13.4: El origen y destino de los cometas y objetos relacionados
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Objetivos de aprendizaje
Al final de esta sección, podrás:
- Describir los rasgos de los objetos centauros
- Crónica del descubrimiento y descripción de la composición de la nube de Oort
- Describir objetos transneptunianos y de cinturón Kuiper
- Explicar el destino propuesto de los cometas que ingresan al sistema solar interior
Los cometas que notamos cuando se acercan a la Tierra (especialmente los que vienen por primera vez) son probablemente los objetos más primitivos que podemos estudiar, conservados sin cambios durante miles de millones de años en la congelación profunda del sistema solar exterior. Sin embargo, los astrónomos han descubierto muchos otros objetos que orbitan el Sol más allá de los planetas.
Centauros y TNOs
En el sistema solar exterior, donde la mayoría de los objetos contienen grandes cantidades de hielo de agua, la distinción entre asteroides y cometas se descompone. Los astrónomos inicialmente todavía usaban el nombre de “asteroides” para nuevos objetos descubiertos rodeando el Sol con órbitas que los llevan mucho más allá de Júpiter. El primero de estos objetos es Quirón, encontrado en 1977 en un camino que lo lleva desde justo dentro de la órbita de Saturno en su aproximación más cercana al Sol hacia fuera casi a la distancia de Urano (Figura\(\PageIndex{1}\)). Se estima que el diámetro de Quirón es de unos 200 kilómetros, mucho más grande que cualquier cometa conocido.
En 1992, un objeto aún más distante llamado Pholus fue descubierto con una órbita que le toma 33 UA del Sol, más allá de la órbita de Neptuno. Pholus tiene la superficie más roja de cualquier objeto en el sistema solar, lo que indica una composición superficial extraña (y aún desconocida). A medida que se descubren más objetos en estos lejanos alcances, los astrónomos decidieron que se les darán los nombres de centauros de la mitología clásica; esto se debe a que los centauros eran mitad humanos, mitad caballo, y estos nuevos objetos muestran algunas de las propiedades tanto de asteroides como de cometas.
Más allá de la órbita de Neptuno se encuentra un reino frío y oscuro poblado por objetos llamados simplemente objetos transneptunianos (TNOs). El primero descubierto, y más conocido, de estos TNOs es el planeta enano Plutón. Discutimos que Plutón y la nave espacial New Horizons se encuentran con él en la sección sobre Anillos, Lunas y Plutón. El segundo TNO fue descubierto en 1992, y ahora se conocen más de mil, la mayoría de ellos más pequeños que Plutón.
Los más grandes después de Pluto, llamados Eris, Makemake y Haumea, también están clasificados como planetas enanos. Excepto por su pequeño tamaño, los planetas enanos tienen muchas propiedades en común con los planetas más grandes. Plutón tiene cinco lunas, y se han descubierto dos lunas orbitando Haumea y una que circunda cada una a Eris y Makemake.
El cinturón de Kuiper y la nube de Oort
Los TNO son parte de lo que se llama el cinturón de Kuiper, una gran área de espacio más allá de Neptuno que también es fuente de muchos cometas. Los astrónomos estudian el cinturón de Kuiper de dos maneras. Nuevos telescopios más potentes nos permiten descubrir directamente muchos de los miembros más grandes del cinturón Kuiper. También podemos medir la composición de cometas de corto período que se cree que se originan en el cinturón de Kuiper, donde pequeñas perturbaciones gravitacionales de Neptuno pueden desplazar gradualmente sus órbitas hasta que puedan penetrar en el sistema solar interno. Se han descubierto más de mil objetos del cinturón de Kuiper, y los astrónomos estiman que hay más de 100 mil con diámetros mayores a 100 kilómetros, en un disco que se extiende a unas 50 UA del Sol.
Tras su exitoso sobrevuelo de Plutón, la nave espacial New Horizons exploró el Cinturón de Kuiper. El equipo finalmente identificó a un miembro del cinturón, el MU16 2014 (posteriormente llamado Arrokoth), al que se pudo llegar por un ligero cambio en la trayectoria de la nave espacial. New Horizons sobrevoló Arrokoth el 1 de enero de 2019, a una distancia de solo 3,500 km, obteniendo imágenes y otros datos. El objetivo resultó ser un binario de contacto, algo nuevo e inesperado (ver foto). Al seguir sus órbitas hacia atrás, podemos calcular que las afelias (puntos más alejados del Sol) de los cometas recién descubiertos suelen tener valores cercanos a 50,000 UA (más de mil veces más lejos que Plutón). Este agrupamiento de distancias de afelios fue señalado por primera vez por el astrónomo holandés Jan Oort, quien, en 1950, propuso una idea para el origen de esos cometas que todavía se acepta hoy en día (Figura\(\PageIndex{2}\)).
Es posible calcular que la esfera gravitacional de influencia de una estrella —la distancia dentro de la cual puede ejercer suficiente gravitación para aferrarse a objetos orbitantes— es aproximadamente un tercio de su distancia a las otras estrellas más cercanas. Las estrellas cercanas al Sol están espaciadas de tal manera que la esfera de influencia del Sol se extiende un poco más allá de las 50,000 UA, o aproximadamente 1 año luz. A distancias tan grandes, sin embargo, los objetos en órbita alrededor del Sol pueden ser perturbados por la gravedad de las estrellas que pasan. Algunos de los objetos perturbados pueden entonces tomar órbitas que los acercan mucho más al Sol (mientras que otros podrían perderse en el sistema solar para siempre).
Oort sugirió, por lo tanto, que los nuevos cometas que estábamos viendo eran ejemplos de objetos que orbitaban el Sol cerca del borde de su esfera de influencia, cuyas órbitas habían sido perturbadas por estrellas cercanas, acercándolos finalmente al Sol donde podemos verlas. 1 El reservorio de antiguos objetos helados del que se derivan tales cometas se llama ahora la nube de Oort.
Los astrónomos estiman que hay alrededor de un billón (10 12) de cometas en la nube de Oort. Además, estimamos que alrededor de 10 veces este número de objetos helados podrían estar orbitando el Sol en el volumen de espacio entre el cinturón de Kuiper (que está ligado gravitacionalmente a Neptuno) y la nube de Oort. Estos objetos permanecen sin descubrir porque son demasiado débiles para ser vistos directamente y sus órbitas son demasiado estables para permitir que alguno de ellos sea desviado hacia adentro cerca del Sol. El número total de objetos helados o cometarios en los confines exteriores de nuestro sistema solar podría ser así del orden de 10 billones (10 13), un número muy grande en efecto.
¿Cuál es la masa representada por 10 13 cometas? Podemos hacer una estimación si asumimos algo sobre los tamaños y masas de los cometas. Supongamos que el núcleo del cometa Halley es típico. Su volumen observado es de unos 600 km 3. Si el constituyente primario es hielo de agua con una densidad de aproximadamente 1 g/cm 3, entonces la masa total del núcleo de Halley debe ser de aproximadamente 6 × 10 14 kilogramos. Esto es aproximadamente una diez mil millonésima (10 —10) de la masa de la Tierra.
Si nuestra estimación es razonable y hay 10 13 cometas con esta masa ahí fuera, su masa total sería igual a cerca de 1000 Tierras, comparable a la masa de todos los planetas juntos. Por lo tanto, el material helado y cometario podría ser el constituyente más importante del sistema solar después del propio Sol.
Ejemplo\(\PageIndex{1}\): Masa de los Cometas Nube de Oort
Supongamos que la nube de Oort contiene 10 12 cometas con un diámetro promedio de 10 km cada uno. Estimemos la masa de la nube total de Oort.
Solución
Podemos comenzar asumiendo que los cometas típicos son aproximadamente del tamaño de los Cometas Halley y Borrelly, con un diámetro de 10 km y una densidad apropiada para el hielo de agua, que es de aproximadamente 1 g/cm 3 o 1000 kg/m 3. Sabemos que densidad = masa/volumen, el volumen de una esfera,\(V= \frac{4}{3} \pi R^3\), y el radio,\(R= \frac{1}{2}D\). Por lo tanto, para cada cometa,
\[ \begin{array} \text{mass } & = \text{ density} \times \text{ volume} \\ ~ & = \text{ density} \times \frac{4}{3} \pi \left( \frac{1}{2} D \right)^3 \end{array} \nonumber\]
Dado que 10 km = 10 4 m, la masa de cada cometa es
\[ \begin{array} \text{mass} & = 1000 \text{ kg/m}^3 \times \frac{4}{3} \times 3.14 \times \frac{1}{8} \times \left( 10^4 \right)^3 \text{ m}^3 \\ & \approx 10^{15} \text{ kg} \\ & = 10^{12} \text{ tons} \end{array} \nonumber\]
Para calcular la masa total de la nube, multiplicamos esta masa típica para un cometa por el número de cometas:
\[ \begin{align*} \text{total mass} &= 10^{15} \text{ kg/comet} \times 10^{12} \text{ comets} \\ & =10^{27} \text{ kg} \end{align*}\]
Ejercicio\(\PageIndex{1}\)
¿Cómo se compara la masa total que calculamos anteriormente con la masa de Júpiter? ¿A la masa del Sol? (Dar una respuesta numérica.)
- Contestar
-
La masa de Júpiter es de aproximadamente 1.9 × 10 27 kg. La masa de la nube de Oort calculada anteriormente es de 10 27 kg. Entonces la nube contendría alrededor de medio Júpiter de masa. La masa del Sol es de 2 × 10 30 kg. Esto significa que la nube de Oort sería
\[ \frac{10^{27} \text{ kg}}{ \left( 2 \times 10^{30} \text{ kg} \right)} =0.0005 \times \text{ the mass of the Sun} \nonumber\]
Evolución Temprana del Sistema Planetario
Los cometas de la nube de Oort nos ayudan a muestrear material que se formó muy lejos del Sol, mientras que los cometas de corto período del cinturón de Kuiper muestran materiales que eran planetesimales en el disco de la nebulosa solar pero que no formaban planetas. Los estudios del cinturón de Kuiper también están influyendo en nuestra comprensión de la evolución temprana de nuestro sistema planetario.
Los objetos en la nube de Oort y el cinturón de Kuiper tienen diferentes historias y, por lo tanto, pueden tener diferentes composiciones. Por lo tanto, los astrónomos están muy interesados en comparar mediciones detalladas de los cometas derivados de estas dos regiones de origen. La mayoría de los cometas brillantes que se han estudiado en el pasado (Halley, Hyakutake, Hale-Bopp) son cometas de nubes Oort, pero P67 y varios otros cometas apuntados para mediciones de naves espaciales en la próxima década son cometas de la familia Júpiter del cinturón Kuiper (Tabla\(13.3.1\)).
El cinturón de Kuiper está formado por planetesimales de hielo y roca, un remanente de los bloques de construcción de los planetas. Al estar ligado gravitacionalmente a Neptuno, puede ayudarnos a comprender la formación y la historia del sistema solar. A medida que se formaban los planetas gigantes, su gravedad influyó profundamente en las órbitas de los objetos del cinturón de Kuiper. Las simulaciones informáticas de la evolución temprana del sistema planetario sugieren que las interacciones gravitacionales entre los planetas gigantes y los planetesimales restantes provocaron que la órbita de Júpiter se desfilara hacia adentro, mientras que las órbitas de Saturno, Urano y Neptuno se expandieron, llevando consigo el cinturón de Kuiper.
Otra hipótesis involucra un quinto planeta gigante que fue expulsado del sistema solar por completo a medida que las órbitas planetarias cambiaban. La luna retrógrada de Neptuno (que orbita hacia atrás) Tritón (que es casi tan grande como Plutón) puede haber sido un objeto del cinturón de Kuiper capturado por Neptuno durante el período de órbitas cambiantes. Claramente parece que el cinturón de Kuiper puede llevar pistas importantes sobre la forma en que nuestro sistema solar alcanzó su configuración planetaria actual.
La caza de cometas como pasatiempo
Cuando el astrónomo aficionado David Levy (Figura), codescubridor del cometa Shoemaker-Levy 9, encontró su primer cometa, ya había pasado 928 horas infructuosas buscando por el oscuro cielo nocturno. Pero el descubrimiento del primer cometa sólo le avisó el apetito. Desde entonces, ha encontrado a otros 8 por su cuenta y 13 más trabajando con otros. A pesar de este impresionante récord, ocupa el tercer lugar en los libros de registro por número de descubrimientos de cometas. Pero David espera romper el récord algún día.
En todo el mundo, dedicados observadores aficionados pasan incontables noches explorando el cielo en busca de nuevos cometas. La astronomía es uno de los pocos campos de la ciencia donde los aficionados aún pueden hacer una contribución significativa, y el descubrimiento de un cometa es una de las formas más emocionantes de establecer su lugar en la historia astronómica. Don Machholz, aficionado californiano (y cazador de cometas) que ha estado realizando un estudio de descubrimientos de cometas, informó que entre 1975 y 1995, 38% de todos los cometas descubiertos fueron encontrados por aficionados. Esos 20 años rindieron 67 cometas para aficionados, o casi 4 por año. Eso podría sonar bastante alentador para los nuevos cazadores de cometas, hasta que se enteren de que el promedio de horas que el aficionado típico pasaba buscando un cometa antes de encontrar uno era de aproximadamente 420. Claramente, esta no es una actividad para personalidades impacientes.
¿Qué hacen los cazadores de cometas si piensan que han encontrado un cometa nuevo? Primero, deben verificar la ubicación del objeto en un atlas del cielo para asegurarse de que realmente es un cometa. Dado que el primer avistamiento de un cometa suele ocurrir cuando todavía está lejos del Sol y antes de que luzca una cola significativa, se verá como solo un pequeño parche borroso. Y a través de la mayoría de los telescopios aficionados, también lo harán las nebulosas (nubes de gas cósmico y polvo) y las galaxias (agrupaciones distantes de estrellas). A continuación, deben comprobar que no se han topado con un cometa que ya se conoce, en cuyo caso, sólo recibirán una palmadita en la espalda en lugar de fama y gloria. Entonces deben volver a observarlo o reimaginarlo algún tiempo después para ver si su movimiento en el cielo es apropiado para los cometas.
A menudo, los cazadores de cometas que piensan que han hecho un descubrimiento obtienen otro cazador de cometas en otra parte del país para confirmarlo. Si todo sale bien, el lugar con el que contactan es la Oficina Central de Telegramas Astronómicos del Centro Harvard-Smithsonian de Astrofísica en Cambridge, Massachusetts (www.cbat.eps.harvard.edu/). De confirmarse el descubrimiento, la oficina enviará la noticia a astrónomos y observatorios de todo el mundo. Una de las recompensas únicas de la caza de cometas es que el nombre del descubridor se asocia con el nuevo cometa, un poco de fama cósmica que pocos pasatiempos pueden igualar.
El destino de los cometas
Cualquier cometa que veamos hoy habrá pasado casi toda su existencia en la nube de Oort o en el cinturón de Kuiper a una temperatura cercana al cero absoluto. Pero una vez que un cometa ingresa al sistema solar interior, su historia de vida antes sin incidentes comienza a acelerarse. Puede, por supuesto, sobrevivir a su paso inicial cerca del Sol y regresar a los fríos alcances del espacio donde pasó los 4.5 mil millones de años anteriores. En el otro extremo, puede chocar con el Sol o acercarse tanto que se destruye en su primer paso perihelio (se han observado varias colisiones de este tipo con telescopios espaciales que monitorean al Sol). A veces, sin embargo, el nuevo cometa no se acerca tanto al Sol sino que interactúa con uno o más de los planetas.
SOHO (el Observatorio Solar y Heliosférico) cuenta con una excelente colección de videos de cometas que se acercan al Sol. En este sitio, el cometa ISON se acerca al Sol y se cree que es destruido en su paso.
Un cometa que entra dentro de la influencia gravitacional de un planeta tiene tres posibles destinos. Puede (1) impactar al planeta, terminar la historia de una vez; (2) acelerar y ser expulsado, dejando el sistema solar para siempre; o (3) ser perturbado en una órbita con un período más corto. En el último caso, su destino está sellado. Cada vez que se acerca al Sol, pierde parte de su material y además tiene una probabilidad significativa de colisión con un planeta. Una vez que el cometa se encuentra en este tipo de órbita de corto período, su vida útil comienza a medirse en miles, no miles de millones, de años.
Algunos cometas terminan sus vidas catastróficamente rompiéndose (a veces sin razón aparente) (Figura\(\PageIndex{4}\)). Especialmente espectacular fue el destino del débil Cometa Shoemaker-Levy 9, que irrumpió en unas 20 piezas cuando pasó cerca de Júpiter en julio de 1992. Los fragmentos de Shoemaker-Levy fueron capturados en realidad en una órbita muy alargada de dos años alrededor de Júpiter, duplicando más del número de lunas jovianas conocidas. Esto fue sólo un enriquecimiento temporal de la familia de Júpiter, sin embargo, porque en julio de 1994, todos los fragmentos del cometa se estrellaron contra Júpiter, liberando energía equivalente a millones de megatones de TNT.
A medida que cada fragmento cometario entraba en la atmósfera joviana a una velocidad de 60 kilómetros por segundo, se desintegró y explotó, produciendo una bola de fuego caliente que transportaba el polvo del cometa así como los gases atmosféricos a grandes altitudes. Estas bolas de fuego eran claramente visibles de perfil, con el punto de impacto real justo más allá del horizonte joviano visto desde la Tierra (Figura\(\PageIndex{5}\)). A medida que cada penacho explosivo volvía a caer en Júpiter, una región de la atmósfera superior más grande que la Tierra se calentó a incandescencia y brilló brillantemente durante unos 15 minutos, un resplandor que pudimos detectar con telescopios sensibles al infrarrojo.
Después de este evento, nubes oscuras de escombros se asentaron en la estratosfera de Júpiter, produciendo “moretones” de larga duración (cada uno aún más grande que la Tierra) que podían verse fácilmente incluso a través de telescopios pequeños (Figura\(\PageIndex{6}\)). Millones de personas en todo el mundo miraron a Júpiter a través de telescopios o siguieron el evento por televisión o en línea. Otra característica de menor impacto se vio en Júpiter en el verano de 2009 (y seis más desde entonces), lo que indica que los eventos de 1994 no fueron de ninguna manera únicos. Ver estas grandes explosiones de impacto en Júpiter nos ayuda a apreciar el desastre que le ocurriría a nuestro planeta si fuéramos alcanzados por un cometa o asteroide.
Para los cometas que no encuentran un final tan dramático, las mediciones de la cantidad de gas y polvo en sus atmósferas nos permiten estimar las pérdidas totales durante una órbita. Las tasas de pérdida típicas son de hasta un millón de toneladas por día de un cometa activo cerca del Sol, sumando unas decenas de millones de toneladas por órbita. A ese ritmo, un cometa típico se irá tras unos miles de órbitas. Este probablemente será el destino del cometa Halley a la larga.
Este video de History Channel muestra una breve discusión y animación de la serie documental para televisión Universo, mostrando la colisión del Cometa Shoemaker-Levy 9 con Júpiter.
Conceptos clave y resumen
Oort propuso en 1950 que los cometas de largo período se deriven de lo que ahora llamamos la nube de Oort, que rodea al Sol hasta alrededor de 50,000 UA (cerca del límite de la esfera gravitacional de influencia del Sol) y contiene entre 10 12 y 10 13 cometas. Los cometas también provienen del cinturón de Kuiper, una región en forma de disco más allá de la órbita de Neptuno, que se extiende a 50 UA desde el Sol. Los cometas son cuerpos primitivos sobrantes de la formación del sistema solar exterior. Una vez que un cometa es desviado hacia el sistema solar interno, normalmente sobrevive no más de unos pocos miles de pasajes de perihelio antes de perder todos sus volátiles. Algunos cometas mueren muertes espectaculares: Shoemaker-Levy 9, por ejemplo, se rompió en 20 pedazos antes de chocar con Júpiter en 1994.
Glosario
- Cinturón Kuiper
- una región del espacio más allá de Neptuno que es dinámicamente estable (como el cinturón de asteroides); la región fuente para la mayoría de los cometas de corto período
- Nube de Oort
- la gran región esférica alrededor del Sol de la que provienen la mayoría de los cometas “nuevos”; un reservorio de objetos con afhelia a cerca de 50,000 UA
Nota al pie
1 Ahora sabemos que no todos los cometas que vemos se originan en el Cinturón de Kuiper o en la Nube de Oort. En 2017 y 2019, los astrónomos descubrieron dos “cometas interestelares”, (llamados 1I/Oumuamua y 2I/Borisov) cuyas órbitas indicaban que provenían de fuera del sistema solar. (Oumoumua significa explorador o mensajero en hawaiano.)