Quali strutture e di quali sostanze sono troviamo nelle comete?
Il passaggio della cometa C/2022 E3 ZTF alla minima distanza dalla Terra è ormai imminente, il 1 febbraio 2023. Le ultime notizie che la riguardano, prevedono una luminosità probabilmente inferiore a quella stimata in precedenza; ma come sempre con le comete, oggetti celesti un pochino “capricciosi,” queste previsioni sono spesso affette da grandi incertezze. E del resto, quasi quotidianamente, troviamo in rete aggiornamenti su come ci apparirà questo “astro chiomato”.
Proprio a causa della velocità con cui queste notizie cambiano, può essere complesso capirne le cause scientifiche. Potremmo dire, come ho scritto sopra, che le comete hanno comportamenti talvolta imprevedibili e chiudere così il discorso… Ma, forse siamo curiosi e vogliamo saperne di più, nei limiti di quello che oggi le nostre ricerche scientifiche possono rivelare; in questo e negli articoli seguenti cercheremo allora di riassumere brevemente cosa sappiamo oggi su questi splendidi oggetti astronomici.
La struttura di una cometa.
La tabella successiva riassume i componenti che formano una cometa.
| Struttura | Descrizione | Dimensioni |
|---|---|---|
| Nucleo | Il nucleo è piccolo e compatto, con dimensioni che vanno da qualche chilometro ad alcune decine di chilometri. È un agglomerato di polvere cosmica e varie sostanze chimiche ghiacciate: acqua, anidride carbonica (CO2), ammoniaca (NH3), metano (CH4). La missione della NASA Stardust, ha fornito inoltre indicazioni della possibile presenza di acqua allo stato liquido | Intervallo dimensionale: 1 - 50 km |
| Chioma (Corona) | La corona si estende per decine di migliaia di chilometri attorno al nucleo ed è composta principalmente da polveri, gas, e ioni di vari elementi (ad esempio carbonio, zolfo, azoto, ossigeno) | Intervallo dimensionale: 1000 -10000 di km |
| Coda | La coda è la regione esterna alla corona, molto appariscente e bella da osservare; generalmente è composta da polveri e gas ionizzati che vengono spinti via dalla pressione del vento solareIl vento solare è il flusso di particelle elettricamente cariche emesso dall'atmosfera del Sole. Spesso le comete hanno code distinte: coda di polveri e coda/e di gas ionizzati, aventi colori diifferenti. La direzione delle code di atomi ionizzati è controllata dal vento solare | Intervallo dimensionale: 100000 - 1000000 km |
Il nucleo cometario è descritto come “una palla di neve sporca”. La definizione risale alla seconda metà del secolo scorso e compendia la trattazione teorica della struttura cometaria, sviluppata dall’astronomo Fred WhippleFred Lawrence Whipple (1906 –2004) astronomo statunitense; di questo modello fondamentale per lo studio delle comete ne riparleremo, ma ci sarà già utile adesso per descriverne la struttura. Per inciso, le comete non sono assolutamente “globi di fuoco che solcano i cieli”, come ho letto su alcuni siti web che forniscono pseudo divulgazione scientifica.
La chioma e la coda si sviluppano a causa dell’avvicinamento della cometa al Sole: il conseguente aumento dell’intensità della radiazione solare provoca la sublimazioneLa sublimazione è il passaggio di una sostanza dallo stato solido allo stato di vapore in seguito ad un aumento di temperatura, senza passare attraverso lo stato liquido del ghiaccio nel nucleo, liberando così polveri e gas. Queste appariscenti strutture si formano solitamente a distanze dal Sole comprese tra 1 e 5 unità astronomicheUnità di misura delle distanze astronomiche, corrispondente alla distanza media Terra – Sole. 1 unità astronomica = 149.6 milioni di km; questi valori possono variare a seconda della dimensione e composizione della cometa.
Poichè il nucleo è solitamente molto piccolo, non ha mai una massa sufficiente per legare a se gravitazionalmente la corona, la cui pressione è in equilibrio dinamico con quella del vento solare. Questa pressione si esercita su tutta la sua estensione, e non solamente nella regione rivolta verso il Sole, per cui la corona si espande in tutte le direzioni con simmetria sferica. A grande distanza dal Sole le comete sviluppano solitamente prima la chioma e dopo la coda; infatti quando la quantità di polveri e gas aumenta al diminuire della distanza dalla nostra stella, la pressione del vento solare nella regione posteriore della chioma (rispetto al Sole) è minore di quella nella regione anteriore: si forma allora la coda, che viene ulteriormente spinta lontana dal nucleo dalla pressione del vento solare. L’immagine precedente della cometa ISON mostra con tre differenti colori le strutture di una cometa; il cerchio in colore verde indica la posizione del “falso nucleo”, ossia la regione molto luminosa situata al centro della chioma; il falso nucleo è molto più grande del vero nucleo cometario, che è contenuto al suo interno.
All’interno della chioma.
Ma come avviene l’emissione del materiale dal nucleo, che da forma e dimensione alla chioma ed alla coda? Nella tabella successiva sono indicate alcune missioni spaziali che hanno fornito parzialmente risposte a questa domanda, riprendendo immagini multispettrali, analizzando la chimica dell’ambiente cometario, prelevando campioni di polvere dalla chioma e dalla coda ed esaminandone la superficie “in situ”, mediante veicoli che si sono posati sul nucleo. Uno dei risultati più interessanti sulla morfologia della chioma è stata la scoperta che l’emissione di materiale dal nucleo si concentra in alciuni punti della superficie, i cosiddetti “getti”, che possono mostrare comportamenti complessi, legati ai loro parametri fisici (ad esempio, la rotazione del nucleo).
| Missione | Cometa | Epoca evento |
|---|---|---|
| ISEE 3 | 21P/Giacobini-Zinner | 1985 |
| Suisei | 1P/Halley | 1986 |
| VEGA | 1P/Halley | 1986 |
| Sakigake | 1P/Halley | 1986 |
| Giotto | 1P/Halley | 1986 |
| Ulysses | 26P/Grigg-Skjellerup | 1996 |
| Ulysses | C/1999T1 McNaught-Hartley | 2000 |
| Deep Space 1 | 19P/Borrelly | 2001 |
| Contour | 2P/Enke 73P/Schwassmann-Wachmann 6P/d’Arrest | 2003 |
| Stardust | 81P/Wild 2; prelievo campioni di polvere | 2004 (prelievo di polvere cometaria) |
| Deep Impact | 9P/Tempel 1 | 2005 |
| Ulysses | C/2006P1 McNaught | 2007 |
| Deep Impact | 103P/Hartley 2 | 2010 |
| Deep Impact | 9P/Tempel 1 | 2013 |
| Rosetta | 67/P Churyumov-Gerasimenko | 2014 |
| Philae | 67/P Churyumov-Gerasimenko (lander della missione Rosetta) | 2014 |
Grazie allo sviluppo delle tecniche di ripresa ed elaborazione delle immagini sviluppate negli ultimi decenni, anche mediante strumentazioni amatoriali si possono identificare nella chioma strutture geometriche direttamente legate all’espulsione di materiale dal nucleo. Nelle immagini successive (originale ed elaborazioni effettuate mediante il software Iris) sono visibili le strutture geometriche nella chioma della cometa C/2007 N3 Lulin, che ho ripreso la sera del 23 febbraio 2009.
L’immagine 1, ottenuta mediante telecamera ccd ed un telescopio rifrattore di piccolo diametro, è una sovrapposizione in tricromia RGB; essendo il moto apparente della cometa molto veloce (più veloce di quello delle stelle dovuto alla rotazione terrestre), nel tempo intercorso tra le riprese delle immagini filtrate nei tre colori, la cometa si è spostata più delle stelle, che compaiono come punti colorati. Senza elaborazione, non è visibile nessun dettaglio della chioma.
L’immagine 2 mostra una elaborazione effettuata mediante il software Iris sull’immagine 1, che evidenzia le strutture nella chioma dove avviene il rilascio del materiale cometario, in due direzioni simmetriche ed opposte al nucleo (sono le due regioni luminose di forma triangolare); a grande distanza dal punto centrale del falso nucleo (utilizzato come punto iniziale dell’elaborazione), si creano artefatti non corrispondenti a reali strutture della chioma (le regioni trasversali in differenti tonalità di grigio).
Infine, l’immagine 3 è la somma delle due immagini precedenti: sono visibili gli ampi getti di materiale originati dal nucleo e la chioma che si allunga a formare la coda. Il colore verde predominante nell’immagine è dovuto alla presenza del carbonio biatomico.
