El Telescopio Espacial Hubble: 25 años aportando pistas sobre la estructura de los cometas

15/04/2015 0 comentarios
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Me sumo con esta entrada a la celebración del 25 aniversario del Telescopio Hubble (#Hubble25). Lo haré explicando el papel que ha tenido el telescopio espacial en el seguimiento de las peripecias de los cuerpos menores del Sistema Solar y, en particular, de los cometas.

No cabe duda que la diversidad físico-química de los cometas ha causado la fascinación en varias generaciones de astrónomos y en el público en general. No sólo su riqueza en hielos y compuestos orgánicos, sino también su fascinante comportamiento vistos desde la lejanía en que los contemplamos. Según un cometa se acerca progresivamente al Sol desarrolla la denominada coma, una extensa envoltura de gas y polvo que los hace ser objetos visibles a grandes distancias. La sublimación de los hielos y la emisión de diminutas partículas minerales embebidas en ellos se encarga de alimentar constantemente esa envoltura alrededor de los cometas. Cuando al adentrarse en los dominios de los planetas terrestres la luz solar irradia más efectivamente su superficie, la temperatura progresivamente aumenta con lo que la sublimación de hielos se hace más intensa y el desarrollo de las colas de polvo y plasma es completo. Tales fastuosas colas de polvo y gas hace que los cometas nos deslumbren al extender sus colas cientos de millones de kilómetros desde el núcleo cometario. Si me acompañan en esta lectura, repasaremos las enseñanzas que nos ha brindado el Telescopio Espacial Hubble (HST) sobre estos objetos en su 25º aniversario.

Pese a su magnificencia, los núcleos cometarios suelen tener pocos kilómetros o, como mucho, decenas de kilómetros. Tales núcleos poseen dos propiedades físicas que les confieren su fama de actores imprevisibles: me refiero a su bajísima densidad e ínfima consistencia. Ambas propiedades son un fiel reflejo de sus condiciones de formación por colisiones a baja velocidad en los fríos límites exteriores del Sistema Solar y en un entorno rico en hielos y compuestos orgánicos (Blum et al., 2006). Ambas propiedades los hacen ser objetos muy frágiles, tanto que las rocas terrestres más endebles suelen ser unos tres órdenes de magnitud más consistentes. Se ha observado repetidamente que la enorme fragilidad de algunos cometas hace que sucumban a pasos próximos por el perihelio bajo la creciente radiación solar. Al desintegrarse esos objetos muestran que internamente son pilas de escombros venidas de los lejanos confines del Sistema Solar que se desintegran en múltiples piezas al quedar sometidas al efecto de marea gravitatoria que tiene lugar en su aproximación a algún planeta o al propio Sol. Un ejemplo famoso fue la fragmentación del cometa Shoemaker-Levy 9 ocurrida al alcanzar el perijove en su órbita de captura alrededor del gigante Júpiter (Fig. 1).

Fig. 1

Figura 1. La enorme masa del planeta Júpiter hace que innumerables objetos acaben cayendo sobre él. Así le ocurrió al cometa Shoemaker-Levy 9, capturado por Júpiter y desgajado en su perijove, con múltiples fragmentos resultantes que caerían entre el 16 y el 22 de julio de 1994.

La osada aventura del cometa Shoemaker-Levy 9 en el reino del campo gravitatorio del gigante Júpiter finalizó con el impacto de sus fragmentos con la atmósfera joviana que fue seguida por el Telescopio Hubble (Fig. 2) y por cientos de observatorios desde tierra. En este artículo de divulgación pretendo enfatizar en qué medida el Telescopio Espacial Hubble (HST) en sus primeros 25 años de existencia nos ha permitido avanzar en nuestra comprensión de estos objetos. Su nítida visión y sus posibilidades de seguimiento de los fenómenos súbitos han proporcionado hitos para la comprensión del Sistema Solar más cambiante.

Fig. 2

Figura 2. Imagen de la pluma de impacto asociada al mayor fragmento (G) visto por la cámara de campo amplio WFPC del telescopio Hubble en filtro verde y del metano (HST/NASA).

LA MAGIA COMETARIA: FRAGMENTACIONES Y ESTALLIDOS.

Los cometas son astros enormemente cambiantes, casi podríamos tildarlos de caprichosos. Uno de los primeros cometas que se fragmentó en tiempos modernos fue el D/Biela en su paso por el perihelio de 1846. Su ruptura en dos piezas fue seguida por los diferentes observatorios de la época y más tarde dio lugar a una de las más fascinantes tormentas de meteoros de la historia reciente que fue observada por Josep Comas Solà en plena juventud. La evolución separada de los diferentes fragmentos de este y otros muchos cometas ha sido estudiada en gran detalle en base al seguimiento astrométrico de la evolución de sus fragmentos tras su ruptura. Durante la fragmentación de un cometa el papel de las fuerzas no gravitatorias se hace muy importante y determina la deriva de los diferentes fragmentos. Los estudios de las fuerzas no gravitacionales en cometas son también fuente de una pléyade de información sobre propiedades esenciales de los cometas tales como su masa e incluso su densidad cuando el volumen es bien conocido (Blüm et al., 2006).

 Fig. 3

Figura 3. Los fragmentos del cometa C/1999 S4 (Linear) vistos por la cámara planetaria del HST. El marco que aparece en la figura superior aparece ampliado en la que aparece en el borde inferior derecho para evidenciar los múltiples fragmentos en los que se ha desintegrado (HST/NASA and H. Weaver-JHU)

Hay numerosos casos que demuestran la relación entre los procesos de fragmentación y los llamados outbursts (que traduciríamos por estallidos o incrementos súbitos de luminosidad). Estos estallidos preconizando una fragmentación inminente se ha observado en cometas que hicieron historia como el C/1975 V1 West, 73P/Schwassmann-Wachmann 3, y C/1999 S4 Linear (véase Fig. 3). El origen de estas fragmentaciones posiblemente se encuentre en que los fragmentos son realmente bloques constitutivos del cometa, débilmente agregados en colisiones de baja velocidad. Muchos cometas podrían tener un núcleo formado por estas pilas de escombros cósmicos (bloques de pocos cientos de metros apilados que son conocidos como rubble piles) Un debilitamiento de su consistencia como consecuencia de una progresiva sublimación de hielos (en pasos muy próximos al perihelio) o un consiguiente desgaste evolutivo podría ser el inductor de esa fragmentación. De hecho, existen complejos de cuerpos dinámicamente relacionados que indican que los cometas de periodo corto acaban sus días desintegrándose en múltiples piezas, algunas de las cuales puede adoptar apariencia asteroidal. Un claro ejemplo es el cometa 2P/Encke, asociado a la importante corriente meteórica de las Táuridas que además aparece emparentado con varios asteroides. En otros casos la fragmentación es inducida por un paso cercano a un cuerpo planetario, donde el efecto de marea gravitatoria experimentado de manera diferencial por cada uno de los bloques constitutivos del cometa puede conllevar al debilitamiento de su estructura y consiguiente fractura.

Sin embargo, no todos los estallidos en la luminosidad de los cometas se producen por la ruptura catastrófica del núcleo sino que a veces involucra colisiones con otros objetos o con sus propios materiales. Un impacto, como el que originó un proyectil de cobre de 370 kg lanzado por la sonda Deep Impact, puede producir una súbita vaporización de volátiles que genera una masiva emisión de polvo (Fig. 4). La sonda Deep Impact también reveló que el cometa 9P/Tempel 1 posee una especie de mesetas o tapetes heterogéneamente distribuidos sobre su superficie (Belton et al., 2006). Tales estructuras también habrían sido observadas durante las aproximaciones de las sondas Deep Space 1 al cometa 19P/Borrelly o de Stardust al cometa 81P/Wild 2 (Brownlee et al., 2006). El equipo de Michael Belton sugirió que tales mesetas son consecuencia del propio proceso de agregación de los denominados cometesimales. Dadas las altas porosidades que esperamos para tales progenitores y las bajas velocidades relativas con las que impactarían sobre el núcleo gestor de un cometa, los cometesimales colapsarían formando los tapetes observados. Algo parecido a lo que ocurriría si lanzásemos bolas de nieve sobre un suelo nevado. Aunque un determinado cometa pudiese haber estado sometido a impactos en su superficie más externa, debido al progresivo desgaste del cometa bajo la radiación solar, al retirarse las capas externas la preservada estructura primigenia quedaría al descubierto, formando las mesetas observadas en los cometas 9P/Tempel 1, 19P/Borrelly y 81P/Wild 2. Dada la fragilidad de esas capas, formadas por agregados minerales diminutos (de tamaño micrométrico) esas estructuras son pulverizadas. La presión del gas generado por la exposición de zonas vírgenes a la radiación solar o fruto de la sublimación de los hielos mezclados contribuirá impulsando las finas partículas de polvo hacia el medio interplanetario.

Fig. 4

Figura 4. El impacto del proyectil lanzado por la sonda Deep Impact sobre la superficie del cometa 9P/Tempel 1 activó la luminosidad de la envolvente coma. Fluctuaciones en la luminosidad de estas tenues envolturas proporcionan información sobre la densidad espacial y el tamaño de las partículas desprendidas, típicamente de pocas micras. (HST/NASA).

Tal modelo de capas apiladas ha ganado adeptos pues explicaría los estallidos observados en los cometas. Es el caso de los cometas 29P/ Schwassmann-Wachmann 1 y el 17P/Holmes, con estallidos espectaculares pero que no van asociados a la disgregación del núcleo cometario sino de estas capas externas. Tales regiones bajo el calentamiento de la radiación solar se desprenderían, sublimando o fragmentándose dada su baja consistencia y desprendiendo los finos granos minerales. Tales bloques pese a poseer incluso masas de cientos de millones de toneladas serán muy eficientemente pulverizados, provocando espectaculares estallidos en los que el cometa puede llegar a incrementar su luminosidad en muchas magnitudes. Un magnífico ejemplo ha sido el proporcionado por el reciente estallido del cometa 17P/Holmes (Fig. 5) en que la magnitud del cometa se incrementó en unas 14 magnitudes. Este proceso se produce cuando las diminutas partículas de polvo fino (cuyo diámetro es de pocas micras) se expanden desde las regiones activas hacia el medio interplanetario. La densidad de partículas por unidad de superficie actúa incrementando la sección eficaz de reflexión y dispersión de la radiación solar.

Fig. 5 

Figura 5. Expansión del polvo y gas desprendido del 17P/Holmes tras su estallido inesperado el 24 de octubre de 2007. La imagen del HST se compara con la obtenida desde Tierra (a la izqda.) por el aficionado canadiense A. Dyer (HST/NASA).

La existencia de un telescopio espacial dispuesto a estudiar cualquier novedad entre los cometas (incluidas imágenes espectaculares de los recién llegados como el Hale-Bopp, Fíg. 6). Asimismo, la rápida sublimación de los hielos en el interior de la coma del cometa produce masivas emisiones de polvo y gas que se expanden rápidamente desde el núcleo, formando cortinas o jets que pueden seguirse en todo detalle durante su expansión en las imágenes de alta resolución tomadas con las cámaras de gran campo del Telescopio Espacial Hubble. 

Fig. 6

Figura 6. Imagen de un gran chorro de material expandiéndose en la coma interior del cometa C/1995 O1 Hale-Bopp con la cámara planetaria 2 de campo amplio (Imagen HST/H. Weaver/P. Feldman/NASA).

También un telescopio en órbita nos brinda la oportunidad de vislumbrar en todo detalle ciertos impactos casuales de Júpiter con asteroides y cometas, como el acontecido el 19 de julio de 2009 (Hueso et al., 2010). Los restos de tales impactos se evidencian como oscuras cortinas de polvo asociadas a la bola de fuego engendrada (véase Fig. 7). En definitiva, la aportación del Telescopio Espacial es de tal magnitud que en la actualidad no se entendería la ausencia de un telescopio espacial que nos permitiera seguir tomando imágenes esclarecedoras de las múltiples peripecias de estos esquivos y fascinantes objetos.

Fig. 7

Figura 7. Imagen de la cortina de polvo dejada por el superbólido que impactó el 19 de julio de 2009 contra Júpiter (Imagen HST/ESA/H. Hammel et al.).

REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS

Belton M.J.S. et al. (2007) "The internal structure of Jupiter family cometary nuclei from Deep Impact observations : The «talps» or «layered pile» model". Icarus 187, 332-344.

Blum J., R. Schräpler, B.J.R. Davidson y J.M. Trigo-Rodríguez (2006) The physics of protoplanetesimal dust agglomerates. I. Mechanical properties and relations to primitive bodies in the solar system. Astrophysical Journal 652, 1768-1781.

Brownlee D., P. Tsou et al. [rest of authors by alphabetical order including J.M. Trigo-Rodríguez] (2006) Comet Wild 2 under a microscope. Science 314, 1711-1716.

Hueso R. Et al. (2010) "First Earth-based detection of a superbolide on Jupiter". Astrophysical Journal 721, L129-133.

Trigo-Rodriguez J.M., D. A. García-Hernández, A. Sánchez, J. Lacruz, B.J.R. Davidsson, D. Rodríguez, S. Pastor and J. A. de Los Reyes (2010) "Outburst activity in comets –II. A multiband photometric monitoring of comet 29P/Schwassmann-Wachmann 1", Monthly Notices of the Royal Astronomical Society 409, 1682-576.