometas, sino que anticipamos ansiosamente a aquellos que se acercan lo suficiente a nosotros para hacer un buen espectáculo en el cielo.

Aparición de cometas

Un cometa es un trozo relativamente pequeño de material helado (normalmente de unos pocos kilómetros de diámetro) que desarrolla una atmósfera a medida que se acerca al Sol. Más tarde, puede haber una cola nebulosa muy débil, que se extiende a varios millones de kilómetros del cuerpo principal del cometa. Los cometas se han observado desde los primeros tiempos: los relatos de cometas se encuentran en las historias de prácticamente todas las civilizaciones antiguas. El cometa típico, sin embargo, no es espectacular en nuestros cielos, sino que tiene la apariencia de un punto de luz bastante débil y difuso, algo más pequeño que la Luna y muchas veces menos brillante. (Los cometas parecían más espectaculares para la gente antes de la invención de la iluminación artificial, que compromete nuestra visión del cielo nocturno.)

Al igual que la Luna y los planetas, los cometas parecen vagar entre las estrellas, cambiando lentamente sus posiciones en el cielo de noche en noche. Sin embargo, a diferencia de los planetas, la mayoría de los cometas aparecen en momentos impredecibles, lo que tal vez explique por qué inspiraban miedo y superstición en épocas anteriores. Los cometas suelen permanecer visibles durante períodos que varían de un par de semanas a varios meses. Diremos más sobre de qué están hechos y cómo se hacen visibles después de discutir sus movimientos.

Tenga en cuenta que las imágenes fijas de cometas dan la impresión de que se mueven rápidamente a través del cielo, como un meteoro brillante o una estrella fugaz. Mirando solo estas imágenes, es fácil confundir cometas y meteoros. Pero vistos en el cielo real, son muy diferentes: el meteoro se quema en nuestra atmósfera y desaparece en pocos segundos, mientras que el cometa puede ser visible durante semanas en casi la misma parte del cielo.

El cometa orbita

Figura 1: Cometa Halley. Esta combinación de tres imágenes (una en rojo, otra en verde y otra en azul) muestra al Cometa Halley visto con un gran telescopio en Chile en 1986. Durante el tiempo en que las tres imágenes fueron tomadas en secuencia, el cometa se movió entre las estrellas. El telescopio se movió para mantener la imagen del cometa estable, haciendo que las estrellas aparecieran por triplicado (una vez en cada color) en el fondo. (crédito: modificación del trabajo de ESO)

El estudio de los cometas como miembros del sistema solar data de la época de Isaac Newton, quien sugirió por primera vez que orbitaban el Sol en elipses extremadamente alargadas. El colega de Newton Edmund Halley (ver el Edmund Halley: Astronomy’s Renaissance Man) desarrolló estas ideas, y en 1705 publicó cálculos de 24 órbitas de cometas. En particular, señaló que las órbitas de los cometas brillantes que habían aparecido en los años 1531, 1607 y 1682 eran tan similares que los tres bien podrían ser el mismo cometa, regresando al perihelio (el acercamiento más cercano al Sol) a intervalos promedio de 76 años. Si es así, predijo que el objeto regresaría alrededor de 1758. Aunque Halley había muerto para cuando el cometa apareció como él predijo, se le dio el nombre de Cometa Halley (rima con “valle”) en honor al astrónomo que lo reconoció por primera vez como un miembro permanente de nuestro sistema solar, orbitando alrededor del Sol. Su afelio (el punto más alejado del Sol) está más allá de la órbita de Neptuno.

Ahora sabemos por registros históricos que el cometa Halley ha sido observado y registrado en cada pasada cerca del Sol desde el año 239 a. C. a intervalos que van de 74 a 79 años. El período de su retorno varía un poco debido a los cambios orbitales producidos por la atracción de los planetas gigantes. En 1910, la Tierra fue rozada por la cola del cometa, causando mucha preocupación pública innecesaria. El cometa Halley apareció por última vez en nuestros cielos en 1986 (Figura 1), cuando fue encontrado por varias naves espaciales que nos dieron una gran cantidad de información sobre su composición; regresará en 2061.

Edmund Halley: Hombre Renacentista de la Astronomía

Figura 2: Edmund Halley (1656-1742). Halley fue un prolífico contribuyente a las ciencias. Su estudio de cometas a principios del siglo XVIII ayudó a predecir la órbita del cometa que ahora lleva su nombre.

Edmund Halley (Figura 2), un astrónomo brillante que hizo contribuciones en muchos campos de la ciencia y la estadística, era, según todos los relatos, una persona generosa, cálida y extrovertida. En esto, era todo lo contrario de su buen amigo Isaac Newton, cuya gran obra, the Principia (véase Orbits and Gravity), Halley animó, editó y ayudó a pagar para publicarla. El propio Halley publicó su primer artículo científico a los 20 años, cuando aún estaba en la universidad. Como resultado, se le dio una comisión real para ir a Santa Elena (una isla remota frente a la costa de África donde Napoleón más tarde sería exiliado) para realizar la primera exploración telescópica del cielo del sur. Después de regresar, recibió el equivalente a una maestría y fue elegido para la prestigiosa Royal Society de Inglaterra, todo a la edad de 22 años.

Además de su trabajo sobre cometas, Halley fue el primer astrónomo en reconocer que las llamadas estrellas “fijas” se mueven en relación unas con otras, al notar que varias estrellas brillantes habían cambiado sus posiciones desde la publicación de Ptolomeo de los antiguos catálogos griegos. Escribió un artículo sobre la posibilidad de un universo infinito, propuso que algunas estrellas pueden ser variables, y discutió la naturaleza y el tamaño de las nebulosas (estructuras brillantes como nubes visibles en los telescopios). Mientras estaba en Santa Elena, Halley observó el planeta Mercurio cruzando la cara del Sol y desarrolló las matemáticas de cómo dichos tránsitos podrían usarse para establecer el tamaño del sistema solar.

En otros campos, Halley publicó la primera tabla de esperanza de vida humana (el precursor de las estadísticas de seguros de vida); escribió artículos sobre monzones, vientos alisios y mareas (trazando las mareas en el Canal de la Mancha por primera vez); sentó las bases para el estudio sistemático del campo magnético de la Tierra; estudió la evaporación y; e incluso diseñó una campana de buceo submarino. Sirvió como diplomático británico, asesorando al emperador de Austria y escudriñando al futuro zar de Rusia alrededor de Inglaterra (discutiendo ávidamente, se nos dice, tanto la importancia de la ciencia como la calidad del brandy local).

En 1703, Halley se convirtió en profesor de geometría en Oxford, y en 1720, fue nombrado Astrónomo Real de Inglaterra. Continuó observando la Tierra y el cielo y publicando sus ideas durante otros 20 años, hasta que la muerte lo reclamó a los 85 años.

Solo unos pocos cometas regresan en un tiempo mensurable en términos humanos (menos de un siglo), como lo hace el cometa Halley; estos son llamados cometas de período corto. Muchos cometas de período corto han cambiado sus órbitas al acercarse demasiado a uno de los planetas gigantes, la mayoría de las veces Júpiter (y, por lo tanto, a veces se les llama cometas de la familia Júpiter). La mayoría de los cometas tienen largos períodos y tardarán miles de años en regresar, si es que regresan. Como veremos más adelante en este capítulo, la mayoría de los cometas de la familia de Júpiter provienen de una fuente diferente a los cometas de período largo (aquellos con períodos orbitales más largos de aproximadamente un siglo).

Existen registros observacionales de miles de cometas. Fuimos visitados por dos cometas brillantes en las últimas décadas. Primero, en marzo de 1996, llegó el Cometa Hyakutake, con una cola muy larga. Un año después, apareció el cometa Hale-Bopp; era tan brillante como las estrellas más brillantes y permaneció visible durante varias semanas, incluso en áreas urbanas (ver la imagen que abre este capítulo).

La tabla 1 enumera algunos cometas bien conocidos cuya historia o apariencia es de especial interés.

El núcleo del cometa

Cuando miramos a un cometa activo, todo lo que normalmente vemos es su atmósfera temporal de gas y polvo iluminada por la luz solar. Esta atmósfera se llama la cabeza del cometa o coma. Dado que la gravedad de estos cuerpos pequeños es muy débil, la atmósfera se escapa rápidamente todo el tiempo; debe ser reabastecida con material nuevo, que tiene que venir de alguna parte. La fuente es el pequeño núcleo sólido en el interior, de unos pocos kilómetros de diámetro, generalmente oculto por el brillo de la atmósfera mucho más grande que lo rodea. El núcleo es el cometa real, el fragmento de material helado antiguo responsable de la atmósfera y la cola (Figura 3).

Figura 3: Partes de un cometa. Esta ilustración esquemática muestra las partes principales de un cometa. Tenga en cuenta que las diferentes estructuras no están a escala.

La teoría moderna de la naturaleza física y química de los cometas fue propuesta por primera vez por el astrónomo de Harvard Fred Whipple en 1950. Antes del trabajo de Whipple, muchos astrónomos pensaban que el núcleo de un cometa podría ser una agregación suelta de sólidos, una especie de “banco de grava” en órbita, Whipple propuso en su lugar que el núcleo es un objeto sólido de unos pocos kilómetros de diámetro, compuesto en parte sustancial de hielo de agua (pero con otros hielos también) mezclado con granos de silicato y polvo. Esta propuesta se conoció como el modelo “bola de nieve sucia”.

Figura 4: Polvo de Cometa Capturado. Se cree que esta partícula (vista a través de un microscopio) es un pequeño fragmento de polvo cometario, recogido en la atmósfera superior de la Tierra. Mide aproximadamente 10 micras, o 1/100 de milímetro, de ancho. (crédito: NASA / JPL)

El vapor de agua y otros elementos volátiles que escapan del núcleo cuando se calienta se pueden detectar en la cabeza y la cola del cometa, y por lo tanto, podemos usar espectros para analizar en qué átomos y moléculas consiste el núcleo de hielo. Sin embargo, estamos un poco menos seguros del componente no helado. Nunca hemos identificado un fragmento de materia sólida de un cometa que haya sobrevivido al paso por la atmósfera de la Tierra. Sin embargo, las naves espaciales que se han acercado a los cometas han llevado detectores de polvo, e incluso se ha devuelto parte del polvo de los cometas a la Tierra (véase la Figura 4). Parece que gran parte de la” suciedad ” en la bola de nieve sucia son hidrocarburos y silicatos oscuros y primitivos, más bien como el material que se cree que está presente en los asteroides oscuros y primitivos.

Dado que los núcleos de cometas son pequeños y oscuros, son difíciles de estudiar desde la Tierra. La nave espacial obtuvo mediciones directas de un núcleo de cometa, sin embargo, en 1986, cuando tres naves espaciales pasaron junto al Cometa Halley a corta distancia (véase la Figura 5). Posteriormente, otras naves espaciales han volado cerca de otros cometas. En 2005, la nave espacial de Impacto Profundo de la NASA incluso llevó una sonda para un impacto de alta velocidad con el núcleo del Cometa Tempel 1. Pero, con diferencia, el estudio más productivo de un cometa ha sido para la misión Rosetta de 2015, de la que hablaremos en breve.

La atmósfera del Cometa

La espectacular actividad que nos permite ver cometas es causada por la evaporación de los hielos de cometas calentados por la luz solar. Más allá del cinturón de asteroides, donde los cometas pasan la mayor parte de su tiempo, estos hielos están sólidamente congelados. Pero a medida que un cometa se acerca al Sol, comienza a calentarse. Si el hielo dominante es el agua (H2O), cantidades significativas se vaporizan a medida que la luz solar calienta la superficie por encima de los 200 K. Esto sucede para el cometa típico algo más allá de la órbita de Marte. El H2O que se evapora a su vez libera el polvo que se mezcló con el hielo. Dado que el núcleo del cometa es tan pequeño, su gravedad no puede contener ni el gas ni el polvo, los cuales fluyen hacia el espacio a velocidades de aproximadamente 1 kilómetro por segundo.

El cometa continúa absorbiendo energía a medida que se acerca al Sol. Gran parte de esta energía va a la evaporación de su hielo, así como al calentamiento de la superficie. Sin embargo, observaciones recientes de muchos cometas indican que la evaporación no es uniforme y que la mayor parte del gas se libera en chorros repentinos, tal vez confinados a unas pocas áreas de la superficie. Expandiéndose al espacio a una velocidad de aproximadamente 1 kilómetro por segundo, la atmósfera del cometa puede alcanzar un tamaño enorme. El diámetro de la cabeza de un cometa es a menudo tan grande como Júpiter, y a veces puede acercarse a un diámetro de un millón de kilómetros (Figura 6).

Figura 6: Cabeza del cometa Halley. Aquí vemos la nube de gas y polvo que forman la cabeza, o coma, del cometa Halley en 1986. En esta escala, el núcleo (oculto dentro de la nube) sería un punto demasiado pequeño para verlo. (crédito: modificación del trabajo de la NASA / W. Liller)

Figura 7: Órbita y Cola de cometas. La orientación de la cola típica de un cometa cambia a medida que el cometa pasa el perihelio. Al acercarse al Sol, la cola está detrás de la cabeza del cometa entrante, pero al salir, la cola precede a la cabeza.

La mayoría de los cometas también desarrollan colas a medida que se acercan al Sol. La cola de un cometa es una extensión de su atmósfera, que consiste en el mismo gas y polvo que forman su cabeza. Ya en el siglo XVI, los observadores se dieron cuenta de que las colas de los cometas siempre apuntan lejos del Sol (Figura 7), no hacia atrás a lo largo de la órbita del cometa. Newton propuso que las colas de cometas se forman por una fuerza repulsiva de la luz solar que aleja las partículas de la cabeza, una idea cercana a nuestra visión moderna.

Los dos componentes diferentes que componen la cola (el polvo y el gas) actúan de manera algo diferente. La parte más brillante de la cola se llama cola de polvo, para diferenciarla de una cola más tenue y recta hecha de gas ionizado, llamada cola de iones. La cola de iones es llevada hacia afuera por corrientes de iones (partículas cargadas) emitidas por el Sol. Como se puede ver en la Figura 8, la cola de polvo más suave se curva un poco, ya que las partículas de polvo individuales se extienden a lo largo de la órbita del cometa, mientras que el ion recto es una cola empujada más directamente hacia afuera desde el Sol por el viento de partículas cargadas de nuestra estrella

Figura 8: Colas de cometas. a) A medida que un cometa se acerca al Sol, sus rasgos se hacen más visibles. En esta ilustración de la NASA que muestra el cometa Hale-Bopp, se pueden ver las dos colas de un cometa: la cola de polvo más fácilmente visible, que puede tener hasta 10 millones de kilómetros de largo, y la cola de gas más débil (o cola de iones), que tiene hasta cientos de millones de kilómetros de largo. Los granos que componen la cola de polvo son del tamaño de partículas de humo. b) El cometa Mrkos fue fotografiado en 1957 con un telescopio de campo amplio en el Observatorio Palomar y también muestra una clara distinción entre la cola recta de gas y la cola curva de polvo. (crédito a: modificación del trabajo de ESO / E. Slawik; crédito b: modificación del trabajo de Charles Kearns, George O. Abell y Byron Hill)

La Misión del Cometa Rosetta

En la década de 1990, los científicos europeos decidieron diseñar una misión mucho más ambiciosa que combinara órbitas con un cometa entrante y lo siguiera a medida que se acercaba al Sol. También propusieron que una nave espacial más pequeña intentara aterrizar en el cometa. La nave espacial principal de 2 toneladas se llamó Rosetta, que llevaba una docena de instrumentos científicos, y su módulo de aterrizaje de 100 kilogramos con nueve instrumentos más se llamó Philae.

La misión Rosetta se lanzó en 2004. Los retrasos con el cohete de lanzamiento hicieron que perdiera su cometa objetivo original, por lo que se eligió un destino alternativo, el cometa Churyumov-Gerasimenko (llamado así por los dos descubridores, pero generalmente denotado 67P). El período de revolución de este cometa es de 6,45 años, lo que lo convierte en un cometa de la familia Júpiter.

Dado que la Agencia Espacial Europea no tenía acceso a las fuentes de energía nuclear alimentadas con plutonio utilizadas por la NASA para misiones en el espacio profundo, Rosetta tuvo que ser alimentado por energía solar, requiriendo paneles solares especialmente grandes. Incluso estos no eran suficientes para mantener la nave en funcionamiento, ya que coincidía con órbitas de 67P cerca del afelio del cometa. La única solución era apagar todos los sistemas de la nave espacial y dejarla en la costa durante varios años hacia el Sol, fuera de contacto con los controladores de la Tierra hasta que la energía solar fuera más fuerte. El éxito de la misión dependía de un temporizador automático para volver a encender la energía a medida que se acercaba al Sol. Afortunadamente, esta estrategia funcionó.

En agosto de 2014, Rosetta comenzó un acercamiento gradual al núcleo del cometa, que es un objeto extrañamente deforme de unos 5 kilómetros de diámetro, bastante diferente de la apariencia suave del núcleo de Halley (pero igualmente oscuro). Su período de rotación es de 12 horas. El 12 de noviembre de 2014, el módulo de aterrizaje Philae se dejó caer, descendiendo lentamente durante 7 horas antes de golpear suavemente la superficie. Rebotó y rodó, llegando a descansar bajo un voladizo donde no había suficiente luz solar para mantener sus baterías cargadas. Después de operar durante unas horas y enviar datos de vuelta al orbitador, Philae se quedó en silencio. La principal nave espacial Rosetta continuó operando, sin embargo, a medida que aumentaba el nivel de actividad de los cometas, con vapores de gas que salían de la superficie. A medida que el cometa se acercaba al perihelio en septiembre de 2015, la nave espacial retrocedió para garantizar su seguridad.

La extensión de las imágenes de Rosetta (y los datos de otros instrumentos) supera con creces todo lo que los astrónomos habían visto antes desde un cometa. La mejor resolución de imagen fue casi un factor de 100 mayor que en las mejores imágenes de Halley. A esta escala, el cometa parece sorprendentemente áspero, con ángulos agudos, fosas profundas y voladizos (Figura 9).

Figura 9: La Extraña Forma y Características de la Superficie del Cometa 67P. (a) Esta imagen de la cámara Rosetta fue tomada a una distancia de 285 kilómetros. La resolución es de 5 metros. Se puede ver que el cometa consta de dos secciones con un “cuello” de conexión entre ellas. (b) Esta vista de cerca del cometa Churyumov-Gerasimenko proviene del módulo de aterrizaje Philae. Uno de los tres pies del módulo de aterrizaje es visible en primer plano. El módulo de aterrizaje en sí está mayormente en la sombra. crédito a: modificación del trabajo de ESA / Rosetta / MPS para el equipo de OSIRIS MPS / UPD/LAM/IAA/SSO/INTA/UPM/DASP / IDA; crédito b: modificación de los trabajos de la ESA / Rosetta / Philae / CIVA)

La forma de doble lóbulo del núcleo de 67P se ha atribuido tentativamente a la colisión y fusión de dos núcleos de cometas independientes hace mucho tiempo. La nave espacial verificó que la superficie oscura del cometa estaba cubierta de compuestos orgánicos ricos en carbono, mezclados con sulfuros y granos de hierro y níquel. 67P tiene una densidad media de solo 0,5 g / cm3 (el agua de recuperación en estas unidades tiene una densidad de 1 g/cm3. Esta baja densidad indica que el cometa es bastante poroso, es decir, hay una gran cantidad de espacio vacío entre sus materiales.

Ya sabíamos que la evaporación de los hielos de los cometas era esporádica y limitada a pequeños chorros, pero en el cometa 67P, esto se llevó a un extremo. En cualquier momento, más del 99% de la superficie está inactiva. Los respiraderos activos son de solo unos pocos metros de ancho, con el material confinado a chorros estrechos que persisten durante solo unos minutos (Figura 10). El nivel de actividad depende en gran medida de la calefacción solar, y entre julio y agosto de 2015 se multiplicó por 10. El análisis isotópico del deuterio en el agua expulsada por el cometa muestra que es diferente del agua que se encuentra en la Tierra. Por lo tanto, aparentemente cometas como el 67P no contribuyeron al origen de nuestros océanos o del agua en nuestros cuerpos, como algunos científicos habían pensado.

Figura 10: Chorros de gas en el Cometa 67P. (a) Esta actividad fue fotografiada por la nave espacial Rosetta cerca del perihelio. Se puede ver un jet que aparece de repente; estuvo activo durante solo unos minutos. (b) Esta espectacular foto, tomada cerca del perihelio, muestra al cometa activo rodeado de múltiples chorros de gas y polvo. (crédito a, b: modificación del trabajo de ESA / Rosetta/ MPS; crédito c: modificación de los trabajos de la ESA / Rosetta / NAVCAM)

Glosario

cometa: un pequeño cuerpo de materia helada y polvorienta que gira alrededor del Sol; cuando un cometa se acerca al Sol, parte de su material se vaporiza, formando una gran cabeza de gas tenue y, a menudo, una cola

núcleo (de un cometa) : el trozo sólido de hielo y polvo en la cabeza de un cometa

cola: (de un cometa) una cola que consta de dos partes: la cola de polvo está hecha de polvo aflojado por la sublimación de hielo en un cometa que luego es empujado por fotones del Sol a una corriente curva; la cola de iones es una corriente de partículas ionizadas evaporadas de un cometa y luego barridas del Sol por el viento solar