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Núcleo del cometa

El núcleo del cometa Tempel 1 El núcleo es la parte central y sólida de un cometa , antiguamente denominada bola de nieve sucia o bola de hielo . Un núcleo cometario está compue...

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El núcleo del cometa Tempel 1

El núcleo es la parte central y sólida de un cometa , antiguamente denominada bola de nieve sucia o bola de hielo . Un núcleo cometario está compuesto de roca , polvo y gases congelados . Al ser calentados por el Sol , los gases se subliman y producen una atmósfera que rodea el núcleo, conocida como coma . La fuerza ejercida sobre la coma por la presión de la radiación solar y el viento solar provoca la formación de una enorme cola que apunta en dirección opuesta al Sol. Un núcleo cometario típico tiene un albedo de 0,04. [ 1 ] Este color es más oscuro que el del carbón y puede deberse a una capa de polvo. [ 2 ]

Los resultados de las naves espaciales Rosetta y Philae muestran que el núcleo de 67P/Churyumov–Gerasimenko no tiene campo magnético, lo que sugiere que el magnetismo puede no haber jugado un papel en la formación temprana de planetesimales . [ 3 ] [ 4 ] Además, el espectrógrafo ALICE de Rosetta determinó que los electrones (a menos de 1 km (0,62 mi) por encima del núcleo del cometa) producidos por la fotoionización de moléculas de agua por la radiación solar , y no los fotones del Sol como se pensaba anteriormente, son responsables de la degradación de las moléculas de agua y dióxido de carbono liberadas del núcleo del cometa a su coma . [ 5 ] [ 6 ]  

Paradigma

Los núcleos de los cometas, con distancias que oscilan entre ~1  km y, en ocasiones, decenas de kilómetros, no podían ser resueltos por los telescopios. Incluso los telescopios gigantes actuales apenas lograban captar unos pocos píxeles del objetivo, suponiendo que los núcleos no estuvieran ocultos por comas al acercarse a la Tierra. La comprensión del núcleo, en contraposición al fenómeno de la coma, debía deducirse a partir de múltiples líneas de evidencia.

"Banco de arena volador"

El modelo del "banco de arena volador", propuesto por primera vez a finales del siglo XIX, postula que un cometa es un enjambre de cuerpos, no un objeto discreto. La actividad es la pérdida tanto de volátiles como de miembros de la población. [ 7 ] Este modelo fue defendido a mediados de siglo por Raymond Lyttleton , junto con un origen. A medida que el Sol pasaba a través de la nebulosidad interestelar, el material se agruparía en remolinos de estela. Parte se perdería, pero parte permanecería en órbitas heliocéntricas. La captura débil explicaba las órbitas largas, excéntricas e inclinadas de los cometas. Faltaban hielos propiamente dichos ; los volátiles se almacenaban por adsorción en los granos. [ 8 ] [ 9 ] [ 10 ] [ 11 ]

"Bola de nieve sucia"

A partir de la década de 1950, Fred Lawrence Whipple publicó su modelo de "conglomerado helado". [ 12 ] [ 13 ] Este pronto se popularizó como "bola de nieve sucia". Las órbitas de los cometas se habían determinado con bastante precisión, sin embargo, los cometas a veces se recuperaban "desfasados", hasta por días. Los primeros cometas podían explicarse por un "medio resistente", como "el éter" , o la acción acumulativa de meteoroides contra el frente del cometa o cometas. Pero los cometas podían regresar tanto antes como después. Whipple argumentó que un empuje suave de emisiones asimétricas (ahora "fuerzas no gravitacionales") explicaba mejor la sincronización de los cometas. Esto requería que el emisor tuviera fuerza cohesiva: un núcleo sólido único con cierta proporción de volátiles. Lyttleton continuó publicando trabajos sobre bancos de arena voladores hasta 1972. [ 14 ] El golpe de gracia para el banco de arena volador fue el cometa Halley. Las imágenes de Vega 2 y Giotto mostraron un solo cuerpo, que emitía a través de un pequeño número de chorros. [ 15 ] [ 16 ]

"Bola de tierra helada"

Hace mucho tiempo que no se podía imaginar que los núcleos de los cometas fueran bolas de nieve congeladas. [ 17 ] Whipple ya había postulado una corteza y un interior separados. Antes de la aparición de Halley en 1986, parecía que una superficie de hielo expuesta tendría una vida útil finita, incluso detrás de una coma. Se predijo que el núcleo de Halley sería oscuro, no brillante, debido a la destrucción/escape preferencial de gases y la retención de refractarios. [ 18 ] [ 19 ] [ 20 ] [ 21 ] El término manto de polvo se ha usado comúnmente durante más de 35 años. [ 22 ]

Los resultados de Halley superaron incluso estos: los cometas no son simplemente oscuros, sino que se encuentran entre los objetos más oscuros del Sistema Solar [ 23 ]. Además, las estimaciones previas de polvo fueron subestimaciones severas. Tanto los granos más finos como los guijarros más grandes aparecieron en los detectores de las naves espaciales, pero no en los telescopios terrestres. La fracción volátil también incluía compuestos orgánicos, no solo agua y otros gases. Las proporciones de polvo-hielo parecían mucho más cercanas de lo que se pensaba. Se derivaron densidades extremadamente bajas (0,1 a 0,5 g cm 3 ). [ 24 ] Todavía se asumía que el núcleo era mayoritariamente hielo, [ 15 ] quizás abrumadoramente. [ 16 ]

Teoría moderna

Sin contar tres misiones de encuentro, Halley fue un ejemplo. Su trayectoria desfavorable también provocó breves sobrevuelos a velocidad extrema en una ocasión. Las misiones más frecuentes ampliaron la muestra de objetivos, utilizando instrumentos más avanzados. Casualmente, sucesos como la fragmentación de Shoemaker-Levy 9 y Schwassmann-Wachmann 3 contribuyeron aún más a la comprensión humana.

Se confirmó que las densidades eran bastante bajas, ~0,6 g cm 3 . Los cometas eran altamente porosos, [ 25 ] y frágiles a micro- [ 26 ] y macroescalas. [ 27 ]

Las proporciones refractarias a hielo son mucho más altas, [ 28 ] al menos 3:1, [ 29 ] posiblemente ~5:1, [ 30 ] ~6:1, [ 31 ] [ 22 ] o más. [ 32 ] [ 33 ] [ 34 ]

Esto supone un giro radical respecto al modelo de la bola de nieve sucia. El equipo científico de Rosetta ha acuñado el término "orgánicos minerales" para referirse a minerales y compuestos orgánicos con una pequeña fracción de hielos. [ 32 ]

Los cometas de Manx , los damocloides y los asteroides activos demuestran que puede que no exista una línea divisoria clara entre las dos categorías de objetos.

Origen

Los cometas, o sus precursores, se formaron en el Sistema Solar exterior, posiblemente millones de años antes de la formación de los planetas. [ 35 ] Se debate cómo y cuándo se formaron los cometas, con implicaciones distintas para la formación, la dinámica y la geología del Sistema Solar. Las simulaciones computacionales tridimensionales indican que las principales características estructurales observadas en los núcleos cometarios pueden explicarse por la acreción por pares a baja velocidad de cometesimales débiles. [ 36 ] [ 37 ] El mecanismo de creación actualmente favorecido es el de la hipótesis nebular , que afirma que los cometas son probablemente un remanente de los "bloques de construcción" planetesimales originales a partir de los cuales crecieron los planetas. [ 38 ] [ 39 ] [ 40 ]

Los astrónomos creen que los cometas se originan en la nube de Oort , el disco disperso , [ 41 ] y el cinturón principal exterior . [ 42 ] [ 43 ] [ 44 ]

Tamaño

Comparación de tamaño y color de los cometas más grandes conocidos, incluyendo el planeta enano Plutón y sus satélites naturales Mimas y Fobos como referencia de escala.
Comparación entre Tempel 1 y Hartley 2

Se cree que la mayoría de los núcleos cometarios no tienen más de unos 16 kilómetros (10 millas) de diámetro. [ 45 ] Los cometas más grandes que han entrado en la órbita de Saturno son 95P/Quirón (≈200  km), C/2002 VQ94 (LINEAL) (≈100  km), Cometa de 1729 (≈100  km), Hale-Bopp (≈60  km), 29P (≈60  km), 109P/Swift-Tuttle (≈26  km) y 28P/Neujmin (≈21  km).

El núcleo con forma de patata del cometa Halley (15 × 8 × 8  km) [ 45 ] [ 46 ] contiene cantidades iguales de hielo y polvo.

Durante un sobrevuelo en septiembre de 2001, la nave espacial Deep Space 1 observó el núcleo del cometa Borrelly y descubrió que tenía aproximadamente la mitad del tamaño (8×4×4  km) [ 47 ] del núcleo del cometa Halley. [ 45 ] El núcleo de Borrelly también tenía forma de patata y una superficie de color negro intenso. [ 45 ] Al igual que el cometa Halley, el cometa Borrelly solo liberaba gas desde pequeñas áreas donde los agujeros en la corteza exponían el hielo a la luz solar.

C/2006 W3 (Christensen) – emisor de gases de carbono

Se estimó que el núcleo del cometa Hale-Bopp  tenía un diámetro de 60 ± 20 km. [ 48 ] Hale-Bopp parecía brillante a simple vista porque su núcleo inusualmente grande emitía una gran cantidad de polvo y gas.

El núcleo de P/2007 R5 probablemente tenga solo 100–200 metros de diámetro. [ 49 ]

Se estima que los centauros  más grandes (asteroides helados, inestables y que cruzan órbitas planetarias) tienen un diámetro de entre 250 y 300  km. Tres de los más grandes serían 10199 Chariklo (258  km), 2060 Chiron (230  km) y (523727) 2014 NW 65 (≈220  km).

Se ha estimado que los cometas conocidos tienen una densidad promedio de 0,6 g /cm³ . [ 50 ] A continuación se muestra una lista de cometas cuyos tamaños, densidades y masas se han estimado.

Composición

Imagen del cometa Read tomada por el telescopio espacial James Webb , el primer cometa del cinturón principal de asteroides en el que se detectó vapor de agua a su alrededor. A diferencia de la mayoría de los cometas, el cometa Read no tiene dióxido de carbono detectable . [ 57 ]

Antes se creía que el hielo de agua era el componente predominante del núcleo. [ 58 ] En el modelo de bola de nieve sucia, el polvo se expulsa cuando el hielo retrocede. [ 59 ] Basándonos en esto, alrededor del 80% del núcleo del cometa Halley sería hielo de agua, y el monóxido de carbono congelado ( CO ) constituye otro 15%. Gran parte del resto es dióxido de carbono congelado, metano y amoníaco. [ 45 ] Los científicos creen que otros cometas son químicamente similares al cometa Halley. El núcleo del cometa Halley también es de un negro extremadamente oscuro. Los científicos creen que la superficie del cometa, y quizás la de la mayoría de los demás cometas, está cubierta por una corteza negra de polvo y roca que cubre la mayor parte del hielo. Estos cometas liberan gas solo cuando agujeros en esta corteza giran hacia el Sol, exponiendo el hielo interior a la luz solar que lo calienta.

Se demostró que esta suposición era ingenua, comenzando con Halley. La composición de la coma no representa la composición del núcleo, ya que la actividad selecciona volátiles y contra los refractarios, incluidas las fracciones orgánicas pesadas. [ 60 ] [ 61 ] Nuestra comprensión ha evolucionado más hacia la composición principalmente rocosa; [ 62 ] estimaciones recientes muestran que el agua es quizás solo el 20-30% de la masa en los núcleos típicos. [ 63 ] [ 64 ] [ 59 ] En cambio, los cometas son predominantemente materiales orgánicos y minerales. [ 65 ] Los datos de Churyumov-Gerasimenko y Arrokoth , y los experimentos de laboratorio sobre acreción, sugieren que las proporciones de refractarios a hielos menores a 1 pueden no ser posibles. [ 66 ]

La composición del vapor de agua del cometa Churyumov-Gerasimenko , determinada por la misión Rosetta , es sustancialmente diferente de la que se encuentra en la Tierra. La proporción de deuterio a hidrógeno en el agua del cometa resultó ser tres veces mayor que la del agua terrestre. Esto hace improbable que el agua de la Tierra provenga de cometas como el Churyumov-Gerasimenko. [ 67 ] [ 68 ]

Productos orgánicos

Rosetta descubrió que alrededor del 40% del núcleo de Churyumov-Gerasimenko son moléculas orgánicas. [ 69 ] La nave espacial Philae , que aterrizó en el cometa Churyumov-Gerasimenko en noviembre de 2014, detectó al menos 16 compuestos orgánicos , de los cuales cuatro (incluidos acetamida , acetona , isocianato de metilo y propionaldehído ) se detectaron por primera vez en un cometa. [ 70 ] [ 71 ] [ 72 ]

Estructura

Superficie del núcleo del cometa 67P vista desde 10  km de distancia por la sonda Rosetta.

En el cometa 67P/Churyumov–Gerasimenko , parte del vapor de agua resultante puede escapar del núcleo, pero el 80% se recondensa en capas bajo la superficie. [ 73 ] Esta observación implica que las finas capas ricas en hielo expuestas cerca de la superficie pueden ser consecuencia de la actividad y evolución del cometa, y que la estratificación global no necesariamente ocurre al principio de la historia de formación del cometa. [ 73 ] [ 74 ]

Fragmento B del cometa 73P/Schwassmann–Wachmann 3 desintegrándose, visto por el telescopio espacial Hubble.

Las mediciones realizadas por el módulo de aterrizaje Philae en el cometa 67P/Churyumov–Gerasimenko indican que la capa de polvo podría tener hasta 20 cm (7,9 pulgadas) de espesor. Debajo de esta hay hielo duro, o una mezcla de hielo y polvo. La porosidad parece aumentar hacia el centro del cometa. [ 75 ] Si bien la mayoría de los científicos pensaban que toda la evidencia indicaba que la estructura de los núcleos de los cometas son montones de escombros procesados ​​de planetesimales de hielo más pequeños de una generación anterior, [ 76 ] los resultados de la misión Rosetta muestran que no todos los núcleos cometarios son "montones de escombros". [ 77 ] Los datos no fueron concluyentes con respecto al entorno de colisión durante la formación y justo después. [ 78 ] [ 79 ] [ 80 ]  

Terrible

El núcleo de algunos cometas puede ser frágil, una conclusión respaldada por la observación de cometas que se dividen. [ 45 ] Entre los cometas que se dividen se incluyen 3D/Biela en 1846, Shoemaker–Levy 9 en 1992, [ 81 ] y 73P/Schwassmann–Wachmann de 1995 a 2006. [ 82 ] El historiador griego Éforo informó que un cometa se dividió ya en el invierno de 372–373 a. C. [ 83 ] Se sospecha que los cometas se dividen debido a estrés térmico, presión interna de gas o impacto. [ 84 ]

Los cometas 42P/Neujmin y 53P/Van Biesbroeck parecen ser fragmentos de un cometa progenitor. Las integraciones numéricas han demostrado que ambos cometas se acercaron bastante a Júpiter en enero de 1850 y que, antes de ese año, sus órbitas eran prácticamente idénticas. [ 85 ]

Albedo

Los núcleos cometarios se encuentran entre los objetos más oscuros conocidos en el Sistema Solar. La sonda Giotto descubrió que el núcleo del cometa Halley refleja aproximadamente el 4% de la luz que incide sobre él, [ 86 ] y Deep Space 1 descubrió que la superficie del cometa Borrelly refleja solo entre el 2,5% y el 3,0% de la luz que incide sobre ella; [ 86 ] en comparación, el asfalto fresco refleja el 7% de la luz que incide sobre él. Se cree que los compuestos orgánicos complejos son el material oscuro de la superficie. El calentamiento solar expulsa los compuestos volátiles dejando atrás compuestos orgánicos pesados ​​de cadena larga que tienden a ser muy oscuros, como el alquitrán o el petróleo crudo. La oscuridad misma de las superficies cometarias les permite absorber el calor necesario para impulsar su desgasificación .

Se cree que aproximadamente el seis por ciento de los asteroides cercanos a la Tierra son núcleos extintos de cometas (véase Cometas extintos ) que ya no experimentan desgasificación. [ 87 ] Dos asteroides cercanos a la Tierra con albedos tan bajos son 14827 Hypnos y 3552 Don Quixote .

Descubrimiento y exploración

La primera misión relativamente cercana al núcleo de un cometa fue la sonda espacial Giotto . [ 88 ] Esta fue la primera vez que se obtuvo una imagen de un núcleo a tal proximidad, acercándose a tan solo 596  km. [ 88 ] Los datos fueron una revelación, mostrando por primera vez los chorros, la superficie de bajo albedo y los compuestos orgánicos . [ 88 ] [ 89 ]

Durante su sobrevuelo, Giotto fue impactado al menos 12.000 veces por partículas, incluyendo un fragmento de 1 gramo que causó una pérdida temporal de comunicación con Darmstadt. [ 88 ] Se calculó que Halley expulsaba tres toneladas de material por segundo [ 90 ] desde siete chorros, lo que provocó que oscilara durante largos períodos de tiempo. [ 2 ] El núcleo del cometa Grigg-Skjellerup fue visitado después de Halley, con Giotto acercándose a 100-200  km. [ 88 ]

Los resultados de las naves espaciales Rosetta y Philae muestran que el núcleo de 67P/Churyumov–Gerasimenko no tiene campo magnético, lo que sugiere que el magnetismo puede no haber jugado un papel en la formación temprana de planetesimales . [ 3 ] [ 4 ] Además, el espectrógrafo ALICE de Rosetta determinó que los electrones (a menos de 1 km (0,62 mi) por encima del núcleo del cometa) producidos por la fotoionización de moléculas de agua por la radiación solar , y no los fotones del Sol como se pensaba anteriormente, son responsables de la degradación de las moléculas de agua y dióxido de carbono liberadas del núcleo del cometa a su coma . [ 5 ] [ 6 ]  

Los cometas que ya han sido visitados son:

  • El cometa Halley
  • 26P/Grigg–Skjellerup
  • Tempel 1 (también golpeado con impactador)
  • 19P/Borrelly
  • 81P/Salvaje
  • 103P/Hartley
  • C/2013 A1 (Siding Spring) : encuentro imprevisto con una nave espacial marciana.
  • 67P/Churyumov–Gerasimenko (también aterrizó en)

Véase también

Referencias

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  • Núcleo del cometa Halley (15×8×8  km)
  • Núcleo del cometa Wild 2 (5,5 × 4,0 × 3,3  km)
  • Revista Internacional de Cometas: Cometas Divididos
  • 67/P por Rosetta 2 ( ESA )