Astronomie

Cometele diferă de asteroizi în primul rând prin compoziția lor înghețată, o diferență care îi face să se lumineze dramatic pe măsură ce se apropie de soare, formând o atmosferă temporară. În unele culturi timpurii, aceste așa-numite “stele păroase” erau considerate semne de dezastru. Astăzi, nu ne mai temem de comete, ci anticipăm cu nerăbdare pe cei care se apropie suficient de mult de noi pentru a face un spectacol de cer bun.

apariția cometelor

o cometă este o bucată relativ mică de material înghețat (de obicei la câțiva kilometri) care dezvoltă o atmosferă pe măsură ce se apropie de soare. Mai târziu, poate exista o coadă foarte slabă, nebuloasă, care se extinde la câteva milioane de kilometri distanță de corpul principal al cometei. Cometele au fost observate din cele mai vechi timpuri: relatările despre comete se găsesc în istoriile practic tuturor civilizațiilor antice. Cometa tipică, totuși, nu este spectaculoasă pe cerul nostru, având în schimb aspectul unui punct de lumină destul de slab, difuz, ceva mai mic decât Luna și de multe ori mai puțin strălucitor. (Cometele păreau mai spectaculoase oamenilor înainte de inventarea iluminatului artificial, ceea ce compromite viziunea noastră asupra cerului de noapte.)

la fel ca Luna și planetele, cometele par să rătăcească printre stele, schimbându-și încet pozițiile pe cer de la noapte la noapte. Spre deosebire de planete, totuși, majoritatea cometelor apar în momente imprevizibile, ceea ce explică probabil de ce au inspirat frecvent frica și superstiția în vremurile anterioare. Cometele rămân de obicei vizibile pentru perioade care variază de la câteva săptămâni la câteva luni. Vom spune mai multe despre ce sunt făcute și cum devin vizibile după ce discutăm despre mișcările lor.

rețineți că imaginile statice ale cometelor dau impresia că se mișcă rapid pe cer, ca un meteorit strălucitor sau o stea căzătoare. Privind doar la astfel de imagini, este ușor să confundăm cometele și meteorii. Dar văzute pe cerul real, ele sunt foarte diferite: meteoritul arde în atmosfera noastră și dispare în câteva secunde, în timp ce cometa poate fi vizibilă săptămâni întregi în aproape aceeași parte a cerului.

orbitele cometei

Figura 1: Cometa Halley. Acest compozit de trei imagini (una în roșu, una în verde, una în albastru) arată Cometa Halley văzută cu un telescop mare în Chile în 1986. În timpul în care cele trei imagini au fost luate în ordine, cometa sa mutat printre stele. Telescopul a fost mutat pentru a menține imaginea cometei constantă, determinând stelele să apară în trei exemplare (o dată în fiecare culoare) în fundal. (credit: modificarea lucrărilor de către ESO)

studiul cometelor ca membri ai sistemului solar datează din vremea lui Isaac Newton, care a sugerat mai întâi că orbitează Soarele pe elipse extrem de alungite. Colegul lui Newton Edmund Halley (vezi Edmund Halley: Astronomy ‘ s Renaissance Man) a dezvoltat aceste idei, iar în 1705 a publicat calculele a 24 de orbite de cometă. În special, el a menționat că orbitele cometelor strălucitoare care au apărut în anii 1531, 1607 și 1682 erau atât de asemănătoare încât cele trei ar putea fi aceeași cometă, revenind la periheliu (cea mai apropiată abordare a soarelui) la intervale medii de 76 de ani. Dacă da, el a prezis că obiectul ar trebui să se întoarcă în jurul anului 1758. Deși Halley murise până când cometa a apărut așa cum a prezis, i s-a dat numele Cometa Halley (rimează cu “vale”) în onoarea astronomului care a recunoscut-o pentru prima dată ca membru permanent al sistemului nostru solar, orbitând în jurul Soarelui. Aphelionul său (cel mai îndepărtat punct de la soare) este dincolo de orbita lui Neptun.

știm acum din înregistrările istorice că Cometa Halley a fost de fapt observată și înregistrată pe fiecare pasaj din apropierea Soarelui din 239 Î.hr. la intervale cuprinse între 74 și 79 de ani. Perioada revenirii sale variază oarecum din cauza schimbărilor orbitale produse de atracția planetelor uriașe. În 1910, Pământul a fost periat de coada cometei, provocând multă îngrijorare publică inutilă. Cometa Halley a apărut ultima dată pe cerul nostru în 1986 (Figura 1), când a fost întâmpinată de mai multe nave spațiale care ne-au oferit o mulțime de informații despre compoziția sa; va reveni în 2061.

Edmund Halley: omul renascentist al Astronomiei

Figura 2: Edmund Halley (1656-1742). Halley a contribuit prolific la științe. Studiul său asupra cometelor la începutul secolului al XVIII-lea a ajutat la prezicerea orbitei cometei care îi poartă acum numele.

Edmund Halley (Figura 2), un astronom strălucit care a adus contribuții în multe domenii ale științei și statisticilor, a fost din toate punctele de vedere o persoană generoasă, caldă și deschisă. În acest sens, el a fost exact opusul bunului său prieten Isaac Newton, a cărui mare lucrare, Principia (vezi orbite și gravitație), Halley a încurajat, editat și a ajutat la plata publicării. Halley însuși a publicat prima sa lucrare științifică la vârsta de 20 de ani, în timp ce era încă la facultate. Drept urmare, i s-a dat o comisie regală pentru a merge la Sfânta Elena (o insulă îndepărtată de pe coasta Africii, unde Napoleon va fi ulterior exilat) pentru a face primul sondaj telescopic al cerului sudic. După întoarcere, a primit echivalentul unui master și a fost ales în prestigioasa societate Regală din Anglia, toate la vârsta de 22 de ani.

pe lângă lucrările sale despre comete, Halley a fost primul astronom care a recunoscut că așa-numitele stele “fixe” se mișcă una față de cealaltă, observând că mai multe stele strălucitoare și-au schimbat pozițiile de la publicarea cataloagelor grecești antice de către Ptolemeu. El a scris o lucrare despre posibilitatea unui univers infinit, a propus că unele stele pot fi variabile și a discutat despre natura și dimensiunea nebuloaselor (structuri strălucitoare asemănătoare norilor vizibile în telescoape). În timp ce se afla în Sfânta Elena, Halley a observat planeta Mercur trecând pe fața Soarelui și a dezvoltat matematica modului în care astfel de Tranzite ar putea fi folosite pentru a stabili dimensiunea sistemului solar.

în alte domenii, Halley a publicat primul tabel al speranțelor de viață umană( precursorul statisticilor privind asigurările de viață); a scris lucrări despre musoni, vânturi comerciale și maree( cartografierea mareelor din Canalul Mânecii pentru prima dată); a pus bazele studiului sistematic al câmpului magnetic al Pământului; a studiat evaporarea și modul în care apele interioare devin sărate; și chiar a proiectat un clopot de scufundări subacvatice. A servit ca diplomat britanic, sfătuindu-l pe Împăratul Austriei și cercetând viitorul țar al Rusiei în jurul Angliei (discutând cu aviditate, ni se spune, atât importanța științei, cât și calitatea coniacului local).

în 1703, Halley a devenit profesor de geometrie la Oxford, iar în 1720 a fost numit astronom regal al Angliei. A continuat să observe Pământul și cerul și să-și publice ideile încă 20 de ani, până când moartea l-a revendicat la vârsta de 85 de ani.

doar câteva comete se întorc într-un timp măsurabil în termeni umani (mai scurt de un secol), așa cum face Cometa Halley; acestea se numesc comete de perioadă scurtă. Multe comete de scurtă durată și—au schimbat orbitele apropiindu-se prea mult de una dintre planetele uriașe-cel mai adesea Jupiter (și astfel sunt numite uneori comete din familia Jupiter). Majoritatea cometelor au perioade lungi și vor dura mii de ani pentru a se întoarce, dacă se întorc deloc. După cum vom vedea mai târziu în acest capitol, majoritatea cometelor din familia Jupiter provin dintr-o sursă diferită de cometele de perioadă lungă (Cele cu perioade orbitale mai lungi de aproximativ un secol).

există înregistrări observaționale pentru mii de comete. Am fost vizitați de două comete strălucitoare în ultimele decenii. În primul rând, în martie 1996, a venit Cometa Hyakutake, cu o coadă foarte lungă. Un an mai târziu, a apărut Cometa Hale-Bopp; era la fel de strălucitoare ca cele mai strălucitoare stele și a rămas vizibilă timp de câteva săptămâni, chiar și în zonele urbane (vezi imaginea care deschide acest capitol).

Tabelul 1 enumeră câteva comete cunoscute a căror istorie sau apariție prezintă un interes special.

nucleul cometei

când privim o cometă activă, tot ce vedem în mod normal este atmosfera temporară de gaz și praf iluminată de lumina soarelui. Această atmosferă se numește capul cometei sau coma. Deoarece gravitatea unor astfel de corpuri mici este foarte slabă, atmosfera scapă rapid tot timpul; trebuie să fie completată de un material nou, care trebuie să vină de undeva. Sursa este nucleul mic, solid din interior, la doar câțiva kilometri, de obicei ascuns de strălucirea atmosferei mult mai mari care îl înconjoară. Nucleul este cometa reală, fragmentul de material înghețat antic responsabil pentru atmosferă și coadă (Figura 3).

Figura 3: părți ale unei comete. Această ilustrație schematică prezintă principalele părți ale unei comete. Rețineți că diferitele structuri nu sunt la scară.

teoria modernă a naturii fizice și chimice a cometelor a fost propusă pentru prima dată de astronomul Harvard Fred Whipple în 1950. Înainte de lucrarea lui Whipple, mulți astronomi au crezut că nucleul unei comete ar putea fi o agregare liberă de solide, un fel de “bancă de pietriș” care orbitează, Whipple a propus în schimb că nucleul este un obiect solid de câțiva kilometri, compus într-o parte substanțială a gheții de apă (dar și cu alte gheață) amestecat cu granule de silicat și praf. Această propunere a devenit cunoscută sub numele de modelul “bulgăre de zăpadă murdară”.

Figura 4: Praf De Cometă Capturat. Această particulă (văzută printr-un microscop) este considerată a fi un mic fragment de praf cometar, colectat în atmosfera superioară a Pământului. Măsoară aproximativ 10 microni, sau 1/100 de milimetru, peste. (credit: NASA / JPL)

vaporii de apă și alte substanțe volatile care scapă din nucleu atunci când este încălzit pot fi detectate în capul și coada cometei și, prin urmare, putem folosi Spectre pentru a analiza din ce atomi și molecule constă gheața nucleului. Cu toate acestea, suntem oarecum mai puțin siguri de componenta non-înghețată. Nu am identificat niciodată un fragment de materie solidă dintr-o cometă care a supraviețuit trecerii prin atmosfera Pământului. Cu toate acestea, navele spațiale care s-au apropiat de comete au transportat detectoare de praf, iar unele praf de cometă au fost chiar returnate pe Pământ (vezi Figura 4). Se pare că o mare parte din “murdăria” din bulgăre de zăpadă murdară este hidrocarburi întunecate, primitive și silicați, mai degrabă ca materialul despre care se crede că este prezent pe asteroizii întunecați și primitivi.

deoarece nucleele cometelor sunt mici și întunecate, ele sunt dificil de studiat de pe Pământ. Cu toate acestea, navele spațiale au obținut măsurători directe ale unui nucleu de cometă în 1986, când trei nave spațiale au trecut pe lângă Cometa Halley la distanță apropiată (vezi Figura 5). Ulterior, alte nave spațiale au zburat aproape de alte comete. În 2005, nava spațială NASA Deep Impact a transportat chiar și o sondă pentru un impact de mare viteză cu nucleul cometei Tempel 1. Dar, de departe, cel mai productiv studiu al unei comete a fost misiunea Rosetta din 2015, despre care vom discuta în scurt timp.

Figura 5: prim-plan al cometei Halley. Această fotografie istorică a nucleului negru, în formă neregulată, al cometei Halley a fost obținută de nava spațială ESA Giotto de la o distanță de aproximativ 1000 de kilometri. Zonele luminoase sunt jeturi de material care scapă de pe suprafață. Lungimea nucleului este de 10 kilometri și se pot face detalii de până la 1 kilometru. (credit: modificarea lucrărilor de către ESA)

atmosfera cometei

activitatea spectaculoasă care ne permite să vedem cometele este cauzată de evaporarea gheții cometare încălzite de lumina soarelui. Dincolo de centura de asteroizi, unde cometele își petrec cea mai mare parte a timpului, aceste gheață sunt înghețate solid. Dar, pe măsură ce o cometă se apropie de soare, începe să se încălzească. Dacă apa (H2O) este gheața dominantă, cantități semnificative se vaporizează pe măsură ce lumina soarelui încălzește suprafața peste 200 K. Acest lucru se întâmplă pentru cometa tipică oarecum dincolo de orbita lui Marte. Evaporarea H2O la rândul său eliberează praful care a fost amestecat cu gheața. Deoarece nucleul cometei este atât de mic, gravitația sa nu poate reține nici gazul, nici praful, ambele curgând în spațiu la viteze de aproximativ 1 kilometru pe secundă.

cometa continuă să absoarbă energia pe măsură ce se apropie de soare. O mare parte din această energie intră în evaporarea gheții sale, precum și în încălzirea suprafeței. Cu toate acestea, observațiile recente ale multor comete indică faptul că evaporarea nu este uniformă și că cea mai mare parte a gazului este eliberată în spurturi bruște, probabil limitată la câteva zone ale suprafeței. Extinzându-se în spațiu cu o viteză de aproximativ 1 kilometru pe secundă, atmosfera cometei poate atinge o dimensiune enormă. Diametrul capului unei comete este adesea la fel de mare ca Jupiter și uneori se poate apropia de un diametru de un milion de kilometri (Figura 6).

Figura 6: Capul cometei Halley. Aici vedem norul de gaz și praf care alcătuiesc capul sau coma cometei Halley în 1986. Pe această scară, nucleul (ascuns în interiorul norului) ar fi un punct prea mic pentru a fi văzut. (credit: modificarea lucrărilor de către NASA / W. Liller)

Figura 7: orbita cometei și coada. Orientarea unei cozi tipice de cometă se schimbă pe măsură ce cometa trece periheliu. Apropiindu-se de soare, coada se află în spatele capului cometei care intră, dar la ieșire, coada precede capul.

majoritatea cometelor dezvoltă cozi pe măsură ce se apropie de soare. Coada unei comete este o extensie a atmosferei sale, constând din același gaz și praf care îi alcătuiesc capul. Încă din secolul al XVI-lea, observatorii și-au dat seama că cozile cometei se îndreaptă întotdeauna departe de soare (Figura 7), nu înapoi de-a lungul orbitei cometei. Newton a propus că cozile de cometă sunt formate dintr—o forță respingătoare a luminii solare care îndepărtează particulele de cap-o idee apropiată de viziunea noastră modernă.

cele două componente diferite care alcătuiesc coada (praful și gazul) acționează oarecum diferit. Cea mai strălucitoare parte a cozii se numește coada de praf, pentru a o diferenția de o coadă mai slabă, dreaptă, din gaz ionizat, numită coada Ionică. Coada de ioni este transportată spre exterior de fluxuri de ioni (particule încărcate) emise de soare. După cum puteți vedea în Figura 8, coada de praf mai fină se curbează puțin, pe măsură ce particulele individuale de praf se răspândesc de-a lungul orbitei cometei, în timp ce ionul drept este coada împinsă mai direct spre soare de vântul stelei noastre de particule încărcate

Figura 8: Cozi De Cometă. (a) pe măsură ce o cometă se apropie de soare, caracteristicile sale devin mai vizibile. În această ilustrație de la NASA care arată Cometa Hale-Bopp, puteți vedea cele două cozi ale unei comete: coada de praf mai ușor vizibilă, care poate avea o lungime de până la 10 milioane de kilometri, și coada de gaz mai slabă (sau coada de ioni), care are o lungime de până la sute de milioane de kilometri. Boabele care alcătuiesc coada de praf sunt de dimensiunea particulelor de fum. (B) Cometa Mrkos a fost fotografiată în 1957 cu un telescop cu câmp larg la Observatorul Palomar și arată, de asemenea, o distincție clară între coada dreaptă de gaz și coada curbată de praf. (credit a: modificarea operei de ESO / E. Slawik; credit b: modificarea operei de Charles Kearns, George O. Abell și Byron Hill)

Misiunea cometei Rosetta

în anii 1990, oamenii de știință europeni au decis să proiecteze o misiune mult mai ambițioasă care să se potrivească orbitelor cu o cometă care intră și să o urmeze în timp ce se apropia de soare. De asemenea, au propus ca o navă spațială mai mică să încerce de fapt să aterizeze pe cometă. Nava spațială principală de 2 Tone a fost numită Rosetta, purtând o duzină de instrumente științifice, iar landerul său de 100 de kilograme cu încă nouă instrumente a fost numit Philae.

Misiunea Rosetta a fost lansată în 2004. Întârzierile cu racheta de lansare au făcut ca aceasta să rateze cometa țintă inițială, așa că a fost aleasă o destinație alternativă, cometa Churyumov-Gerasimenko (numită după cei doi descoperitori, dar în general notată 67P). Perioada de revoluție a acestei comete este de 6,45 ani, ceea ce o face o cometă din familia Jupiter.

deoarece Agenția Spațială Europeană nu avea acces la sursele de energie nucleară alimentate cu plutoniu utilizate de NASA pentru misiunile spațiale profunde, Rosetta trebuia să fie alimentată cu energie solară, necesitând panouri solare deosebit de mari. Chiar și acestea nu au fost suficiente pentru a menține nava în funcțiune, deoarece se potrivea orbitelor cu 67P lângă afeliul cometei. Singura soluție a fost oprirea tuturor sistemelor de nave spațiale și lăsarea acesteia să se îndrepte câțiva ani spre soare, în afara contactului cu controlorii de pe pământ până când energia solară a fost mai puternică. Succesul misiunii depindea de un cronometru automat pentru a reporni puterea în timp ce se apropia de soare. Din fericire, această strategie a funcționat.

în August 2014, Rosetta a început o abordare treptată a nucleului cometei, care este un obiect ciudat deformat de aproximativ 5 kilometri, destul de diferit de aspectul neted al nucleului lui Halley (dar la fel de întunecat). Perioada de rotație este de 12 ore. Pe 12 noiembrie 2014, Philae lander a fost abandonat, coborând încet timp de 7 ore înainte de a lovi ușor suprafața. A sărit și s-a rostogolit, venind să se odihnească sub o consolă în care nu era suficientă lumină solară pentru a-și menține bateriile încărcate. După ce a funcționat câteva ore și a trimis date înapoi la orbiter, Philae a tăcut. Principala navă spațială Rosetta a continuat operațiunile, totuși, pe măsură ce nivelul activității cometei a crescut, cu aburi de jet de gaz de la suprafață. Pe măsură ce cometa s-a apropiat de periheliu în septembrie 2015, nava spațială s-a retras pentru a-și asigura siguranța.

amploarea imaginilor Rosetta (și a datelor de la alte instrumente) depășește cu mult orice au văzut astronomii înainte de o cometă. Cea mai bună rezoluție a imaginii a fost cu aproape 100 mai mare decât în cele mai bune imagini Halley. La această scară, cometa pare surprinzător de aspră, cu unghiuri ascuțite, gropi adânci și console (Figura 9).

Figura 9: forma ciudată și caracteristicile suprafeței cometei 67P. (a) această imagine de la camera Rosetta a fost preluată de la o distanță de 285 de kilometri. Rezoluția este de 5 metri. Puteți vedea că cometa este formată din două secțiuni cu un “gât” de legătură între ele. (b) Această vedere de aproape a cometei Churyumov-Gerasimenko este din landerul Philae. Unul dintre cele trei picioare ale landerului este vizibil în prim-plan. Landerul în sine este în mare parte în umbră. (credit a: modificarea lucrărilor de către ESA / Rosetta / MPS pentru echipa OSIRIS MPS / UPD / LAM/IAA/SSO / INTA/UPM/DASP / IDA; credit b: modificarea lucrărilor de către ESA / Rosetta / Philae/CIVA)

forma cu două lobi a nucleului 67P a fost atribuită provizoriu coliziunii și fuziunii a două nuclee de cometă independente cu mult timp în urmă. Nava spațială a verificat că suprafața întunecată a cometei era acoperită cu compuși organici bogați în carbon, amestecați cu sulfuri și boabe de fier-nichel. 67P are o densitate medie de numai 0,5 g/cm3 (rechemarea apei în aceste unități are o densitate de 1 g/cm3.) Această densitate scăzută indică faptul că cometa este destul de poroasă, adică există o cantitate mare de spațiu gol printre materialele sale.

știam deja că evaporarea gheții cometei a fost sporadică și limitată la jeturi mici, dar în cometa 67P, acest lucru a fost dus la extrem. În orice moment, mai mult de 99% din suprafață este inactivă. Orificiile active au doar câțiva metri lățime, materialul fiind limitat la jeturi înguste care persistă doar câteva minute (Figura 10). Nivelul de activitate este puternic dependent de încălzirea solară, iar între iulie și August 2015 a crescut cu un factor de 10. Analiza izotopică a deuteriului în apa ejectată de cometă arată că este diferită de apa găsită pe Pământ. Astfel, se pare că cometele precum 67P nu au contribuit la originea oceanelor noastre sau a apei din corpurile noastre, așa cum credeau unii oameni de știință.

Figura 10: jeturi de gaz pe cometa 67P. (a) această activitate a fost fotografiată de nava spațială Rosetta lângă periheliu. Puteți vedea un jet care apare brusc; a fost activ doar câteva minute. (b) această fotografie spectaculoasă, făcută lângă periheliu, arată cometa activă înconjurată de mai multe jeturi de gaz și praf. (credit a, b: modificarea lucrărilor de către ESA / Rosetta / MPS; credit c: modificarea lucrărilor de către ESA / Rosetta / NAVCAM)

Glosar

cometă: un corp mic de materie înghețată și prăfuită care se învârte în jurul Soarelui; când o cometă se apropie de soare, o parte din materialul său se vaporizează, formând un cap mare de gaz subțire și adesea o coadă

nucleu (al unei comete): bucata solidă de gheață și praf din capul unei comete

coadă: (a unei comete) o coadă formată din două părți: coada de praf este făcută din praf slăbit de sublimarea gheții într-o cometă care este apoi împinsă de fotoni de la soare într-un flux curbat; coada de ioni este un flux de particule ionizate evaporate dintr-o cometă și apoi măturate de soare de vântul solar