Cometa Halley. Crédito de la imagen: MPAE. Click para agrandar.
Como profesor emérito del Instituto Max Planck, el Dr. Kissel tiene una devoción de por vida por el estudio de los cometas. "A principios del siglo XX, las colas de los cometas condujeron a la postulación y más tarde a la detección del" viento solar ", una corriente de átomos ionizados expulsados constantemente del sol. A medida que las observaciones astronómicas se hicieron más poderosas, se pudieron identificar más y más componentes, tanto partículas en estado sólido como moléculas gaseosas, neutras e ionizadas ”. A medida que nuestras técnicas de estudio de estos visitantes del sistema solar exterior se volvieron más refinadas, también lo hicieron nuestras teorías sobre de qué podrían estar compuestos y cómo se ven. Kissel dice: “Se han propuesto muchos modelos para describir la apariencia dinámica de un cometa, de los cuales el de Fred Whipple fue aparentemente el más prometedor. Postulaba un núcleo compuesto de hielo de agua y polvo. Bajo la influencia del sol, el hielo de agua sublimaría y aceleraría las partículas de polvo en su camino ".
Aún así, eran un misterio, un misterio que la ciencia estaba ansiosa por resolver. "No fue hasta que Halley se supo que muchos cometas son parte de nuestro sistema solar y orbitan alrededor del sol tal como lo hacen los planetas, solo en órbitas de otro tipo y con efectos adicionales debido a la emisión de materiales". comenta Kissel. Pero solo al conocer de cerca y personalmente a un cometa pudimos descubrir mucho más. Con el regreso de Halley a nuestro sistema solar interior, se hicieron planes para atrapar un cometa y se llamaba Giotto.
La misión de Giotto era obtener fotografías en color del núcleo, determinar la composición elemental e isotópica de los componentes volátiles en el coma cometario, estudiar las moléculas madre y ayudarnos a comprender los procesos físicos y químicos que ocurren en la atmósfera cometaria y la ionosfera. Giotto sería el primero en investigar los sistemas macroscópicos de flujos de plasma resultantes de la interacción entre el viento solar y el cometario. En lo alto de su lista de prioridades estaba medir la tasa de producción de gas y determinar la composición elemental e isotópica de las partículas de polvo. Crítico para la investigación científica fue el flujo de polvo: su tamaño y distribución de masa y la relación crucial de polvo a gas. A medida que las cámaras a bordo capturaban imágenes del núcleo desde 596 km de distancia, determinando su forma y tamaño, también estaba monitoreando estructuras en coma de polvo y estudiando el gas con espectrómetros de masas de iones y neutros. Como la ciencia sospechaba, la misión de Giotto encontró que el gas era predominantemente agua, pero contenía monóxido de carbono, dióxido de carbono, varios hidrocarburos, así como un rastro de hierro y sodio.
Como líder de investigación del equipo para la misión Giotto, el Dr. Kissel recuerda: “Cuando aparecieron las primeras misiones de cierre al cometa 1P / Halley, se identificó claramente un núcleo en 1986. También fue la primera vez que partículas de polvo, el cometa los gases liberados se analizaron in situ, es decir, sin interferencia humana ni transporte de regreso a tierra ". Fue un momento emocionante en la investigación cometaria, a través de la instrumentación de Giotto, investigadores como Kissel ahora podían estudiar datos como nunca antes. “Estos primeros análisis mostraron que las partículas son una mezcla íntima de material orgánico de alta masa y partículas de polvo muy pequeñas. La mayor sorpresa fue sin duda el núcleo muy oscuro (que refleja solo el 5% de la luz que brilla sobre él) y la cantidad y complejidad del material orgánico ".
¿Pero era un cometa realmente algo más o solo una bola de nieve sucia? "Hasta hoy no hay, que yo sepa, ninguna medida que muestre la existencia de hielo sólido de agua expuesto en una superficie cometaria". dice Kissel, "Sin embargo, descubrimos que el agua (H2O) como gas podría ser liberada por las reacciones químicas que se producen cuando el cometa se calienta cada vez más por el sol. La razón podría ser el "calor latente", es decir, la energía almacenada en el material cometario muy frío, que adquirió la energía por radiación cósmica intensa mientras el polvo viajaba a través del espacio interestelar a través de la ruptura de enlaces. Muy cerca del modelo por el que el difunto J. Mayo Greenberg ha discutido durante años ".
Ahora sabemos que el cometa Halley consistía en el material más primitivo que conocemos en el sistema solar. Con la excepción del nitrógeno, los elementos de luz mostrados fueron bastante similares en abundancia a los de nuestro propio Sol. Se determinó que varios miles de partículas de polvo eran hidrógeno, carbono, nitrógeno, oxígeno, así como elementos formadores de minerales como sodio, magnesio, silicio, calcio y hierro. Debido a que los elementos más ligeros se descubrieron lejos del núcleo, sabíamos que no eran partículas de hielo cometario. De nuestros estudios de la química del gas interestelar que rodea las estrellas, hemos aprendido cómo reaccionan las moléculas de la cadena de carbono a elementos como el nitrógeno, el oxígeno y, en una parte muy pequeña, el hidrógeno. En el frío extremo del espacio, pueden polimerizarse, cambiando la disposición molecular de estos compuestos para formar nuevos. Tendrían el mismo porcentaje de composición del original, pero un mayor peso molecular y diferentes propiedades. ¿Pero cuáles son esas propiedades?
Gracias a una información muy precisa del encuentro cercano de la sonda con el cometa Halley, Ranjan Gupta del Centro Interuniversitario de Astronomía y Astrofísica (IUCAA) y sus colegas han hecho algunos hallazgos muy interesantes con la composición del polvo de los cometas y las propiedades de dispersión. Dado que las misiones iniciales a los cometas fueron "sobrevuelos", todo el material capturado se analizó in situ. Este tipo de análisis mostró que los materiales cometarios son generalmente una mezcla de silicatos y carbono en una estructura amorfa y cristalina formada en la matriz. Una vez que el agua se evapora, los tamaños de estos granos varían de submicrón a micrón y son de naturaleza altamente porosa, que contienen formas no esféricas e irregulares.
Según Gupta, la mayoría de los primeros modelos de dispersión de luz de tales granos estaban "basados en esferas sólidas con la teoría convencional de Mie y solo en los últimos años, cuando las misiones espaciales proporcionaron evidencias contundentes de esto, se han desarrollado nuevos modelos donde -granos esféricos y porosos se han utilizado para reproducir el fenómeno observado ”. En este caso, el cometa produce polarización lineal a partir de la luz solar incidente. Confinado a un plano, la dirección desde la cual se dispersa la luz, varía según la posición a medida que el cometa se acerca o retrocede del Sol. Como explica Gupta, "Una característica importante de esta curva de polarización versus el ángulo de dispersión (referido a la geometría del cometa sol-tierra) es que hay un cierto grado de polarización negativa".
Conocida como "dispersión inversa", esta negatividad ocurre cuando se monitorea una sola longitud de onda: luz monocromática. El algoritmo de Mie modela todos los procesos de dispersión aceptados causados por una forma esférica, teniendo en cuenta la reflexión externa, las reflexiones internas múltiples, la transmisión y las ondas superficiales. Esta intensidad de luz dispersa funciona en función del ángulo, donde 0? implica dispersión hacia adelante, lejos de la dirección original de las luces, mientras que 180? implica dispersión hacia atrás: la espalda otorga la fuente de la luz.
Según Gupta, "la dispersión de la espalda se ve en la mayoría de los cometas, generalmente en las bandas visibles y para algunos cometas en las bandas de infrarrojo cercano (NIR)". En la actualidad, los modelos que intentan reproducir este aspecto de polarización negativa en ángulos de dispersión altos tienen un éxito muy limitado.
Su estudio ha utilizado una DDA modificada (aproximación dipolo discreta), donde se supone que cada grano de polvo es un conjunto de dipolos. Una gran variedad de moléculas puede contener enlaces que se encuentran entre los extremos de iónico y covalente. Esta diferencia entre las electronegatividades de los átomos en las moléculas es suficiente para que los electrones no se compartan por igual, pero son lo suficientemente pequeños como para que los electrones no sean atraídos solo a uno de los átomos para formar iones positivos y negativos. Este tipo de enlace en las moléculas se conoce como polar. porque tiene extremos positivos y negativos, o polos, y las moléculas tienen un momento dipolar.
Estos dipolos interactúan entre sí para producir los efectos de dispersión de la luz, como la extinción, esferas más grandes que la longitud de onda de la luz bloquearán la luz monocromática y blanca, y la polarización, la dispersión de la onda de la luz entrante. Al utilizar un modelo de granos compuestos con una matriz de grafito y esferoides de silicato, puede ser necesario un rango de tamaño de grano muy específico para explicar las propiedades observadas en el polvo de los cometas. “Sin embargo, nuestro modelo tampoco puede reproducir la rama negativa de polarización que se observa en algunos cometas. No todos los cometas muestran este fenómeno en la banda NIR de 2.2 micras ".
Estos modelos de granos compuestos desarrollados por Gupta et al; necesitará refinarse más para explicar la rama de polarización negativa, así como la cantidad de polarización en varias longitudes de onda. En este caso, es un efecto de color con mayor polarización en rojo que en luz verde. Próximas simulaciones de laboratorio de granos compuestos están por venir y "El estudio de sus propiedades de dispersión de la luz ayudará a refinar dichos modelos".
Los exitosos comienzos de la humanidad al seguir este rastro de polvo cometario comenzaron con Halley. Vega 1, Vega 2 y Giotto proporcionaron los modelos necesarios para mejorar los equipos de investigación. En mayo de 2000, los Dres. Franz R. Krueger y Jochen Kissel del Instituto Max Planck publicaron sus hallazgos como "Primer análisis químico directo del polvo interestelar". El Dr. Kissel dice: “Tres de nuestros espectrómetros de masas de impacto de polvo (PIA a bordo del GIOTTO y PUMA-1 y -2 a bordo del VEGA-1 y -2) se encontraron con el cometa Halley. Con ellos pudimos determinar la composición elemental del polvo cometario. La información molecular, sin embargo, fue solo marginal ”. El encuentro cercano de Deep Space 1 con el cometa Borrelly devolvió las mejores imágenes y otros datos científicos recibidos hasta ahora. En el equipo de Borelly, el Dr. Kissel responde: "La misión más reciente a Borrelly (y STARDUST) mostró detalles fascinantes de la superficie del cometa, como pendientes pronunciadas de 200m de altura y agujas de unos 20m de ancho y 200m de altura".
A pesar de los muchos problemas de la misión, Deep Space 1 demostró ser un éxito total. Según el registro de la misión del Dr. Mark Rayman del 18 de diciembre de 2001, "La riqueza de los datos científicos y de ingeniería devueltos por esta misión se analizará y utilizará en los próximos años. La prueba de tecnologías avanzadas de alto riesgo significa que muchas misiones futuras importantes que de otro modo hubieran sido inaccesibles o incluso imposibles ahora están a nuestro alcance. Y como todos los lectores macroscópicos saben, la rica cosecha científica del cometa Borrelly está proporcionando a los científicos nuevas ideas fascinantes sobre estos importantes miembros de la familia del sistema solar ".
Ahora Stardust ha llevado nuestras investigaciones un paso más allá. Al recolectar estas partículas primitivas del cometa Wild 2, los granos de polvo se almacenarán de forma segura en el aerogel para su estudio al regreso de la sonda. Donald Brownlee de la NASA dice: "El polvo de cometa también será estudiado en tiempo real por un espectrómetro de masas de tiempo de vuelo derivado del instrumento PIA llevado al cometa Halley en la misión Giotto. Este instrumento proporcionará datos sobre los materiales de partículas orgánicas que pueden no sobrevivir a la captura de aerogel, y proporcionará un conjunto de datos invaluable que se puede utilizar para evaluar la diversidad entre cometas en comparación con los datos de polvo de Halley registrados con la misma técnica ".
Estas mismas partículas podrían contener una respuesta, explicando cómo el polvo y los cometas interestelares pueden haber sembrado la vida en la Tierra al proporcionar los elementos físicos y químicos cruciales para su desarrollo. Según Browlee, "Stardust capturó miles de partículas de cometas que serán devueltas a la Tierra para su análisis, en detalles íntimos, por investigadores de todo el mundo". Estas muestras de polvo nos permitirán mirar hacia atrás hace unos 4.500 millones de años, enseñándonos sobre la naturaleza fundamental de los granos interestelares y otros materiales sólidos, los mismos bloques de construcción de nuestro propio sistema solar. Ambos átomos que se encuentran en la Tierra y en nuestros propios cuerpos contienen los mismos materiales que liberan los cometas.
Y cada vez se pone mejor. Ahora en camino hacia el cometa Comet 67 P / Churyumov- Gerasimenko, Rosetta de la ESA profundizará en el misterio de los cometas mientras intenta un aterrizaje exitoso en la superficie. Según la ESA, equipos como el "Analizador de impacto de granos y acumulador de polvo (GIADA) medirán el número, la masa, el momento y la distribución de velocidad de los granos de polvo provenientes del núcleo del cometa y de otras direcciones (reflejado por la presión de la radiación solar) - mientras El Sistema de Análisis de Polvo por Microimagen (MIDAS) estudiará el ambiente de polvo alrededor del cometa. Proporcionará información sobre la población de partículas, tamaño, volumen y forma ".
Una sola partícula cometaria podría ser un compuesto de millones de granos de polvo interestelar individuales, lo que nos permite una nueva visión de los procesos galácticos y nebulares, lo que aumenta nuestra comprensión de los cometas y las estrellas. Así como hemos producido aminoácidos en condiciones de laboratorio que simulan lo que puede ocurrir en un cometa, la mayor parte de nuestra información se ha obtenido indirectamente. Al comprender la polarización, la absorción de la longitud de onda, las propiedades de dispersión y la forma de una característica de silicato, obtenemos un conocimiento valioso sobre las propiedades físicas de lo que aún tenemos que explorar. El objetivo de Rosetta será llevar un módulo de aterrizaje al núcleo de un cometa y desplegarlo en la superficie. La ciencia del módulo de aterrizaje se centrará en el estudio in situ de la composición y estructura del núcleo, un estudio incomparable de material cometario, que proporcionará a investigadores como el Dr. Jochen Kissel información valiosa.
El 4 de julio de 2005, la misión Deep Impact llegará al Cometa Templo 1. Enterrada debajo de su superficie puede haber aún más respuestas. En un esfuerzo por formar un nuevo cráter en la superficie del cometa, se liberará una masa de 370 kg para impactar el lado iluminado por el sol de Tempel 1. El resultado será la nueva expulsión de partículas de hielo y polvo y aumentará nuestra comprensión sobre los cometas al observar los cambios en la actividad. La nave voladora monitoreará la estructura y composición del interior del cráter, transmitiendo datos al experto en polvo cometario de la Tierra, Kissel. “Deep Impact será el primero en simular un evento natural, el impacto de un cuerpo sólido sobre el núcleo de un cometa. La ventaja es que el tiempo de impacto es bien conocido y hay una nave espacial debidamente equipada cuando ocurre el impacto. Esto definitivamente proporcionará información de lo que está debajo de las superficies de las que tenemos imágenes de las misiones anteriores. Se han formulado muchas teorías para describir el comportamiento térmico del núcleo del cometa, que requieren costras gruesas o delgadas u otras características. Estoy seguro de que todos estos modelos tendrán que ser complementados por otros nuevos después del Deep Impact ".
Después de toda una vida de investigación de cometas, el Dr. Kissel todavía sigue el rastro de polvo: "Es fascinante la investigación de cometas que después de cada nueva medición hay nuevos hechos que nos muestran cuán equivocados estábamos. Y eso todavía está en un nivel bastante global ". A medida que mejoran nuestros métodos, también lo hace nuestra comprensión de estos visitantes de la nube de Oort. Kissel dice: "La situación no es simple y muchos modelos simples describen las actividades cometarias globales bastante bien, mientras que los detalles aún no se han trabajado y los modelos que incluyen los aspectos químicos aún no están disponibles". Para un hombre que ha estado allí desde el principio, trabajar con Deep Impact continúa una carrera distinguida. "Es emocionante ser parte de eso", dice el Dr. Kissel, "y estoy ansioso por ver qué sucede después del Deep Impact y estoy agradecido de ser parte de él".
Por primera vez, los estudios irán muy por debajo de la superficie de un cometa, revelando sus materiales prístinos, intactos desde su formación. ¿Qué hay debajo de la superficie? Esperemos que la espectroscopía muestre carbono, hidrógeno, nitrógeno y oxígeno. Se sabe que producen moléculas orgánicas, comenzando con los hidrocarburos básicos, como el metano. ¿Estos procesos habrán aumentado en complejidad para crear polímeros? ¿Encontraremos la base de carbohidratos, sacáridos, lípidos, glicéridos, proteínas y enzimas? Seguir el rastro de polvo podría conducir a la base de la materia orgánica más espectacular: el ácido desoxirribonucleico, el ADN.
Escrito por Tammy Plotner
