Algunos misterios que todavía guardan los cometas (y que quizás no conozcas)
Este año la sonda europea Rosetta se situará en órbita alrededor del cometaChuryumov-Gerasimenko y desplegará la pequeña nave Philae, que aterrizará en la superficie del mismo. Será la primera vez un artefacto humano estudie tan de cerca y durante tanto tiempo un cometa. Una magnífica ocasión para repasar los misterios que aún guardan celosamente estos mensajeros del origen del Sistema Solar.
Desde que el astrónomo norteamericano Fred Whipple acuñó el término ‘bola de nieve sucia’ para referirse a los núcleos de los cometas, muchos son los que ingenuamente creen que estos cuerpos menores no son más que esto, es decir, un conglomerado relativamente pequeño de partículas de polvo y distintos hielos (sí, en plural, porque un cometa está formado por hielo de agua, pero también de hielo de amoniaco, hielo de metano, hielo de dióxido de carbono, etc.). Sin embargo, como suele ocurrir, la naturaleza es más imaginativa que la mente humana. Prepárate a descubrir los misterios de los cometas.
Distintos tipos según el lugar de origen
Todo estudiante de astronomía aprende a su debido momento que los cometas se dividen en cometas de periodo corto y cometas de periodo largo. Los cometas de periodo largo tardan más de 200 años en dar una vuelta al Sol y se cree que proceden de la Nube de Oort, una descomunal reserva hipotética de cometas con forma esférica situada a un año luz del Sol. Y digo hipotética porque, aunque nadie duda de su existencia, tampoco se ha confirmado que esté allá fuera. Por su parte, los cometas de periodo corto, de menos de 200 años, vienen del Cinturón de Kuiper -que, por cierto, se pronuncia kaiper-, otra reserva de cometas -ésta nada hipotética- situada más allá de la órbita de Neptuno. O mejor dicho, de la zona del disco disperso del Cinturón de Kuiper, que no es exactamente lo mismo.
Los núcleos cometarios están allá tan tranquilos en sus órbitas más o menos circulares hasta que un cuerpo -una estrella o enana marrón cercana en el caso de los cometas de la Nube de Oort, un planeta en el caso de los del Cinturón de Kuiper- los perturba y se precipitan hacia el Sistema Solar interior siguiendo órbitas altamente elípticas. Cerca del Sol los hielos comienzan a sublimarse hasta que el cometa queda rodeado por una atmósfera temporal de gases y polvo, denominada coma (‘cabellera’ en latín). La acción del viento solar y la presión de radiación de la luz solar se encargan de crear las vistosas colas de iones y de polvo respectivamente que caracterizan a estos astros.
Hasta aquí nada que no sepa cualquier aficionado casual a la astronomía. Pero vamos a ir un poco más allá. Para complicar las cosas, los astrónomos gustan de clasificar a los cometas según sus características orbitales, no por su origen. Lo que tiene mucho sentido si pensamos que las características orbitales son fácilmente medibles. Por lo tanto, por un lado tenemos a los cometas casi isotrópicos o NIC (Nearly Isotropics Comets) y por otro a los cometas eclípticos. Los NIC incluyen a los cometas de periodo largo (LPC, Long Period Comets) y a los cometas tipo Halley (HTC, Halley-type Comets), estos últimos con periodos comprendidos entre 20 y 200 años. El plano de la órbita de los NIC puede presentar casi cualquier inclinación con respecto a la eclíptica -el plano de la órbita terrestre-, de ahí su nombre.
Los cometas eclípticos son de periodo corto y se suelen subdividir en varios tipos -de tipo Encke o de tipo Centauro, por ejemplo-, pero los más numerosos son los cometas de la familia de Júpiter o JFC (Jupiter Family Comets). Los cometas eclípticos se llaman así porque -lo has adivinado- su órbita se encuentra en el plano de la eclíptica o con una inclinación inferior a 35º con respecto al mismo. Un tercer tipo de cometas son los cometas del cinturón principal o MBC (Main Belt Comets), situados en el Cinturón Principal de asteroides, a una distancia de entre 1,6 y 3,2 unidades astronómicas (UA). Los cometas MBC nos recuerdan que, en realidad, no hay una línea divisoria clara entre cometas y asteroides. Para clasificar un cometa en uno de estos grupos se usa el llamadoparámetro de Tisserand, que viene descrito con esta bonita fórmula:
El parámetro de Tisserand (TJ) viene a indicarnos qué grado de interacción con Júpiter ha sufrido un determinado cometa (por supuesto, se puede calcular con respecto a otro planeta, pero como veremos Júpiter es el más importante para entender el comportamiento de estos cuerpos). Si TJ toma un valor comprendido entre 2 y 3, el cometa es de tipo JFC (o sea, de periodo corto). Si está situado entre -2 y 2, el cometa es de tipo NIC. Los valores de TJ superiores a 3 están reservados para los asteroides y los cometas MBC.
Una formación misteriosa
Hemos dicho que los cometas pueden proceder de la Nube de Oort o del disco disperso del Cinturón de Kuiper, pero eso no implica necesariamente que se formasen allí, ni mucho menos. Según las teorías clásicas de formación del Sistema Solar, los cometas del Cinturón de Kuiper sí que se formaron in situ a más de 4500 millones de kilómetros de distancia del Sol (más de 30 UA), pero los de la Nube de Oort se habrían formado más cerca, entre 750 y 4500 millones de kilómetros (5-30 UA). ¿Y cómo acabaron a casi un año luz de distancia? Pues mediante la interacción gravitatoria con Júpiter, que poco a poco fue barriendo la región y envió todos estos cuerpos a las afueras del Sistema Solar.
Este era el paradigma cometario hasta hace unos años, pero hoy sabemos que las órbitas de los planetas se han desplazado desde que se formaron. Saturno se creó más cerca del Sol de lo que está en la actualidad y luego migró hacia la parte exterior del sistema, empujando de paso a Urano y Neptuno. Esta migración planetaria destrozó un cinturón cometario primordial situado entre 15 y 30 UA del Sol, dispersando los núcleos cometarios en todas direcciones. O sea, que los cometas de periodo corto se formaron a menor distancia que Neptuno, para luego ser catapultados al disco disperso del Cinturón de Kuiper. Los cometas de tipo NIC nacieron en la región situada entre Júpiter y Urano y luego serían enviados a la Nube de Oort mediante la gravedad de Júpiter antes de regresar a casa como cometas de periodo largo. Vamos, que menudo viaje, ríete tú de la Odisea de Ulises. Y esto es una simplificación, porque los modelos predicen que tanto los cometas formados cerca de Neptuno como los creados en la región Júpiter-Urano pudieron terminar en cualquiera de las dos reservas (aunque no en la misma proporción). O lo que es lo mismo, saber el tipo de cometa no nos dice nada sobre su verdadero lugar de formación en el Sistema Solar primigenio.
Todo tipo de núcleos
Con semejantes orígenes tan movidos, no es de extrañar que existan núcleos cometarios de todo tipo y características. Los hay de todos los tamaños, desde unos pocos cientos de metros de diámetro a decenas de kilómetros. Como ejemplo de núcleo cometario gigante tenemos al Hale-Bopp, con unas dimensiones de unos 50-70 kilómetros. No es de extrañar que, de media, los cometas eclípticos sean más pequeños que los de periodo largo. Han pasado tantas veces cerca del Sol que su masa ha disminuido de forma drástica (recordemos que un cometa activo puede perder entre 50 y 100 toneladas de masa por segundo). Su periodo de rotación también es muy variable y puede oscilar entre 5 y 70 horas, aunque la presencia de chorros activos puede hacer que varíe bruscamente, además de cambiar otros parámetros de la órbita. Y es que no debemos olvidar que un cometa es una especie de nave dotada de sus propios motores cohete intermitentes.
Se suele decir que los cometas son los objetos más oscuros del Sistema Solar -de ahí la elección de adjetivo en la expresión ‘bola de nieve sucia’-, con unos albedos similares a los del carbón. Menos conocido es que, además de oscuros, los núcleos cometarios son relativamente rojizos. Tanto el bajo albedo como estos colores característicos son debidos a la presencia de sustancias orgánicas complejas cuya composición exacta todavía no conocemos muy bien (y que la sonda Rosetta puede ayudarnos a entender).
Una composición y estructura misteriosas
Es usual referirse a los cometas como si ‘mensajeros del origen del Sistema Solar’. De hecho, yo mismo lo he hecho al principio de esta entrada. Es una expresión tan común como decir que China es el ‘gigante asiático’ y, al igual que ésta, no deja de ser verdad. Siempre se ha pensado que los cometas poseen una composición prístina similar a la de la nebulosa protoplanetaria a partir de la cual se formaron los planetas. Por este motivo no es de extrañar que la sonda europea Rosetta haya sido bautizada con este nombre. Los cometas son la clave para entender cómo se formó el sistema solar. Una verdadera Piedra de Rosetta cósmica. ¿O no? Bueno, en general sí que es cierto, y de ahí el interés en estudiar estos cuerpos de cerca, pero en los últimos años observaciones en el infrarrojo han descubierto que muchos cometas emiten granos de polvo formados por silicatos calentados a más de 1000º C.
Puede que no parezca nada espectacular, pero estamos hablando de cometas que nunca han estado tan cerca del Sol como para alcanzar semejantes temperaturas. Y no sólo eso. La sonda Stardust de la NASA descubrió que el cometa Wild 2 posee polvo formado por minerales de tipo CAI (Calcium-Aluminum Inclusion), un tipo de sustancia que se pensaba que era exclusivo de los asteroides, situados más cerca del Sol que la mayoría de cometas. ¿Cómo es esto posible? La única explicación razonable es que la nebulosa protoplanetaria original era un lugar mucho más turbulento de lo que se creía. Los materiales calientes formados en la cercanía del astro rey viajaron hasta las regiones exteriores donde se estaban formando los cometas y pasaron a formar parte de su composición.
Bien, ¿pero cuál es la estructura de un cometa? En general se cree que los núcleos cometarios están formados por un 25% de silicatos (polvo y rocas) y un 50% de hielo de agua. El resto serían sustancias como amoniaco, dióxido de carbono, monóxido de carbono, metano y un enorme número de moléculas orgánicas complejas. La estructura interna es un misterio, aunque existen dos modelos muy parecidos. El primero explica los núcleos cometarios como si fueran agregados partículas de polvo y hielos relativamente pequeñas, mientras que el segundo presupone que son conjuntos de bloques de mayor tamaño. En ambos casos se cree que se formaron por la unión de planetesimales primordiales que chocaron a velocidades muy bajas, lo que explica la alta porosidad y baja densidad de los núcleos cometarios en general.
Cuando la sonda europea Giotto sobrevoló el cometa Halley en 1986 observó lo que parecía un núcleo relativamente compacto y sólido, muy parecido a un asteroide, pero con chorros. ¿Estaban los modelos equivocados? Desde entonces, las sondas Stardust, Deep Impact/EPOXI y Deep Space 1 han fotografiado de cerca los cometas Wild 2, Tempel 1, Borrelly y Hartley 2, revelando una enorme variedad en el zoológico cometario que nadie entiende muy bien, pero que parece indicar que los cometas son efectivamente conjuntos porosos de unidades más o menos grandes agrupadas débilmente. Esta característica se aprecia claramente en el caso del cometa Hartley 2, formado por dos grandes pedazos unidos por una ‘garganta’ de material más fino. Las diferentes estructuras podrían estar detrás de la misteriosa ruptura de muchos núcleos cometarios (aquí no tenemos en cuenta la ruptura por fuerzas de marea que sufren cometas que se acercan más de lo debido a Júpiter o al Sol, como le sucedió al recientemente fallecido cometa ISON). El caso es que en la actualidad nadie sabe a ciencia cierta si existe un modelo de estructura interna que sea mucho más frecuente que el resto. Otro misterio.
Chorros y hielo explosivo
Es normal que mucha gente piense que los cometas son cuerpos muy activos cubiertos por zonas de hielo puro y que los chorros de los gases que se subliman sean potentes géiseres capaces de lanzar a un astronauta al vacío como ocurre en la película Deep Impact. Basta con echar un vistazo a una imagen del Halley o del Hartley 2 para imaginar un pequeño mundo convulso sacudido por violentas explosiones episódicas. Un bonito escenario de Hollywood, pero la realidad es más prosaica. Aunque pueda parecer lo contrario, las regiones activas en muchos cometas no supera el 1% de la superficie (!), un dato que muchos científicos habrían considerado imposible poco tiempo. Sin ir más lejos, las zonas activas del Halley, que es un cometa relativamente activo, no superan el 10% de su superficie. En cuanto al hielo puro, solamente una superficie minúscula del núcleo está formada por este compuesto. Por ejemplo, en el caso del cometa Tempel 1 era el 0,5% de su superficie.
Lo cierto es que al analizar las imágenes de los núcleos cometarios obtenidas por sondas espaciales resulta muy complicado discernir cuáles son las zonas activas. Esto indica que los chorros no son por lo general géiseres violentos, sino simples regiones con mayor tasa de sublimación de volátiles. Normal, ya que la gravedad de un núcleo cometario es muy débil, con una velocidad de escape de tan sólo 1 m/s aproximadamente, así que no se necesitan una fuerza excesiva para expulsar gases y polvo al espacio interplanetario. Por otro lado, las zonas activas de las diferentes sustancias (que se subliman a distintas temperaturas y, por tanto, a distintas distancias del Sol) tampoco son las mismas, como bien pudimos ver en el cometa Hartley 2. Tanto el cometa Tempel 1 como el Wild 2 presentan misteriosas depresiones con forma de cráteres de fondo plano. Algunos científicos creen que, efectivamente, son cráteres erosionados por la actividad cometario, mientras que otros piensan que se tratan de antiguas regiones activas que se han colapsado después de que los volátiles del interior se sublimasen. O quizás sean una mezcla de ambas. Quién sabe.
Nada de explosiones entonces. Por tanto, los cometas son más bien aburridos, ¿no? ¡Rotundamente falso! Hemos dicho que, por lo general, los chorros no son espectaculares, pero un núcleo cometario guarda muchas sorpresas y una de ellas es el hielo amorfo. A las bajísimas temperaturas con las que se formaron los cometas, el hielo de agua no tiene la misma estructura que el hielo de los cubitos de un refresco -o hielo cristalino-, sino que forma el llamado hielo amorfo. Este tipo hielo almacena muy fácilmente en su estructura interna moléculas de otras sustancias como dióxido de carbono, amoniaco o metano (es lo que en química se llaman clatratos), contribuyendo a la variedad de los gases cometarios. Pero lo interesante es lo que le ocurre al hielo amorfo cuando se calienta al acercarse un cometa al Sol. El hielo amorfo se transforma en hielo ‘normal’ liberando energía en el proceso, tanta que el cambio de fase puede llevar a una explosión, creando un chorro como los que vemos en los cometas de las películas de Hollywood. Sea como sea, se desconoce si estas explosiones son más o menos frecuentes en la vida de un cometa, aunque se ha propuesto que están detrás del súbito aumento de brillo de algunos cometas, como le sucedió al cometa Holmes en 2007.
La sonda Rosetta ayudará a aclarar éste y muchos otros misterios cometarios que no hemos mencionado para no espantar a algunos lectores (créeme, la ciencia cometaria escompleja de narices). Los cometas no son solamente una clave para entender el Sistema Solar primigenio en general, sino también el origen de nuestro planeta. Y es que la mayor parte del agua, si no toda, de nuestros océanos se cree que procede de cometas (otro misterio, por cierto), así como numerosas sustancias orgánicas que pudieron ser cruciales para la aparición de la vida. Ya ves, todavía hay mucho por descubrir. Buena suerte, Rosetta.
Esta es la contribución de Eureka al XLVIII Carnaval de la Física, organizado en esta ocasión por Daniel Martín del blog La Aventura de la Ciencia.
Comentarios
Publicar un comentario