La cometa di Halley. Credito d'immagine: MPAE. Clicca per ingrandire.
Come professore emerito del Max Planck Institute, il dott. Kissel ha una devozione per tutta la vita allo studio delle comete. "All'inizio del XX secolo, le code delle comete portano alla postulazione e, successivamente, alla rilevazione del" vento solare ", un flusso di atomi ionizzati costantemente spazzati via dal sole. Man mano che le osservazioni astronomiche diventavano sempre più potenti, si potevano identificare sempre più costituenti, sia particelle allo stato solido che molecole gassose, neutre e ionizzate. " Man mano che le nostre tecniche di studio di questi sistemi del sistema solare esterno diventano più raffinate, anche le nostre teorie su ciò che potrebbero essere comprese - e su che aspetto abbiano. Dice Kissel, "Molti modelli sono stati proposti per descrivere l'aspetto dinamico di una cometa, di cui apparentemente il più promettente è quello di Fred Whipple". Ha postulato un nucleo costituito da ghiaccio d'acqua e polvere. Sotto l'influenza del sole, il ghiaccio d'acqua sublimerebbe e accelererebbe le particelle di polvere lungo il suo cammino. "
Tuttavia, erano un mistero - un mistero che la scienza era ansiosa di risolvere. "Non fino a quando Halley non era noto che molte comete fanno parte del nostro sistema solare e orbitano attorno al sole proprio come fanno i pianeti, proprio su orbite di altri tipi e con effetti aggiuntivi dovuti all'emissione di materiali." commenta Kissel. Ma solo avvicinandoci e personali con una cometa siamo riusciti a scoprire molto di più. Con il ritorno di Halley al nostro sistema solare interno, furono fatti i piani per catturare una cometa e il suo nome era Giotto.
La missione di Giotto era ottenere fotografie a colori del nucleo, determinare la composizione elementare e isotopica dei componenti volatili nel coma cometario, studiare le molecole madri e aiutarci a comprendere i processi fisici e chimici che si verificano nell'atmosfera cometaria e nella ionosfera. Giotto sarebbe il primo a studiare i sistemi macroscopici dei flussi di plasma risultanti dall'interazione vento cometario-solare. In cima alla sua lista di priorità c'era la misurazione della velocità di produzione del gas e la determinazione della composizione elementare e isotopica delle particelle di polvere. Fondamentale per l'indagine scientifica è stato il flusso di polvere - le sue dimensioni e distribuzione di massa e il rapporto cruciale polvere-gas. Mentre le telecamere di bordo fotografavano il nucleo da 596 km di distanza - determinandone la forma e le dimensioni - stava anche monitorando le strutture nel coma della polvere e studiando il gas con spettrometri di massa sia neutri che ionici. Come sospettava la scienza, la missione di Giotto trovò che il gas era prevalentemente acqua, ma conteneva monossido di carbonio, anidride carbonica, vari idrocarburi, oltre a una traccia di ferro e sodio.
Come capo della ricerca di gruppo per la missione di Giotto, il dott. Kissel ricorda: “Quando arrivarono le prime missioni ravvicinate della cometa 1P / Halley, un nucleo fu chiaramente identificato nel 1986. Era anche la prima volta che particelle di polvere, la cometa i gas rilasciati sono stati analizzati in situ, vale a dire senza interferenze da parte dell'uomo né trasporto verso terra. " È stato un momento emozionante nella ricerca cometaria, attraverso la strumentazione di Giotto, ricercatori come Kissel ora potevano studiare dati come mai prima d'ora. “Queste prime analisi hanno dimostrato che le particelle sono tutte una miscela intima di materiale organico ad alta massa e particelle di polvere molto piccole. La sorpresa più grande è stata sicuramente il nucleo molto scuro (che riflette solo il 5% della luce che brilla su di esso) e la quantità e la complessità del materiale organico. ”
Ma una cometa era davvero qualcosa di più o solo una sporca palla di neve? "Fino ad oggi non esiste - per quanto ne sappia - nessuna misurazione che mostri l'esistenza di ghiaccio d'acqua solido esposto su una superficie cometaria." dice Kissel, “Tuttavia, abbiamo scoperto che l'acqua (H2O) come gas potrebbe essere rilasciata da reazioni chimiche in corso quando la cometa viene sempre più riscaldata dal sole. Il motivo potrebbe essere il "calore latente", ovvero l'energia immagazzinata nel materiale cometario molto freddo, che ha acquisito l'energia da un'intensa radiazione cosmica mentre la polvere viaggiava attraverso lo spazio interstellare attraverso la rottura del legame. Molto vicino al modello per cui il defunto J. Mayo Greenberg ha discusso per anni. ”
Ora sappiamo che la cometa Halley era costituita dal materiale più primitivo che ci è noto nel sistema solare. Ad eccezione dell'azoto, gli elementi luminosi mostrati erano abbastanza simili in abbondanza come quello del nostro Sole. Diverse migliaia di particelle di polvere sono state determinate per essere idrogeno, carbonio, azoto, ossigeno, nonché elementi di formazione di minerali come sodio, magnesio, silicio, calcio e ferro. Poiché gli elementi più leggeri sono stati scoperti lontano dal nucleo, sapevamo che non erano particelle di ghiaccio cometarie. Dai nostri studi sulla chimica dei gas interstellari che circondano le stelle, abbiamo appreso come le molecole della catena del carbonio reagiscono a elementi come azoto, ossigeno e, in minima parte, idrogeno. Nel freddo estremo dello spazio, possono polimerizzare, cambiando la disposizione molecolare di questi composti per formare nuovi. Avrebbero la stessa composizione percentuale dell'originale, ma un peso molecolare maggiore e proprietà diverse. Ma quali sono quelle proprietà?
Grazie ad alcune informazioni molto precise dallo stretto incontro della sonda con la cometa Halley, Ranjan Gupta del Centro interastrunitario di astronomia e astrofisica (IUCAA) e i suoi colleghi hanno fatto scoperte molto interessanti con la composizione della polvere cometaria e le proprietà di dispersione. Fin dall'inizio le missioni nelle comete erano "sorvoli", tutto il materiale catturato è stato analizzato in situ. Questo tipo di analisi ha mostrato che i materiali cometari sono generalmente una miscela di silicati e carbonio in struttura amorfa e cristallina formata nella matrice. Una volta che l'acqua evapora, le dimensioni di questi grani variano da sub-micron a micron e sono altamente porose in natura - contenenti forme non sferiche e irregolari.
Secondo Gupta, la maggior parte dei primi modelli di diffusione della luce da tali granuli erano “basati su sfere solide con la teoria Mie tradizionale e solo negli ultimi anni - quando le missioni spaziali hanno fornito forti prove contro questo - si sono evoluti nuovi modelli in cui non -grani sferici e porosi sono stati usati per riprodurre il fenomeno osservato ”. In questo caso, la polarizzazione lineare viene prodotta dalla cometa dalla luce solare incidente. Confinato su un piano - la direzione da cui viene diffusa la luce - varia in base alla posizione quando la cometa si avvicina o si allontana dal Sole. Come spiega Gupta, "Una caratteristica importante di questa curva di polarizzazione rispetto all'angolo di scattering (riferito alla geometria sole-terra-cometa) è che esiste un certo grado di polarizzazione negativa".
Conosciuta come "back scattering", questa negatività si verifica quando si monitora una singola lunghezza d'onda - la luce monocromatica. L'algoritmo Mie modella tutti i processi di scattering accettati causati da una forma sferica, tenendo conto della riflessione esterna, delle riflessioni interne multiple, della trasmissione e delle onde superficiali. Questa intensità di luce diffusa funziona in funzione dell'angolo, dove 0? implica dispersione in avanti, lontano dalla direzione originale delle luci, mentre 180? implica back scattering - back premia la fonte di luce.
Secondo Gupta, "Il back scattering è visibile nella maggior parte delle comete generalmente nelle bande visibili e per alcune comete nelle bande quasi infrarosse (NIR)". Al momento, i modelli che tentano di riprodurre questo aspetto della polarizzazione negativa ad alti angoli di scattering hanno un successo molto limitato.
Il loro studio ha utilizzato una DDA modificata (approssimazione dipolo discreta) - in cui si presume che ogni granello di polvere sia una matrice di dipoli. Una vasta gamma di molecole può contenere legami che si trovano tra gli estremi di ionico e covalente. Questa differenza tra le elettronegatività degli atomi nelle molecole è abbastanza sufficiente da non condividere equamente gli elettroni - ma sono abbastanza piccoli da non attrarre gli elettroni solo verso uno degli atomi per formare ioni positivi e negativi. Questo tipo di legame nelle molecole è noto come polare. perché ha estremità positive e negative - o poli - e le molecole hanno un momento di dipolo.
Questi dipoli interagiscono tra loro per produrre effetti di dispersione della luce come l'estinzione - sfere più grandi della lunghezza d'onda della luce bloccheranno la luce monocromatica e bianca - e la polarizzazione - la dispersione dell'onda della luce in arrivo. Utilizzando un modello di granuli compositi con una matrice di sferoidi di grafite e silicato, potrebbe essere necessario un intervallo di dimensioni dei grani molto specifico per spiegare le proprietà osservate nella polvere di comete. “Tuttavia, anche il nostro modello non è in grado di riprodurre il ramo negativo della polarizzazione che si osserva in alcune comete. Non tutte le comete mostrano questo fenomeno nella banda NIR di 2,2 micron. "
Questi modelli di grani compositi sviluppati da Gupta et al; dovrà essere ulteriormente perfezionato per spiegare il ramo di polarizzazione negativo, nonché la quantità di polarizzazione in varie lunghezze d'onda. In questo caso, si tratta di un effetto colore con una polarizzazione più elevata in rosso rispetto alla luce verde. Sono imminenti simulazioni di laboratorio più estese di granuli compositi e "Lo studio delle loro proprietà di diffusione della luce aiuterà a perfezionare tali modelli".
Gli inizi di successo dell'umanità nel seguire questa scia di polvere cometaria sono iniziati con Halley. Vega 1, Vega 2 e Giotto hanno fornito i modelli necessari per migliorare le apparecchiature di ricerca. Nel maggio 2000, il dott. Franz R. Krueger e Jochen Kissel del Max Planck Institute hanno pubblicato i loro risultati come "Prima analisi chimica diretta della polvere interstellare". Dice il dott. Kissel, "Tre dei nostri spettrometri di massa a impatto di polvere (PIA a bordo di GIOTTO e PUMA-1 e -2 a bordo di VEGA-1 e -2) hanno incontrato la cometa Halley. Con quelli siamo stati in grado di determinare la composizione elementare della polvere cometaria. L'informazione molecolare, tuttavia, era solo marginale. " Lo stretto incontro di Deep Space 1 con la cometa Borrelly ha restituito le migliori immagini e altri dati scientifici ricevuti finora. Nel team Borelly, il dott. Kissel risponde: "La missione più recente di Borrelly (e STARDUST) ha mostrato dettagli affascinanti della superficie della cometa come pendii ripidi di 200 m di altezza e guglie di 20 m di larghezza e 200 m di altezza".
Nonostante i molti problemi della missione, Deep Space 1 si è rivelato un successo totale. Secondo il Mission Log del Dr. Mark Rayman del 18 dicembre 2001, "La ricchezza di dati scientifici e ingegneristici restituiti da questa missione sarà analizzata e utilizzata per gli anni a venire. La sperimentazione di tecnologie avanzate ad alto rischio significa che molte importanti missioni future che altrimenti sarebbero state inaccessibili o addirittura impossibili ora sono a portata di mano. E come tutti i lettori macroscopici sanno, il ricco raccolto scientifico della cometa Borrelly sta fornendo agli scienziati affascinanti nuove intuizioni su questi importanti membri della famiglia del sistema solare. "
Ora Stardust ha portato le nostre indagini a un ulteriore passo in avanti. Raccogliendo queste particelle primitive dalla Comet Wild 2, i granelli di polvere verranno conservati in modo sicuro nell'aerogel per lo studio al ritorno della sonda. Donald Brownlee della NASA afferma: “La polvere di cometa sarà anche studiata in tempo reale da uno spettrometro di massa a tempo di volo derivato dallo strumento PIA trasportato sulla cometa Halley nella missione di Giotto. Questo strumento fornirà dati sui materiali organici delle particelle che potrebbero non sopravvivere alla cattura di aerogel e fornirà un set di dati inestimabile che può essere utilizzato per valutare la diversità tra le comete confrontando i dati sulla polvere di Halley registrati con la stessa tecnica. "
Queste stesse particelle potrebbero contenere una risposta, spiegando come polvere interstellare e comete possano aver seminato la vita sulla Terra fornendo gli elementi fisici e chimici fondamentali per il suo sviluppo. Secondo Browlee, "Stardust ha catturato migliaia di particelle di comete che verranno restituite sulla Terra per essere analizzate, nei minimi dettagli, dai ricercatori di tutto il mondo." Questi campioni di polvere ci permetteranno di guardare indietro a circa 4,5 miliardi di anni fa - insegnandoci la natura fondamentale dei grani interstellari e di altri materiali solidi - i mattoni del nostro sistema solare. Entrambi gli atomi trovati sulla Terra e nei nostri corpi contengono gli stessi materiali rilasciati dalle comete.
E continua a migliorare. Ora in viaggio verso la cometa Cometa 67 P / Churyumov-Gerasimenko, la Rosetta dell'ESA approfondirà il mistero delle comete mentre tenta un atterraggio riuscito in superficie. Secondo l'ESA, apparecchiature come "Grain Impact Analyzer and Dust Accumulator (GIADA) misureranno il numero, la massa, il momento e la distribuzione della velocità dei granelli di polvere provenienti dal nucleo della cometa e da altre direzioni (riflessi dalla pressione della radiazione solare) - Il sistema di analisi della polvere per microimmagini (MIDAS) studierà l'ambiente delle polveri attorno alla cometa. Fornirà informazioni su popolazione di particelle, dimensioni, volume e forma. "
Una singola particella cometaria potrebbe essere un composto di milioni di singoli granelli di polvere interstellare, permettendoci nuove intuizioni sui processi galattici e nebulari aumentando la nostra comprensione sia delle comete che delle stelle. Proprio come abbiamo prodotto amminoacidi in condizioni di laboratorio che simulano ciò che può accadere in una cometa, la maggior parte delle nostre informazioni è stata ottenuta indirettamente. Comprendendo la polarizzazione, l'assorbimento della lunghezza d'onda, le proprietà di dispersione e la forma di una caratteristica di silicato, acquisiamo preziose conoscenze sulle proprietà fisiche di ciò che dobbiamo ancora esplorare. L'obiettivo di Rosetta sarà quello di portare un lander nel nucleo di una cometa e dispiegarlo in superficie. La scienza del lander si concentrerà sullo studio in situ della composizione e della struttura del nucleo - uno studio senza pari sul materiale cometario - che fornisce a ricercatori come il dott. Jochen Kissel preziose informazioni.
Il 4 luglio 2005, la missione Deep Impact arriverà al tempio della cometa 1. Sepolti sotto la sua superficie potrebbero esserci ancora più risposte. Nel tentativo di formare un nuovo cratere sulla superficie della cometa, una massa di 370 kg verrà rilasciata per colpire il lato illuminato dal sole di Tempel 1. Il risultato sarà l'espulsione fresca di particelle di ghiaccio e polvere e favorirà la nostra comprensione delle comete osservando i cambiamenti nell'attività. L'imbarcazione fly-by monitorerà la struttura e la composizione dell'interno del cratere, trasmettendo i dati all'esperto di polvere cometaria della Terra, Kissel. “Deep Impact sarà il primo a simulare un evento naturale, l'impatto di un corpo solido su un nucleo di comete. Il vantaggio è che il tempo di impatto è ben noto e un veicolo spaziale adeguatamente equipaggiato è disponibile quando si verifica l'impatto. Ciò fornirà sicuramente informazioni su ciò che è sotto le superfici da cui abbiamo le immagini delle missioni precedenti. Molte teorie sono state formulate per descrivere il comportamento termico del nucleo della cometa, che richiede croste spesse o sottili e altre caratteristiche. Sono sicuro che tutti questi modelli dovranno essere complimentati con quelli nuovi dopo Deep Impact ".
Dopo una vita di ricerche sulle comete, il Dr. Kissel sta ancora seguendo la scia di polvere, "È il fascino della ricerca sulle comete che dopo ogni nuova misurazione ci sono nuovi fatti, che ci mostrano, quanto sbagliavamo. E questo è ancora a livello piuttosto globale. " Man mano che i nostri metodi migliorano, aumenta anche la nostra comprensione di questi visitatori da Oort Cloud. Dice Kissel, "La situazione non è semplice e poiché molti semplici modelli descrivono abbastanza bene le attività cometarie globali, mentre i dettagli devono ancora essere elaborati e modelli che includono gli aspetti di chimica non sono ancora disponibili." Per un uomo che è stato lì fin dall'inizio, lavorare con Deep Impact continua una carriera distinta. "È emozionante farne parte", afferma il dott. Kissel, "e sono ansioso di vedere cosa succede dopo il Deep Impact e sono grato di farne parte."
Per la prima volta, gli studi andranno bene sotto la superficie di una cometa, rivelando i suoi materiali incontaminati, intatti dalla sua formazione. Cosa giaceva sotto la superficie? Speriamo che la spettroscopia mostri carbonio, idrogeno, azoto e ossigeno. Questi sono noti per produrre molecole organiche, a partire dagli idrocarburi di base, come il metano. Questi processi saranno aumentati in complessità per creare polimeri? Troveremo la base per carboidrati, saccaridi, lipidi, gliceridi, proteine ed enzimi? Seguire la scia di polvere potrebbe benissimo portare alla fondazione della sostanza organica più spettacolare - l'acido desossiribonucleico - il DNA.
Scritto da Tammy Plotner
