Astronomia

Cometas diferentes a partir de asteróides, principalmente em sua gelada composição, uma diferença que faz com que eles iluminam dramaticamente à medida que eles se aproximam do Sol, formando um temporária atmosfera. Em algumas culturas antigas, essas chamadas “estrelas peludas” foram consideradas Presságios de desastre. Hoje, já não tememos os cometas, mas antecipamos ansiosamente aqueles que se aproximam o suficiente de nós para dar um bom espectáculo no céu.

aparência de cometas

um cometa é um pedaço relativamente pequeno de material gelado (normalmente com alguns quilômetros de diâmetro) que desenvolve uma atmosfera à medida que se aproxima do sol. Mais tarde, pode haver uma cauda muito fraca e nebulosa, estendendo-se a vários milhões de quilômetros do corpo principal do cometa. Cometas têm sido observados desde os tempos mais antigos: relatos de cometas são encontrados nas histórias de praticamente todas as civilizações antigas. O cometa típico, no entanto, não é espetacular em nossos céus, em vez de ter a aparência de um ponto fraco, difuso de luz um pouco menor do que a Lua e muitas vezes menos brilhante. (Cometas pareciam mais espetaculares para as pessoas antes da invenção da iluminação artificial, que compromete a nossa visão do céu noturno.Como a Lua e os planetas, os cometas parecem vaguear entre as estrelas, lentamente mudando suas posições no céu de noite para noite. Ao contrário dos planetas, no entanto, a maioria dos cometas aparecem em momentos imprevisíveis, o que talvez explique por que eles frequentemente inspiraram medo e superstição em tempos anteriores. Os cometas geralmente permanecem visíveis por períodos que variam de um par de semanas a vários meses. Vamos dizer mais sobre o que eles são feitos e como eles se tornam visíveis depois de discutirmos suas moções.

Note que ainda imagens de cometas dão a impressão de que eles estão se movendo rapidamente através do céu, como um meteoro brilhante ou estrela cadente. Olhando apenas para tais imagens, é fácil confundir cometas e meteoros. Mas vistas no céu real, elas são muito diferentes: o meteoro queima em nossa atmosfera e desaparece em poucos segundos, enquanto o cometa pode ser visível por semanas em quase a mesma parte do céu.

órbitas cometas

Figura 1: Cometa Halley. Este composto de três imagens (uma em vermelho, uma em verde, uma em azul) mostra o cometa Halley como visto com um grande telescópio no Chile em 1986. Durante o tempo em que as três imagens foram tiradas em sequência, o cometa moveu-se entre as estrelas. O telescópio foi movido para manter a imagem do cometa estável, fazendo com que as estrelas aparecessem em triplicado (uma vez em cada cor) no fundo. (crédito: Alteração do trabalho por ESO)

O estudo dos cometas como membros do sistema solar data da época de Isaac Newton, que sugeriu pela primeira vez que eles orbitavam o Sol em elipses extremamente alongadas. O colega de Newton Edmund Halley (ver Edmund Halley): O homem renascentista da astronomia) desenvolveu estas ideias e, em 1705, publicou cálculos de 24 órbitas cometas. Em particular, ele observou que as órbitas dos brilhantes cometas que apareceram nos anos de 1531, 1607 e 1682 eram tão semelhantes que os três poderiam ser o mesmo cometa, retornando para o periélio (ponto mais próximo da abordagem para o Sol) na média de intervalos de 76 anos. Se assim for, ele previu que o objeto deveria voltar em 1758. Embora Halley tenha morrido quando o cometa apareceu como ele previu, foi dado o nome Cometa Halley (rima com “vale”) em homenagem ao astrônomo que o reconheceu pela primeira vez como um membro permanente do nosso sistema solar, orbitando ao redor do sol. Seu afélio (ponto mais distante do sol) está além da órbita de Netuno.

sabemos agora a partir de registros históricos que o cometa Halley foi realmente observado e registrado em cada passagem perto do sol desde 239 AC em intervalos que variam de 74 a 79 anos. O período de seu retorno varia um pouco por causa das mudanças orbitais produzidas pela atração dos planetas gigantes. Em 1910, a terra foi escovada pela cauda do cometa, causando uma preocupação pública desnecessária. O cometa Halley apareceu pela última vez em nossos céus em 1986 (Figura 1), quando foi encontrado por várias naves espaciais que nos deram uma riqueza de informações sobre sua composição; ele retornará em 2061.Edmund Halley: Astronomy’s Renaissance Man

Figura 2: Edmund Halley (1656-1742). Halley foi um prolífico contribuinte para as ciências. Seu estudo sobre cometas na virada do século XVIII ajudou a prever a órbita do cometa que agora leva seu nome.Edmund Halley (Figura 2), um astrônomo brilhante que fez contribuições em muitos campos da ciência e Estatística, foi, segundo todos os relatos, uma pessoa generosa, acolhedora e extrovertida. Neste, Ele era completamente o oposto de seu bom amigo Isaac Newton, cujo grande trabalho, os Principia (ver órbitas e gravidade), Halley incentivou, editou e ajudou a pagar para publicar. Halley publicou seu primeiro artigo científico aos 20 anos, ainda na faculdade. Como resultado, foi-lhe dada uma comissão real para ir a Santa Helena (uma ilha remota ao largo da costa da África, onde Napoleão mais tarde seria exilado) para fazer o primeiro levantamento telescópico do céu do Sul. Depois de retornar, ele recebeu o equivalente a um mestrado e foi eleito para a prestigiada Royal Society na Inglaterra, todos com 22 anos de idade.Além de seu trabalho sobre cometas, Halley foi o primeiro astrônomo a reconhecer que as chamadas estrelas “fixas” se movem em relação umas às outras, observando que várias estrelas brilhantes haviam mudado suas posições desde a publicação de Ptolomeu dos catálogos gregos antigos. Ele escreveu um artigo sobre a possibilidade de um universo infinito, propondo que algumas estrelas podem ser variáveis, e discutiu a natureza e o tamanho das nebulosas (estruturas luminosas visíveis em telescópios). Enquanto em Santa Helena, Halley observou o planeta Mercúrio atravessando a face do sol e desenvolveu a matemática de como tais trânsitos poderiam ser usados para estabelecer o tamanho do sistema solar.

Em outros campos, Halley publicou a primeira tabela de humanos esperança de vida (o precursor de vida-seguro de estatísticas); escreveu artigos sobre monções, ventos e marés (traçando as marés, no Canal inglês pela primeira vez); as fundações para o estudo sistemático do campo magnético da Terra; estudou evaporação e como águas interiores tornar salgado; e até desenhou um sino de mergulho submerso. Ele serviu como diplomata britânico, aconselhando o imperador da Áustria e ocupando o futuro czar da Rússia em torno da Inglaterra (avidamente discutindo, nos dizem, tanto a importância da ciência e da qualidade do brandy local).Em 1703, Halley tornou-se professor de geometria em Oxford e em 1720 foi nomeado Astrônomo Real da Inglaterra. Ele continuou observando a terra e o céu e publicando suas ideias por mais 20 anos, até que a morte o reivindicou aos 85 anos.

apenas alguns cometas retornam em um tempo mensurável em termos humanos (menor que um século), como o cometa Halley; estes são chamados cometas de curto período. Muitos cometas de curto período tiveram suas órbitas alteradas por se aproximarem muito de um dos planetas gigantes-na maioria das vezes Júpiter (e eles são, portanto, às vezes chamados de cometas da família Júpiter). A maioria dos cometas tem longos períodos e levará milhares de anos para retornar, se eles retornarem. Como veremos mais adiante neste capítulo, a maioria dos cometas da família Júpiter vem de uma fonte diferente dos cometas de longo período (aqueles com períodos orbitais maiores que cerca de um século).

existem registos observacionais para milhares de cometas. Fomos visitados por dois cometas brilhantes nas últimas décadas. Primeiro, em Março de 1996, veio o cometa Hyakutake, com uma cauda muito longa. Um ano depois, o cometa Hale-Bopp apareceu; era tão brilhante quanto as estrelas mais brilhantes e permaneceu visível por várias semanas, mesmo em áreas urbanas (veja a imagem que abre este capítulo).

a Tabela 1 lista alguns cometas bem conhecidos cuja história ou aparência é de especial interesse.

O Núcleo do Cometa

Quando olhamos para um ativo cometa, tudo o que normalmente vemos é temporária atmosfera de gás e poeira iluminada pela luz do sol. Esta atmosfera é chamada de cabeça do cometa ou coma. Uma vez que a gravidade de corpos tão pequenos é muito fraca, a atmosfera está fugindo rapidamente o tempo todo; ela deve ser reabastecida por material novo, que tem que vir de algum lugar. A fonte é o pequeno núcleo sólido no interior, com apenas alguns quilômetros de diâmetro, geralmente escondido pelo brilho da atmosfera muito maior que o rodeia. O núcleo é o cometa real, o fragmento de material de gelo antigo responsável pela atmosfera e pela cauda (Figura 3).

Figura 3: partes de um cometa. Esta ilustração esquemática mostra as partes principais de um cometa. Note que as diferentes estruturas não são de escala.

a teoria moderna da natureza física e química dos cometas foi proposta pela primeira vez pelo astrônomo de Harvard Fred Whipple em 1950. Antes do trabalho de Whipple, muitos astrônomos pensaram que o núcleo de um cometa poderia ser uma agregação solta de sólidos, uma espécie de “banco de cascalho” orbitando, Whipple propôs em vez disso que o núcleo é um objeto sólido a alguns quilômetros de diâmetro, composto em parte substancial de gelo de água (mas com outros gelos também) misturado com grãos de silicato e poeira. Esta proposta ficou conhecida como o modelo” bola de neve suja”.

Figura 4: Poeira De Cometas Capturada. Acredita-se que esta partícula (vista através de um microscópio) seja um pequeno fragmento de poeira cometária, coletada na atmosfera superior da Terra. Mede cerca de 10 mícrons, ou 1/100 de um milímetro, de diâmetro. (crédito: NASA / JPL)

O vapor de água e outros voláteis que escapam do núcleo quando é aquecido podem ser detectados na cabeça e cauda do cometa, e, portanto, podemos usar espectros para analisar quais átomos e moléculas o núcleo de gelo consiste. No entanto, estamos um pouco menos certos da componente não gelada. Nunca identificámos um fragmento de matéria sólida de um cometa que sobreviveu à passagem pela atmosfera da Terra. No entanto, as naves espaciais que se aproximaram dos cometas transportaram Detectores de poeira, e alguma poeira de cometas foi mesmo devolvida à terra (ver Figura 4). Parece que grande parte da “sujeira” na bola de neve suja é escura, hidrocarbonetos primitivos e silicatos, um pouco como o material que se pensa estar presente nos asteroides escuros e primitivos.Uma vez que os núcleos dos cometas são pequenos e escuros, eles são difíceis de estudar a partir da Terra. A espaçonave obteve medições diretas de um núcleo de cometa, no entanto, em 1986, quando três espaçonaves passaram pelo cometa Halley a curta distância (ver Figura 5). Posteriormente, outras naves espaciais voaram perto de outros cometas. Em 2005, a sonda espacial de Impacto Profundo da NASA carregou uma sonda para um impacto de alta velocidade com o núcleo do cometa Tempel 1. Mas, de longe, o estudo mais produtivo de um cometa foi a missão Rosetta 2015, que vamos discutir em breve.

Figure 5: Close-up of Comet Halley. Esta fotografia histórica do núcleo negro, de forma irregular, do cometa Halley foi obtida pela nave espacial ESA Giotto a uma distância de cerca de 1000 km. As áreas brilhantes são jatos de material escapando da superfície. O comprimento do núcleo é de 10 quilômetros, e detalhes tão pequenos quanto 1 quilômetro pode ser feito. (credito: modificação dos trabalhos do SEC)

a atmosfera do cometa

a atividade espetacular que nos permite ver cometas é causada pela evaporação de gelo cometário aquecido pela luz solar. Além do cinturão de asteróides, onde os cometas passam a maior parte do seu tempo, estes gelados estão solidamente congelados. Mas quando um cometa se aproxima do sol, começa a aquecer. Se a água (H2O) é o gelo dominante, quantidades significativas vaporizam-se à medida que a luz solar aquece a superfície acima de 200 K. Isto acontece para o cometa típico um pouco além da órbita de Marte. A H2o evaporante, por sua vez, libera a poeira que foi misturada com o gelo. Uma vez que o núcleo do cometa é tão pequeno, sua gravidade não pode conter o gás ou a poeira, ambos os quais fluem para o espaço a velocidades de cerca de 1 quilômetro por segundo.

o cometa continua a absorver energia à medida que se aproxima do sol. Grande parte dessa energia vai para a evaporação de seu gelo, bem como para o aquecimento da superfície. No entanto, observações recentes de muitos cometas indicam que a evaporação não é uniforme e que a maioria do gás é liberado em impulsos repentinos, talvez confinado a algumas áreas da superfície. Expandindo-se para o espaço a uma velocidade de cerca de 1 quilômetro por segundo, a atmosfera do cometa pode atingir um tamanho enorme. O diâmetro da cabeça de um cometa é muitas vezes tão grande quanto Júpiter, e às vezes pode se aproximar de um diâmetro de um milhão de quilômetros (Figura 6).

Figura 6: Cabeça do cometa Halley. Aqui vemos a nuvem de gás e poeira que compõem a cabeça, ou coma, do cometa Halley em 1986. Nesta escala, o núcleo (escondido dentro da nuvem) seria um ponto muito pequeno para ver. (credit: modification of work by NASA / W. Liller)

Figure 7: Comet Orbit and Tail. A orientação de uma cauda típica de cometa muda à medida que o cometa passa pelo periélio. Aproximando-se do sol, a cauda está atrás da cabeça do cometa, mas na saída, a cauda precede a cabeça.

a maioria dos cometas também desenvolvem caudas à medida que se aproximam do sol. A cauda de um cometa é uma extensão de sua atmosfera, consistindo do mesmo gás e poeira que compõem sua cabeça. Já no século XVI, os observadores perceberam que caudas de cometa sempre apontam para longe do sol (Figura 7), não para trás ao longo da órbita do cometa. Newton propôs que caudas de cometa são formadas por uma força repulsiva da luz solar afastando partículas da cabeça—uma ideia próxima à nossa visão moderna.

os dois componentes diferentes que compõem a cauda (a poeira e o gás) agem de forma um pouco diferente. A parte mais brilhante da cauda é chamada de cauda de poeira, para diferenciá-la de uma cauda mais fraca, reta Feita de gás ionizado, chamada de cauda iônica. A cauda iônica é transportada para fora por correntes de íons (partículas carregadas) emitidos pelo sol. Como podem ver na Figura 8, a cauda de poeira mais suave curva-se um pouco, à medida que as partículas de poeira individuais se espalham ao longo da órbita do cometa, enquanto que o íon reto é empurrado mais diretamente para fora do sol pelo vento da nossa estrela de partículas carregadas

Figura 8: Caudas De Cometa. a) à medida que um cometa se aproxima do sol, as suas características tornam-se mais visíveis. Nesta ilustração da NASA mostrando o cometa Hale-Bopp, você pode ver as duas caudas de um cometa: a cauda de poeira mais facilmente visível, que pode ter até 10 milhões de quilômetros de comprimento, e a cauda de gás mais fraca (ou cauda iônica), que tem até centenas de milhões de quilômetros de comprimento. Os grãos que compõem a cauda do pó são do tamanho de partículas de fumo. (b) O Cometa Mrkos foi fotografado em 1957 com um telescópio de Campo Largo no Observatório Palomar e também mostra uma clara distinção entre a cauda reta do gás e a cauda curva da poeira. (credit a: modification of work by ESO/E. Slawik; credit b: modification of work by Charles Kearns, George O. Abell e Byron Hill)

The Rosetta Comet Mission

In the 1990s, European scientists decided to design a much more ambitious mission that would match orbits with an incoming comet and follow it as it approached the Sun. Eles também propuseram que uma nave menor realmente tentaria pousar no cometa. A nave principal de 2 toneladas foi chamada Rosetta, transportando uma dúzia de instrumentos científicos, e seu lander de 100 kg com mais nove instrumentos foi chamado Philae.

a missão Rosetta foi lançada em 2004. Atrasos com o foguete de lançamento fizeram com que ele perdesse seu cometa alvo original, então um destino alternativo foi escolhido, o cometa Churyumov-Gerasimenko (nomeado em homenagem aos dois descobridores, mas geralmente denotado 67P). O período de revolução deste cometa é de 6,45 anos, tornando-o um cometa da família Júpiter.Uma vez que a Agência Espacial Europeia não tinha acesso às fontes de energia nuclear alimentadas a plutônio utilizadas pela NASA para missões espaciais, Rosetta teve que ser movida a energia solar, exigindo especialmente grandes painéis solares. Mesmo estes não foram suficientes para manter a nave operando como ele combinou órbitas com 67P perto do afélio do cometa. A única solução era desligar todos os sistemas de espaçonave e deixá-lo coast durante vários anos em direção ao sol, fora de contato com Controladores na terra até que a energia solar fosse mais forte. O sucesso da missão dependia de um temporizador automático para voltar a ligar a energia quando se aproximava do sol. Felizmente, esta estratégia funcionou.

em agosto de 2014, Rosetta começou uma aproximação gradual ao núcleo do cometa, que é um objeto estranhamente disforme com cerca de 5 km de diâmetro, bastante diferente da aparência suave do núcleo de Halley (mas igualmente escuro). Seu período de rotação é de 12 horas. Em 12 de novembro de 2014, o lander Philae foi abandonado, descendo lentamente por 7 horas antes de bater suavemente na superfície. Balançou e rolou, vindo para descansar sob um overhang onde não havia luz solar suficiente para manter suas baterias carregadas. Depois de operar por algumas horas e enviar dados de volta para o orbitador, Philae ficou em silêncio. A nave principal Rosetta continuou as operações, no entanto, como o nível de atividade do cometa aumentou, com vapores de gás que jorram da superfície. À medida que o cometa se aproximava do periélio em setembro de 2015, a espaçonave recuou para garantir sua segurança.

a extensão das imagens de Roseta (e dados de outros instrumentos) excede em muito qualquer coisa que astrônomos tinham visto antes de um cometa. A melhor resolução de imagem foi quase um fator de 100 maior do que nas melhores imagens de Halley. A esta escala, o cometa parece surpreendentemente áspero, com ângulos agudos, buracos profundos e saliências (Figura 9).

Figure 9: Comet 67P’s Strange Shape and Surface Features. (a) esta imagem da Câmara de Rosetta foi tirada a uma distância de 285 km. A resolução é de 5 metros. Você pode ver que o cometa consiste em duas seções com um “pescoço” conectado entre eles. b) Esta visão de perto do cometa Churyumov-Gerasimenko é da sonda Philae. Um dos três pés do módulo é visível no primeiro plano. O módulo em si está praticamente na sombra. (crédito a: alteração do trabalho pela ESA/Rosetta/MPS para a equipa OSIRIS MPS/UPD/LAM/IAA/SSO/INTA/UPM/DASP/IDA; crédito b: alteração dos trabalhos pela SEC / Rosetta / Philae / CIVA)

a forma dobrada do núcleo de 67P foi tentativamente atribuída à colisão e fusão de dois núcleos de cometas independentes há muito tempo. A espaçonave verificou que a superfície escura do cometa estava coberta com compostos orgânicos ricos em carbono, misturados com sulfetos e grãos de ferro-níquel. 67P tem uma densidade média de apenas 0,5 g / cm3 (água de recolha nestas unidades tem uma densidade de 1 g / cm3. Esta baixa densidade indica que o cometa é bastante poroso, ou seja, há uma grande quantidade de espaço vazio entre seus materiais.

nós já sabíamos que a evaporação dos cometas de gelo era esporádica e limitada a pequenos jatos, mas no cometa 67P, isso foi levado a um extremo. Em qualquer momento, mais de 99% da superfície está inativa. As aberturas ativas têm apenas alguns metros de diâmetro, com o material confinado a jatos estreitos que persistem por apenas alguns minutos (Figura 10). O nível de atividade é fortemente dependente do aquecimento solar, e entre julho e agosto de 2015, aumentou em um fator de 10. A análise isotópica do deutério na água ejetada pelo cometa mostra que é diferente da água encontrada na Terra. Assim, aparentemente cometas como 67P não contribuíram para a origem dos nossos oceanos ou da água nos nossos corpos, como alguns cientistas pensavam.

Figura 10: jatos de gás no cometa 67P. (a) esta atividade foi fotografada pela espaçonave Rosetta perto do periélio. Você pode ver um jato aparecendo de repente; ele estava ativo por apenas alguns minutos. (b) Esta foto espetacular, tirada perto do periélio, mostra o cometa ativo cercado por vários jatos de gás e poeira. (crédito A, b: Alteração do trabalho pelo SEC / Rosetta / MPS; crédito c: alteração dos trabalhos pela ESA / Rosetta / NAVCAM)

Glossário

cometa: um pequeno corpo de gelo e empoeirado questão que gira em torno do Sol; quando um cometa vem perto do Sol, alguns de seus materiais evapora-se, formando uma grande cabeça de gás tênue e, muitas vezes, uma cauda

núcleo de um cometa): o bloco sólido de gelo e poeira na cabeça de um cometa

> cauda: (de um cometa) uma coroa composta de duas partes: a poeira da cauda é feito de pó solto por sublimação do gelo em um cometa que é então empurrado por fótons do Sol em uma curva de fluxo; o íon cauda é um fluxo de partículas ionizadas evaporada de um cometa e, em seguida, varreu para longe do Sol pelo vento solar