13.3: Los cometas “de pelo largo”
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Objetivos de aprendizaje
Al final de esta sección, podrás:
- Caracterizar la apariencia física general de los cometas
- Explicar el rango de órbitas cometarias
- Describir el tamaño y composición del núcleo típico de un cometa
- Discutir las atmósferas de los cometas
- Resumir los descubrimientos de la misión Rosetta
Los cometas difieren de los asteroides principalmente en su composición helada, una diferencia que hace que se iluminen dramáticamente a medida que se acercan al Sol, formando una atmósfera temporal. En algunas culturas tempranas, estas llamadas “estrellas peludas” se consideraban presagios de desastre. Hoy, ya no tememos a los cometas, sino anticipamos ansiosamente a aquellos que se acercan lo suficiente a nosotros como para hacer un buen espectáculo en el cielo.
Aparición de Cometas
Un cometa es un trozo relativamente pequeño de material helado (típicamente a pocos kilómetros de ancho) que desarrolla una atmósfera a medida que se acerca al Sol. Posteriormente, puede haber una cola muy tenue, nebulosa, que se extiende a varios millones de kilómetros del cuerpo principal del cometa. Los cometas se han observado desde los primeros tiempos: los relatos de cometas se encuentran en las historias de prácticamente todas las civilizaciones antiguas. El cometa típico, sin embargo, no es espectacular en nuestros cielos, sino que tiene la apariencia de un punto de luz bastante tenue, difuso algo más pequeño que la Luna y muchas veces menos brillante. (Los cometas parecían más espectaculares a la gente antes de la invención de la iluminación artificial, lo que compromete nuestra visión del cielo nocturno).
Al igual que la Luna y los planetas, los cometas parecen vagar entre las estrellas, desplazando lentamente sus posiciones en el cielo de noche a noche. A diferencia de los planetas, sin embargo, la mayoría de los cometas aparecen en momentos impredecibles, lo que quizás explica por qué frecuentemente inspiraban miedo y superstición en épocas anteriores. Los cometas suelen permanecer visibles por periodos que varían de un par de semanas a varios meses. Diremos más sobre de qué están hechos y cómo se hacen visibles después de que discutamos sus mociones.
Tenga en cuenta que las imágenes fijas de cometas dan la impresión de que se están moviendo rápidamente por el cielo, como un meteoro brillante o una estrella fugaz. Al mirar sólo esas imágenes, es fácil confundir cometas y meteoros. Pero vistos en el cielo real, son muy diferentes: el meteoro se quema en nuestra atmósfera y se va en pocos segundos, mientras que el cometa puede ser visible durante semanas en casi la misma parte del cielo.
Órbitas de Cometas
El estudio de los cometas como miembros del sistema solar data de la época de Isaac Newton, quien primero sugirió que orbitaban el Sol en elipses extremadamente alargadas. El colega de Newton, Edmund Halley (ver el cuadro de características Note) desarrolló estas ideas, y en 1705, publicó cálculos de 24 órbitas de cometas. En particular, señaló que las órbitas de los cometas brillantes que habían aparecido en los años 1531, 1607 y 1682 eran tan similares que los tres bien podrían ser el mismo cometa, regresando al perihelio (acercamiento más cercano al Sol) a intervalos promedio de 76 años. Si es así, predijo que el objeto debería regresar a continuación alrededor de 1758. Aunque Halley había muerto para cuando el cometa apareció como predijo, se le dio el nombre de Cometa Halley (rima con “valle”) en honor al astrónomo que primero lo reconoció como miembro permanente de nuestro sistema solar, orbitando alrededor del Sol. Su afelio (punto más alejado del Sol) está más allá de la órbita de Neptuno.
Ahora sabemos por los registros históricos que el cometa Halley ha sido observado y registrado en todos los pasajes cercanos al Sol desde 239 a. C. a intervalos que van desde 74 a 79 años. El periodo de su retorno varía algo debido a los cambios orbitales producidos por la atracción de los planetas gigantes. En 1910, la Tierra fue cepillada por la cola del cometa, causando mucha preocupación pública innecesaria. El cometa Halley apareció por última vez en nuestros cielos en 1986 (Figura\(\PageIndex{1}\)), cuando fue recibido por varias naves espaciales que nos dieron una gran cantidad de información sobre su composición; regresará en 2061.
Edmund Halley: El hombre renacentista de la astronomía
Edmund Halley (Figura\(\PageIndex{2}\)), un astrónomo brillante que hizo contribuciones en muchos campos de la ciencia y la estadística, fue, por todas las cuentas, una persona generosa, cálida y extrovertida. En esto, era todo lo contrario de su buen amigo Isaac Newton, cuyo gran trabajo, los Principia (ver Órbitas y gravedad), Halley alentó, editó, y ayudó a pagar para publicar. El propio Halley publicó su primer artículo científico a los 20 años, mientras aún estaba en la universidad. En consecuencia, se le dio una comisión real para ir a Santa Elena (una remota isla frente a la costa de África donde Napoleón sería luego exiliado) para realizar el primer levantamiento telescópico del cielo sureño. Después de regresar, recibió el equivalente a una maestría y fue elegido miembro de la prestigiosa Royal Society en Inglaterra, todo a la edad de 22 años.
Además de su trabajo sobre cometas, Halley fue el primer astrónomo en reconocer que las llamadas estrellas “fijas” se mueven una respecto a la otra, al señalar que varias estrellas brillantes habían cambiado de posición desde que Ptolomeo publicó los catálogos griegos antiguos. Escribió un artículo sobre la posibilidad de un universo infinito, propuso que algunas estrellas pueden ser variables, y discutió la naturaleza y el tamaño de las nebulosas (estructuras brillantes como nubes visibles en telescopios). Mientras estaba en Santa Elena, Halley observó al planeta Mercurio cruzando la faz del Sol y desarrolló las matemáticas de cómo tales tránsitos podrían ser utilizados para establecer el tamaño del sistema solar.
En otros campos, Halley publicó la primera tabla de expectativas de vida humana (precursora de las estadísticas de seguros de vida); escribió artículos sobre monzones, vientos alisios y mareas (trazando las mareas en el Canal de la Mancha por primera vez); sentó las bases para el estudio sistemático del campo magnético de la Tierra; estudió la evaporación y cómo las aguas continentales se vuelven saladas; e incluso diseñó una campana de buceo subacuático. Se desempeñó como diplomático británico, asesorando al emperador de Austria y escudriñando al futuro zar de Rusia alrededor de Inglaterra (discutiendo con avidez, se nos dice, tanto la importancia de la ciencia como la calidad del brandy local).
En 1703, Halley se convirtió en profesor de geometría en Oxford, y en 1720, fue nombrado astrónomo real de Inglaterra. Continuó observando la Tierra y el cielo y publicando sus ideas por otros 20 años, hasta que la muerte lo reclamó a los 85 años.
Sólo unos pocos cometas regresan en un tiempo medible en términos humanos (menos de un siglo), como lo hace el cometa Halley; estos se llaman cometas de corto período. Muchos cometas de corto período han cambiado sus órbitas al acercarse demasiado a uno de los planetas gigantes, la mayoría de las veces Júpiter (y así a veces se les llama cometas de la familia Júpiter). La mayoría de los cometas tienen largos periodos y tardarán miles de años en regresar, si regresan en absoluto. Como veremos más adelante en este capítulo, la mayoría de los cometas de la familia Júpiter provienen de una fuente diferente a la de los cometas de largo período (aquellos con periodos orbitales superiores a aproximadamente un siglo).
Existen registros observacionales para miles de cometas. Fuimos visitados por dos cometas brillantes en las últimas décadas. Primero, en marzo de 1996, llegó el cometa Hyakutake, con una cola muy larga. Un año después apareció el cometa Hale-Bopp; era tan brillante como las estrellas más brillantes y permaneció visible durante varias semanas, incluso en zonas urbanas (ver la imagen que abre este capítulo). En la\(\PageIndex{1}\) tabla se enumeran algunos cometas conocidos cuya historia o aparición es de especial interés.
| Nombre | Periodo | Importancia |
|---|---|---|
| Gran cometa de 1577 | Largo | Tycho Brahe demostró que estaba más allá de la Luna (un gran paso en nuestro entendimiento) |
| Gran cometa de 1843 | Largo | El cometa más brillante registrado; visible durante el día |
| Cometa Daylight de 1910 | Largo | El cometa más brillante del siglo XX |
| Poniente | Largo | Núcleo roto en pedazos (1976) |
| Hyakutake | Largo | Pasó dentro de los 15 millones de km de la Tierra (1996) |
| Hale—Bopp | Largo | Cometa reciente más brillante (1997) |
| Swift-Tuttle | 133 años | Cometa padre de la lluvia de meteoros de las Perseidas |
| Halley | 76 años | Primer cometa encontrado periódico; explorado por naves espaciales en 1986 |
| Borrelly | 6.8 años | Flyby by Deep Space 1 nave espacial (2000) |
| Biela | 6.7 años | Se rompió en 1846 y no se volvió a ver |
| Churyumov-Gerasimenko | 6.5 años | Objetivo de la misión Rosetta (2014—16) |
| Salvaje 2 | 6.4 años | Objetivo de la misión de retorno de muestras Stardust (2004) |
| Tempel 1 | 5.7 años | Objetivo de la misión Deep Impact (2005) |
| Encke | 3.3 años | Periodo conocido más corto |
El Núcleo del Cometa
Cuando miramos a un cometa activo, lo único que normalmente vemos es su atmósfera temporal de gas y polvo iluminada por la luz solar. A esta atmósfera se le llama cabeza del cometa o coma. Dado que la gravedad de esos cuerpos pequeños es muy débil, la atmósfera se escapa rápidamente todo el tiempo; debe ser reabastecida por material nuevo, que tiene que venir de alguna parte. La fuente es el núcleo pequeño y sólido en su interior, a pocos kilómetros de ancho, generalmente oculto por el resplandor de la atmósfera mucho más grande que lo rodea. El núcleo es el cometa real, el fragmento de material helado antiguo responsable de la atmósfera y la cola (Figura\(\PageIndex{3}\)).
La teoría moderna de la naturaleza física y química de los cometas fue propuesta por primera vez por el astrónomo de Harvard Fred Whipple en 1950. Antes de la obra de Whipple, muchos astrónomos pensaban que el núcleo de un cometa podría ser una agregación suelta de sólidos, una especie de “banco de grava” orbitante, Whipple propuso en cambio que el núcleo es un objeto sólido a pocos kilómetros de ancho, compuesto en una parte sustancial de hielo de agua (pero con otros hielos también) mezclado con granos de silicato y polvo. Esta propuesta se conoció como el modelo de “bola de nieve sucia”.
El vapor de agua y otros volátiles que escapan del núcleo cuando se calienta pueden detectarse en la cabeza y cola del cometa, y por lo tanto, podemos usar espectros para analizar en qué átomos y moléculas consiste el hielo del núcleo. Sin embargo, estamos algo menos seguros del componente no helado. Nunca hemos identificado un fragmento de materia sólida de un cometa que haya sobrevivido al paso por la atmósfera terrestre. Sin embargo, las naves espaciales que se han acercado a los cometas han portado detectores de polvo, e incluso algunos cometas han sido devueltos a la Tierra (Figura\(\PageIndex{4}\)). Parece que gran parte de la “suciedad” en la bola de nieve sucia es hidrocarburos y silicatos oscuros, primitivos, más bien como el material que se piensa que está presente en los asteroides oscuros y primitivos.
Dado que los núcleos de los cometas son pequeños y oscuros, son difíciles de estudiar desde la Tierra. La nave espacial sí obtuvo mediciones directas de un núcleo de cometa, sin embargo, en 1986, cuando tres naves espaciales barrieron al cometa Halley a corta distancia (Figura\(\PageIndex{5}\)). Posteriormente, otras naves espaciales han volado cerca de otros cometas. En 2005, la nave espacial Deep Impact de la NASA incluso transportaba una sonda para un impacto de alta velocidad con el núcleo del Cometa Tempel 1. Pero con mucho, el estudio más productivo de un cometa ha sido por la misión Rosetta 2015, de la que discutiremos en breve.
La Atmósfera del Cometa
La espectacular actividad que nos permite ver cometas es causada por la evaporación de los hielos cometarios calentados por la luz solar. Más allá del cinturón de asteroides, donde los cometas pasan la mayor parte de su tiempo, estos hielos están sólidamente congelados. Pero a medida que un cometa se acerca al Sol, comienza a calentarse. Si el agua (H 2 O) es el hielo dominante, cantidades significativas se vaporizan a medida que la luz solar calienta la superficie por encima de 200 K. Esto sucede para el cometa típico algo más allá de la órbita de Marte. El H 2 O evaporante a su vez libera el polvo que se mezcló con el hielo. Dado que el núcleo del cometa es tan pequeño, su gravedad no puede contener ni el gas ni el polvo, los cuales fluyen hacia el espacio a velocidades de aproximadamente 1 kilómetro por segundo.
El cometa continúa absorbiendo energía a medida que se acerca al Sol. Gran parte de esta energía se destina a la evaporación de su hielo, así como al calentamiento de la superficie. Sin embargo, observaciones recientes de muchos cometas indican que la evaporación no es uniforme y que la mayor parte del gas se libera en chorros repentinos, quizás confinados a algunas áreas de la superficie. Al expandirse al espacio a una velocidad de aproximadamente 1 kilómetro por segundo, la atmósfera del cometa puede alcanzar un tamaño enorme. El diámetro de la cabeza de un cometa suele ser tan grande como Júpiter, y a veces puede acercarse a un diámetro de un millón de kilómetros (Figura\(\PageIndex{6}\)).
La mayoría de los cometas también desarrollan colas a medida que se acercan al Sol. La cola de un cometa es una extensión de su atmósfera, compuesta por el mismo gas y polvo que conforman su cabeza. Ya en el siglo XVI, los observadores se dieron cuenta de que las colas de los cometas siempre apuntan lejos del Sol (Figura\(\PageIndex{7}\)), no hacia atrás a lo largo de la órbita del cometa. Newton propuso que las colas de los cometas están formadas por una fuerza repulsiva de la luz solar que aleja las partículas de la cabeza, una idea cercana a nuestra visión moderna.
Los dos componentes diferentes que componen la cola (el polvo y el gas) actúan de manera algo diferente. La parte más brillante de la cola se llama cola de polvo, para diferenciarla de una cola más débil, recta hecha de gas ionizado, llamada cola de iones. La cola de iones es transportada hacia afuera por corrientes de iones (partículas cargadas) emitidas por el Sol. Como puede ver en la Figura\(\PageIndex{8}\), la cola de polvo más suave se curva un poco, ya que las partículas de polvo individuales se extienden a lo largo de la órbita del cometa, mientras que el ion recto es la cola empujada más directamente hacia afuera del Sol por el viento de partículas cargadas de nuestra estrella
En estos días, los cometas cercanos al Sol se pueden encontrar con naves espaciales diseñadas para observar nuestra estrella. Por ejemplo, a principios de julio de 2011, los astrónomos del Observatorio Solar y Heliosférico (SOHO) de la ESA/NASA presenciaron un cometa que vuela hacia el Sol, uno de los casi 3000 avistamientos de este tipo. También puedes ver un breve video de la NASA titulado “¿Por qué estamos viendo tantos cometas de pastoreo solar?”
La misión del cometa Rosetta
En la década de 1990, los científicos europeos decidieron diseñar una misión mucho más ambiciosa que emparejara órbitas con un cometa entrante y la siguiera a medida que se acercara al Sol. También propusieron que una nave espacial más pequeña en realidad intentaría aterrizar en el cometa. La nave espacial principal de 2 toneladas se llamaba Rosetta, transportaba una docena de instrumentos científicos, y su módulo de aterrizaje de 100 kilogramos con nueve instrumentos más se llamaba Philae.
La misión Rosetta se puso en marcha en 2004. Los retrasos con el cohete de lanzamiento provocaron que perdiera su cometa objetivo original, por lo que se eligió un destino alternativo, el cometa Churyumov-Gerasimenko (que lleva el nombre de los dos descubridores, pero generalmente denotado 67P). El periodo de revolución de este cometa es de 6.45 años, lo que lo convierte en un cometa de la familia Júpiter.
Dado que la Agencia Espacial Europea no tenía acceso a las fuentes de energía nuclear alimentadas por plutonio utilizadas por la NASA para misiones en el espacio profundo, Rosetta tuvo que ser alimentada por energía solar, requiriendo paneles solares especialmente grandes. Incluso estos no fueron suficientes para mantener la nave operando ya que coincidía con órbitas con 67P cerca del afelio del cometa. La única solución fue apagar todos los sistemas de naves espaciales y dejarla costear durante varios años hacia el Sol, fuera de contacto con los controladores en la Tierra hasta que la energía solar fuera más fuerte. El éxito de la misión dependía de un temporizador automático para volver a encender la energía a medida que se acercaba al Sol. Afortunadamente, esta estrategia funcionó.
En agosto de 2014, Rosetta inició una aproximación gradual al núcleo del cometa, que es un objeto extrañamente deformado de unos 5 kilómetros de diámetro, bastante diferente de la apariencia suave del núcleo de Halley (pero igualmente oscuro). Su periodo de rotación es de 12 horas. El 12 de noviembre de 2014, se dejó caer el módulo de aterrizaje Philae, descendiendo lentamente durante 7 horas antes de golpear suavemente la superficie. Rebotó y rodó, llegando a descansar bajo un voladizo donde no había suficiente luz solar para mantener sus baterías cargadas. Después de operar unas horas y enviar datos de vuelta al orbitador, Philae se quedó en silencio. La nave espacial principal Rosetta continuó operando, sin embargo, a medida que aumentaba el nivel de actividad del cometa, con vapores de gas lanzando desde la superficie. Cuando el cometa se acercaba al perihelio en septiembre de 2015, la nave espacial retrocedió para garantizar su seguridad.
La extensión de las imágenes de Rosetta (y los datos de otros instrumentos) supera con creces todo lo que los astrónomos habían visto antes de un cometa. La mejor resolución de imagen fue casi un factor de 100 mayor que en las mejores imágenes Halley. A esta escala, el cometa aparece sorprendentemente áspero, con ángulos agudos, fosas profundas y voladizos (Figura\(\PageIndex{9}\)).
La forma de doble lóbulo del núcleo de 67P se ha atribuido tentativamente a la colisión y fusión de dos núcleos de cometas independientes hace mucho tiempo. La nave espacial verificó que la superficie oscura del cometa estaba cubierta con compuestos orgánicos ricos en carbono, mezclados con sulfuros y granos de hierro-níquel. 67P tiene una densidad promedio de sólo 0.5 g/cm 3 (el agua de recuerdo en estas unidades tiene una densidad de 1 g/cm 3.) Esta baja densidad indica que el cometa es bastante poroso, es decir, existe una gran cantidad de espacio vacío entre sus materiales.
Ya sabíamos que la evaporación de los hielos de cometas era esporádica y limitada a pequeños chorros, pero en el cometa 67P, esto se llevó a un extremo. En cualquier momento, más del 99% de la superficie está inactiva. Los respiraderos activos tienen solo unos metros de ancho, con el material confinado a chorros estrechos que persisten por solo unos minutos (Figura). El nivel de actividad depende fuertemente de la calefacción solar, y entre julio y agosto de 2015, aumentó en un factor de 10. El análisis isotópico del deuterio en el agua expulsada por el cometa muestra que es diferente del agua que se encuentra en la Tierra. Así, aparentemente cometas como el 67P no contribuyeron al origen de nuestros océanos ni al agua en nuestros cuerpos, como algunos científicos habían pensado.
La Agencia Espacial Europea continúa realizando interesantes videos cortos que ilustran los retos y resultados de las misiones Rosetta y Philae. Por ejemplo, mira “Momento de Rosetta en el Sol” para ver algunas de las imágenes del cometa generando penachos de gas y polvo y escuchar algunos de los peligros que un cometa activo plantea para la nave espacial.
Conceptos clave y resumen
Halley primero demostró que algunos cometas están en órbitas cerradas y regresan periódicamente para balancearse alrededor del Sol. El corazón de un cometa es su núcleo, de pocos kilómetros de diámetro y compuesto por volátiles (principalmente congelados H 2 O) y sólidos (incluyendo tanto silicatos como materiales carbonosos). Whipple sugirió por primera vez este modelo de “bola de nieve sucia” en 1950; ha sido confirmado por estudios de naves espaciales de varios cometas. A medida que el núcleo se acerca al Sol, sus volátiles se evaporan (quizás en chorros localizados o explosiones) para formar la cabeza o atmósfera del cometa, que escapa a aproximadamente 1 kilómetro por segundo. La atmósfera se aleja del Sol para formar una larga cola. La misión Rosetta de la ESA al Cometa P67 (Churyumov-Gerasimenko) ha aumentado enormemente nuestro conocimiento de la naturaleza del núcleo y del proceso por el cual los cometas liberan agua y otros volátiles cuando se calientan con la luz solar.
Glosario
- cometa
- un pequeño cuerpo de materia helada y polvorienta que gira alrededor del Sol; cuando un cometa se acerca al Sol, parte de su material se vaporiza, formando una gran cabeza de gas tenue y a menudo una cola
- núcleo (de un cometa)
- el sólido trozo de hielo y polvo en la cabeza de un cometa
- cola
- (de un cometa) una cola que consta de dos partes: la cola de polvo está hecha de polvo aflojado por la sublimación de hielo en un cometa que luego es empujado por los fotones del Sol a una corriente curva; la cola de iones es una corriente de partículas ionizadas evaporadas de un cometa y luego arrastradas del Sol por el viento solar