Astronomia

Comete diversi dagli asteroidi principalmente nelle loro gelide composizione, una differenza che li fa schiarire notevolmente quando si avvicinano al Sole, formando una temporanea atmosfera. In alcune culture primitive, queste cosiddette “stelle pelose” erano considerate presagi di disastro. Oggi non temiamo più le comete, ma anticipiamo con impazienza quelle che ci si avvicinano abbastanza da mettere su un buon sky show.

Aspetto delle comete

Una cometa è un pezzo relativamente piccolo di materiale ghiacciato (in genere a pochi chilometri di distanza) che sviluppa un’atmosfera mentre si avvicina al Sole. Più tardi, potrebbe esserci una coda molto debole e nebulosa, che si estende a diversi milioni di chilometri di distanza dal corpo principale della cometa. Le comete sono state osservate fin dai tempi più antichi: i resoconti delle comete si trovano nelle storie di praticamente tutte le civiltà antiche. La cometa tipica, tuttavia, non è spettacolare nei nostri cieli, ma ha l’aspetto di un punto di luce piuttosto debole e diffuso un po ‘ più piccolo della Luna e molte volte meno brillante. (Le comete sembravano più spettacolari per le persone prima dell’invenzione dell’illuminazione artificiale, che compromette la nostra visione del cielo notturno.)

Come la Luna e i pianeti, le comete sembrano vagare tra le stelle, spostando lentamente le loro posizioni nel cielo di notte in notte. A differenza dei pianeti, tuttavia, la maggior parte delle comete appare in momenti imprevedibili, il che forse spiega perché spesso ispiravano paura e superstizione in tempi precedenti. Le comete in genere rimangono visibili per periodi che variano da un paio di settimane a diversi mesi. Diremo di più su di cosa sono fatti e su come diventano visibili dopo aver discusso le loro mozioni.

Si noti che le immagini fisse delle comete danno l’impressione che si stiano muovendo rapidamente attraverso il cielo, come una meteora luminosa o una stella cadente. Guardando solo queste immagini, è facile confondere comete e meteore. Ma visti nel cielo reale, sono molto diversi: la meteora brucia nella nostra atmosfera e se ne va in pochi secondi, mentre la cometa può essere visibile per settimane in quasi la stessa parte del cielo.

Orbita intorno alla cometa

Figura 1: Cometa Halley. Questo composto di tre immagini (una in rosso, una in verde, una in blu) mostra Cometa Halley come visto con un grande telescopio in Cile nel 1986. Durante il tempo in cui le tre immagini sono state scattate in sequenza, la cometa si è spostata tra le stelle. Il telescopio è stato spostato per mantenere l’immagine della cometa costante, facendo apparire le stelle in triplice copia (una volta in ogni colore) sullo sfondo. (credito: modifica del lavoro da parte dell’ESO)

Lo studio delle comete come membri del sistema solare risale al tempo di Isaac Newton, che per primo suggerì che orbitassero attorno al Sole su ellissi estremamente allungate. Il collega di Newton Edmund Halley (vedi Edmund Halley: Astronomy’s Renaissance Man) sviluppò queste idee e, nel 1705, pubblicò i calcoli di 24 orbite di comete. In particolare, notò che le orbite delle comete luminose che erano apparse negli anni 1531, 1607 e 1682 erano così simili che le tre potevano essere la stessa cometa, tornando al perielio (avvicinamento più vicino al Sole) ad intervalli medi di 76 anni. Se è così, ha predetto che l’oggetto dovrebbe tornare intorno al 1758. Anche se Halley era morto quando la cometa apparve come aveva predetto, le fu dato il nome di Cometa Halley (fa rima con “valley”) in onore dell’astronomo che per primo la riconobbe come membro permanente del nostro sistema solare, orbitante attorno al Sole. Il suo afelio (punto più lontano dal Sole) è oltre l’orbita di Nettuno.

Ora sappiamo da documenti storici che la cometa Halley è stata effettivamente osservata e registrata su ogni passaggio vicino al Sole dal 239 AC ad intervalli che vanno da 74 a 79 anni. Il periodo del suo ritorno varia in qualche modo a causa dei cambiamenti orbitali prodotti dall’attrazione dei pianeti giganti. Nel 1910, la Terra fu spazzolata dalla coda della cometa, causando molte inutili preoccupazioni dell’opinione pubblica. Cometa Halley ultima apparizione nei nostri cieli nel 1986 (Figura 1), quando è stato incontrato da diversi veicoli spaziali che ci ha dato una ricchezza di informazioni sulla sua composizione; tornerà nel 2061.

Edmund Halley: Astronomy’s Renaissance Man

Figura 2: Edmund Halley (1656-1742). Halley fu un prolifico contributore alle scienze. Il suo studio delle comete a cavallo del diciottesimo secolo ha contribuito a prevedere l’orbita della cometa che ora porta il suo nome.

Edmund Halley (Figura 2), un brillante astronomo che ha dato contributi in molti campi della scienza e della statistica, era a detta di tutti una persona generosa, calorosa ed estroversa. In questo, egli era tutto il contrario del suo buon amico Isaac Newton, la cui grande opera, i Principia (vedi Orbits and Gravity), Halley incoraggiato, curato, e ha contribuito a pagare per pubblicare. Halley stesso ha pubblicato il suo primo articolo scientifico all’età di 20 anni, mentre era ancora al college. Di conseguenza, gli fu data una commissione reale per andare a Sant’Elena (una remota isola al largo della costa africana dove Napoleone sarebbe stato in seguito esiliato) per effettuare la prima ricognizione telescopica del cielo meridionale. Dopo il ritorno, ha ricevuto l’equivalente di un master ed è stato eletto alla prestigiosa Royal Society in Inghilterra, il tutto all’età di 22 anni.

Oltre al suo lavoro sulle comete, Halley fu il primo astronomo a riconoscere che le cosiddette stelle “fisse” si muovono l’una rispetto all’altra, notando che diverse stelle luminose avevano cambiato le loro posizioni dalla pubblicazione degli antichi cataloghi greci da parte di Tolomeo. Scrisse un articolo sulla possibilità di un universo infinito, propose che alcune stelle potessero essere variabili e discusse la natura e le dimensioni delle nebulose (strutture simili a nuvole incandescenti visibili nei telescopi). Mentre si trovava a Sant’Elena, Halley osservò il pianeta Mercurio che attraversava la faccia del Sole e sviluppò la matematica di come tali transiti potessero essere usati per stabilire le dimensioni del sistema solare.

In altri campi, Halley pubblicò la prima tabella delle aspettative di vita umana (il precursore delle statistiche sulle assicurazioni sulla vita); scrisse articoli su monsoni, alisei e maree (tracciando le maree nel Canale della Manica per la prima volta); gettò le basi per lo studio sistematico del campo magnetico terrestre; studiò l’evaporazione e come le acque interne diventano salate; e anche progettato una campana subacquea subacquea. Servì come diplomatico britannico, consigliando l’imperatore d’Austria e scudiero il futuro zar di Russia in Inghilterra (discutendo avidamente, ci viene detto, sia l’importanza della scienza che la qualità del brandy locale).

Nel 1703 Halley divenne professore di geometria a Oxford e nel 1720 fu nominato Astronomo reale d’Inghilterra. Ha continuato a osservare la Terra e il cielo e pubblicare le sue idee per altri 20 anni, fino a quando la morte lo ha rivendicato all’età di 85 anni.

Solo poche comete ritornano in un tempo misurabile in termini umani (più breve di un secolo), come fa la cometa Halley; queste sono chiamate comete a breve periodo. Molte comete di breve periodo hanno avuto le loro orbite modificate avvicinandosi troppo a uno dei pianeti giganti – il più delle volte Giove (e quindi sono talvolta chiamate comete della famiglia di Giove). La maggior parte delle comete ha lunghi periodi e impiegherà migliaia di anni per tornare, se ritornano del tutto. Come vedremo più avanti in questo capitolo, la maggior parte delle comete della famiglia di Giove provengono da una fonte diversa rispetto alle comete a lungo periodo (quelle con periodi orbitali più lunghi di circa un secolo).

Esistono record osservazionali per migliaia di comete. Siamo stati visitati da due comete luminose negli ultimi decenni. Per prima cosa, nel marzo 1996, arrivò la cometa Hyakutake, con una coda molto lunga. Un anno dopo, apparve la cometa Hale-Bopp; era luminosa come le stelle più luminose e rimase visibile per diverse settimane, anche nelle aree urbane (vedi l’immagine che apre questo capitolo).

La Tabella 1 elenca alcune comete ben note la cui storia o aspetto è di particolare interesse.

Il nucleo della cometa

Quando osserviamo una cometa attiva, tutto ciò che vediamo normalmente è la sua atmosfera temporanea di gas e polvere illuminata dalla luce solare. Questa atmosfera è chiamata testa della cometa o coma. Poiché la gravità di tali piccoli corpi è molto debole, l’atmosfera sta rapidamente sfuggendo tutto il tempo; deve essere reintegrata da nuovo materiale, che deve venire da qualche parte. La fonte è il piccolo nucleo solido all’interno, a pochi chilometri di distanza, di solito nascosto dal bagliore dell’atmosfera molto più grande che lo circonda. Il nucleo è la vera cometa, il frammento dell’antico materiale ghiacciato responsabile dell’atmosfera e della coda (Figura 3).

: Parti di una cometa. Questa illustrazione schematica mostra le parti principali di una cometa. Si noti che le diverse strutture non sono in scala.

La moderna teoria della natura fisica e chimica delle comete fu proposta per la prima volta dall’astronomo di Harvard Fred Whipple nel 1950. Prima del lavoro di Whipple, molti astronomi pensavano che il nucleo di una cometa potesse essere un’aggregazione sciolta di solidi, una sorta di “banco di ghiaia” orbitante, Whipple propose invece che il nucleo fosse un oggetto solido a pochi chilometri di distanza, composto in gran parte di ghiaccio d’acqua (ma anche con altri ghiacci) mescolato con grani di silicato e polvere. Questa proposta divenne nota come il modello” dirty snowball”.

Figura 4: Polvere di cometa catturata. Si ritiene che questa particella (vista al microscopio) sia un minuscolo frammento di polvere cometaria, raccolta nell’atmosfera superiore della Terra. Misura circa 10 micron, o 1/100 di millimetro, attraverso. (credito: NASA / JPL)

Il vapore acqueo e altri volatili che fuoriescono dal nucleo quando viene riscaldato possono essere rilevati nella testa e nella coda della cometa, e quindi possiamo usare gli spettri per analizzare di quali atomi e molecole è costituito il ghiaccio del nucleo. Tuttavia, siamo un po ‘ meno certi della componente non ghiacciata. Non abbiamo mai identificato un frammento di materia solida proveniente da una cometa che sia sopravvissuto al passaggio attraverso l’atmosfera terrestre. Tuttavia, i veicoli spaziali che si sono avvicinati alle comete hanno portato rilevatori di polvere e alcune polveri di comete sono persino state restituite sulla Terra (vedi Figura 4). Sembra che gran parte della” sporcizia “nella palla di neve sporca sia idrocarburi scuri e primitivi e silicati, un po’ come il materiale che si pensa sia presente sugli asteroidi oscuri e primitivi.

Poiché i nuclei delle comete sono piccoli e scuri, sono difficili da studiare dalla Terra. La sonda ha ottenuto misurazioni dirette di un nucleo di cometa, tuttavia, nel 1986, quando tre veicoli spaziali hanno superato la cometa Halley a distanza ravvicinata (vedi Figura 5). Successivamente, altri veicoli spaziali hanno volato vicino ad altre comete. Nel 2005, il veicolo spaziale Deep Impact della NASA trasportò anche una sonda per un impatto ad alta velocità con il nucleo della cometa Tempel 1. Ma di gran lunga, lo studio più produttivo di una cometa è stato dalla missione Rosetta del 2015, di cui parleremo a breve.

Figura 5: Primo piano della cometa Halley. Questa fotografia storica del nucleo nero e di forma irregolare della cometa Halley è stata ottenuta dalla navicella spaziale ESA Giotto da una distanza di circa 1000 chilometri. Le aree luminose sono getti di materiale che fuoriesce dalla superficie. La lunghezza del nucleo è di 10 chilometri e si possono distinguere dettagli di 1 chilometro. (credito: modifica dei lavori da parte dell’ESA)

L’atmosfera della Cometa

La spettacolare attività che ci permette di vedere le comete è causata dall’evaporazione dei ghiacci cometari riscaldati dalla luce solare. Oltre la fascia degli asteroidi, dove le comete trascorrono la maggior parte del loro tempo, questi ghiacci sono solidamente congelati. Ma quando una cometa si avvicina al Sole, inizia a riscaldarsi. Se l’acqua (H2O) è il ghiaccio dominante, quantità significative si vaporizzano mentre la luce solare riscalda la superficie sopra i 200 K. Questo accade per la tipica cometa un po ‘ oltre l’orbita di Marte. L’H2O evaporante a sua volta rilascia la polvere che è stata mescolata con il ghiaccio. Poiché il nucleo della cometa è così piccolo, la sua gravità non può trattenere né il gas né la polvere, entrambi i quali fluiscono nello spazio a velocità di circa 1 chilometro al secondo.

La cometa continua ad assorbire energia mentre si avvicina al Sole. Una grande quantità di questa energia va nell’evaporazione del suo ghiaccio, così come nel riscaldamento della superficie. Tuttavia, recenti osservazioni di molte comete indicano che l’evaporazione non è uniforme e che la maggior parte del gas viene rilasciato in scatti improvvisi, forse confinati in poche aree della superficie. Espandendosi nello spazio ad una velocità di circa 1 chilometro al secondo, l’atmosfera della cometa può raggiungere dimensioni enormi. Il diametro della testa di una cometa è spesso grande quanto Giove, e talvolta può avvicinarsi a un diametro di un milione di chilometri (Figura 6).

Figura 6: Testa della cometa Halley. Qui vediamo la nube di gas e polvere che compongono la testa, o coma, della cometa Halley nel 1986. Su questa scala, il nucleo (nascosto all’interno della nube) sarebbe un punto troppo piccolo per vedere. (credito: modifica del lavoro da parte della NASA / W. Liller)

Figura 7: Orbita della cometa e coda. L’orientamento di una tipica coda di cometa cambia quando la cometa passa il perielio. Avvicinandosi al Sole, la coda è dietro la testa della cometa in arrivo, ma sulla via d’uscita, la coda precede la testa.

La maggior parte delle comete sviluppa anche code mentre si avvicinano al Sole. La coda di una cometa è un’estensione della sua atmosfera, costituita dallo stesso gas e polvere che compongono la sua testa. Già nel XVI secolo, gli osservatori si resero conto che le code delle comete puntano sempre lontano dal Sole (Figura 7), non indietro lungo l’orbita della cometa. Newton propose che le code delle comete fossero formate da una forza repulsiva della luce solare che allontanava le particelle dalla testa—un’idea vicina alla nostra visione moderna.

I due diversi componenti che compongono la coda (la polvere e il gas) agiscono in modo leggermente diverso. La parte più luminosa della coda è chiamata coda di polvere, per differenziarla da una coda più debole e dritta fatta di gas ionizzato, chiamata coda ionica. La coda ionica è trasportata verso l’esterno da flussi di ioni (particelle cariche) emessi dal Sole. Come si può vedere nella Figura 8, la coda di polvere più liscia curva un po’, mentre le singole particelle di polvere si diffondono lungo l’orbita della cometa, mentre lo ion dritto è la coda spinta più direttamente verso l’esterno dal Sole dal vento della nostra stella di particelle cariche

Figura 8: Code di cometa. (a) Quando una cometa si avvicina al Sole, le sue caratteristiche diventano più visibili. In questa illustrazione della NASA che mostra la cometa Hale-Bopp, puoi vedere le due code di una cometa: la coda di polvere più facilmente visibile, che può essere lunga fino a 10 milioni di chilometri, e la coda di gas più debole (o coda di ioni), che è lunga fino a centinaia di milioni di chilometri. I grani che compongono la coda di polvere sono le dimensioni delle particelle di fumo. (b) La cometa Mrkos è stata fotografata nel 1957 con un telescopio ad ampio campo presso l’Osservatorio Palomar e mostra anche una chiara distinzione tra la coda dritta del gas e la coda curva della polvere. (credito a: modifica del lavoro di ESO / E. Slawik; credito b: modifica del lavoro di Charles Kearns, George O. Abell e Byron Hill)

La missione della cometa Rosetta

Negli anni ‘ 90, gli scienziati europei decisero di progettare una missione molto più ambiziosa che corrispondesse le orbite con una cometa in arrivo e la seguisse mentre si avvicinava al Sole. Hanno anche proposto che un veicolo spaziale più piccolo avrebbe effettivamente cercato di atterrare sulla cometa. Il veicolo spaziale principale da 2 tonnellate fu chiamato Rosetta, portando una dozzina di strumenti scientifici, e il suo lander da 100 chilogrammi con altri nove strumenti fu chiamato Philae.

La missione Rosetta è stata lanciata nel 2004. I ritardi con il razzo di lancio hanno fatto perdere la sua cometa di destinazione originale, quindi è stata scelta una destinazione alternativa, la cometa Churyumov-Gerasimenko (dal nome dei due scopritori, ma generalmente indicata con 67P). Il periodo di rivoluzione di questa cometa è di 6,45 anni, rendendolo una cometa della famiglia di Giove.

Poiché l’Agenzia Spaziale europea non aveva accesso alle fonti di energia nucleare alimentate al plutonio utilizzate dalla NASA per le missioni nello spazio profondo, Rosetta doveva essere alimentata a energia solare, richiedendo pannelli solari particolarmente grandi. Anche questi non erano sufficienti per mantenere l’imbarcazione in funzione in quanto corrispondeva alle orbite con 67P vicino all’afelio della cometa. L’unica soluzione era quella di spegnere tutti i sistemi di veicoli spaziali e lasciarlo costa per diversi anni verso il Sole, fuori dal contatto con i controllori sulla Terra fino a quando l’energia solare era più forte. Il successo della missione dipendeva da un timer automatico per riaccendere l’alimentazione mentre si avvicinava al Sole. Fortunatamente, questa strategia ha funzionato.

Nell’agosto 2014, Rosetta ha iniziato un approccio graduale al nucleo della cometa, che è un oggetto stranamente deforme di circa 5 chilometri, molto diverso dall’aspetto liscio del nucleo di Halley (ma ugualmente scuro). Il suo periodo di rotazione è di 12 ore. Il 12 novembre 2014, il lander Philae è stato lasciato cadere, scendendo lentamente per 7 ore prima di colpire delicatamente la superficie. Rimbalzò e rotolò, venendo a riposare sotto una sporgenza dove non c’era abbastanza luce solare per mantenere le batterie cariche. Dopo aver operato per alcune ore e inviato i dati all’orbiter, Philae è andato in silenzio. La navicella principale Rosetta ha continuato le operazioni, tuttavia, come il livello di attività della cometa è aumentato, con vapori di getto di gas dalla superficie. Mentre la cometa si avvicinava al perielio nel settembre 2015, la navicella si è ritirata per garantire la sua sicurezza.

L’estensione delle immagini di Rosetta (e dei dati di altri strumenti) supera di gran lunga qualsiasi cosa gli astronomi avessero visto prima da una cometa. La migliore risoluzione di imaging era quasi un fattore di 100 maggiore rispetto alle migliori immagini di Halley. A questa scala, la cometa appare sorprendentemente ruvida, con angoli acuti, fosse profonde e sporgenze (Figura 9).

Figura 9: la strana forma e le caratteristiche della superficie della cometa 67P. (a) Questa immagine della fotocamera Rosetta è stata scattata da una distanza di 285 chilometri. La risoluzione è di 5 metri. Puoi vedere che la cometa è composta da due sezioni con un “collo” di collegamento tra di loro. (b) Questa vista ravvicinata della cometa Churyumov-Gerasimenko proviene dal lander Philae. Uno dei tre piedi del lander è visibile in primo piano. Il lander stesso è per lo più in ombra. (credito a: modifica del lavoro di ESA / Rosetta / MPS per il team OSIRIS MPS / UPD/LAM/IAA/SSO/INTA/UPM/DASP / IDA; credito b: modifica del lavoro da parte di ESA / Rosetta / Philae / CIVA)

La forma a doppio lobo del nucleo di 67P è stata provvisoriamente attribuita alla collisione e fusione di due nuclei di comete indipendenti molto tempo fa. La sonda ha verificato che la superficie scura della cometa era coperta da composti organici ricchi di carbonio, mescolati con solfuri e grani di ferro-nichel. 67P ha una densità media di soli 0,5 g / cm3 (richiamo acqua in queste unità ha una densità di 1 g/cm3.) Questa bassa densità indica che la cometa è piuttosto porosa, cioè c’è una grande quantità di spazio vuoto tra i suoi materiali.

Sapevamo già che l’evaporazione dei ghiacci cometari era sporadica e limitata a piccoli getti, ma nella cometa 67P, questo è stato portato all’estremo. In qualsiasi momento, più del 99% della superficie è inattivo. Le bocchette attive sono a pochi metri di diametro, con il materiale confinato a getti stretti che persistono per pochi minuti (Figura 10). Il livello di attività dipende fortemente dal riscaldamento solare e, tra luglio e agosto 2015, è aumentato di un fattore 10. L’analisi isotopica del deuterio nell’acqua espulsa dalla cometa mostra che è diversa dall’acqua trovata sulla Terra. Quindi, apparentemente comete come 67P non hanno contribuito all’origine dei nostri oceani o dell’acqua nei nostri corpi, come alcuni scienziati avevano pensato.

Figura 10: Getti di gas sulla cometa 67P. (a) Questa attività è stata fotografata dalla sonda Rosetta vicino al perielio. Si può vedere un getto improvvisamente apparire; era attivo solo per pochi minuti. (b) Questa spettacolare foto, scattata vicino al perielio, mostra la cometa attiva circondata da molteplici getti di gas e polvere. (credito a, b: modifica dei lavori da parte di ESA / Rosetta / MPS; credito c: modifica del lavoro da parte di ESA / Rosetta / NAVCAM)

Glossario

cometa: un piccolo corpo di ghiaccio e polverosi questione che ruota intorno al Sole; quando una cometa si avvicina al Sole, un po ‘ del suo materiale vaporizza, formando una grande testa di gas tenue e spesso una coda

nucleo di una cometa): il solido blocco di ghiaccio e polvere nella testa di una cometa

coda: (di una cometa) una coda composta da due parti: la coda di polvere è fatta di polvere allentata dalla sublimazione del ghiaccio in una cometa che viene poi spinta dai fotoni dal Sole in un flusso curvo; la coda di ioni è un flusso di particelle ionizzate evaporate da una cometa e poi spazzate via dal Sole dal vento solare