Comete
Una palla di neve sporca che mette due code - e nessuna delle due la segue.
Perché le comete mettono la coda
Livello Base — linguaggio semplice, senza matematica
Una cometa passa quasi tutta la vita come un grumo scuro di ghiaccio e polvere, largo pochi chilometri, alla deriva nel gelido sistema solare esterno. Non brilla per niente. È, come dicono volentieri gli astronomi, una palla di neve sporca.
Poi la sua lunga orbita a cappio la porta verso l'interno, e attorno alla distanza della fascia degli asteroidi il Sole comincia a farsi sentire. Il ghiaccio non si scioglie in una pozza: nel vuoto passa direttamente da solido a gas, un processo chiamato sublimazione. Getti di gas esplodono dal lato illuminato trascinandosi dietro la polvere, e il piccolo nucleo si avvolge in una nube luminosa chiamata chioma che può diventare più grande di un pianeta.
E adesso la sorpresa. La coda non si trascina dietro la cometa come il fumo dietro un treno. La luce solare e il vento solare spingono il gas e la polvere in fuga lontano dal Sole, in qualunque direzione stia andando la cometa. Così all'andata la coda la segue, e al ritorno la cometa insegue la propria coda, viaggiando di coda.
Guarda bene e di code ce ne sono due, non una. Una coda di polveri biancastra e gialla, che si incurva perché i grani pesanti conservano un po' del moto orbitale della cometa, e una coda di ioni dritta e azzurra, fatta di gas elettricamente carico, soffiata via dal Sole in linea retta dal vento solare.
Da sapere
- Il ghiaccio delle comete non si scioglie: sublima, passa direttamente da solido a gas, perché nello spazio non c'è pressione atmosferica a tenere insieme un liquido.
- La coda di una cometa punta sempre in direzione opposta al Sole, quindi nel tragitto di ritorno la cometa viaggia di coda.
- Gli sciami meteorici sono avanzi di comete: le Orionidi di ogni ottobre sono polvere persa dalla cometa di Halley.
Sublimazione, frost line e due code
Livello Studente — le equazioni principali
L'attività si accende a una certa distanza, non a una certa data. Il ghiaccio d'acqua comincia a sublimare in modo consistente attorno alle 3 UA dal Sole, quindi la maggior parte delle comete è un sasso inerte fuori da quella linea e si sveglia solo quando la attraversa. Più vicino, i ghiacci più volatili - anidride carbonica, monossido di carbonio - guidano l'attività ancora prima, ed è per questo che alcune comete mostrano una chioma già molto lontano.
Il gas in fuga strappa polvere dalla superficie e gonfia la chioma, che può raggiungere \(10^5\) km di diametro anche se il nucleo è largo pochi km. Due forze distinte separano poi il materiale in due code:
La coda di polveri è spinta dalla pressione di radiazione, cioè dai fotoni che trasportano quantità di moto. I grani sono abbastanza pesanti da conservare memoria della velocità orbitale della cometa, quindi la coda resta indietro rispetto alla direzione antisolare e appare curva, larga e biancastra per la luce solare riflessa.
La coda di ioni è un'altra cosa. L'ultravioletto solare ionizza il gas, e il vento solare magnetizzato raccoglie quegli ioni e li spazza via a 400 km/s e oltre - molto più veloce di quanto si muova la cometa, quindi la coda punta quasi esattamente in direzione antisolare, dritta e stretta. Brilla di azzurro perché il monossido di carbonio ionizzato emette intensamente a 420 nm.
Ogni passaggio costa materiale alla cometa. Una tipica cometa di corto periodo perde un metro circa di superficie per orbita, e i detriti lasciati lungo il percorso sono esattamente ciò in cui la Terra va a sbattere ogni anno come sciame meteorico.
Formule chiave
| Inizio della sublimazione | \(r \approx 3\ \text{UA}\) | ghiaccio d'acqua |
|---|---|---|
| Pressione di radiazione | \(F_{\text{rad}} = \dfrac{L_\odot A}{4\pi r^2 c}\) | incurva la coda di polveri |
| Velocità del vento solare | \(v_{sw} \approx 400\ \text{km/s}\) | raddrizza la coda di ioni |
Da sapere
- La frost line dell'acqua sta attorno alle 3 UA: fuori la cometa è inerte, dentro la sublimazione alimenta chioma e code.
- La coda di ioni brilla di azzurro per l'emissione del CO⁺ a 420 nm; quella di polveri è giallastra perché riflette semplicemente la luce del Sole.
- La cometa di Halley perde diversi metri di superficie a ogni passaggio al perielio e ha forse ancora 100.000 anni di vita attiva.
Fisica del nucleo, β e i serbatoi
Livello Esperto — profondità matematica completa
La forma della coda di polveri discende da un solo numero adimensionale, \(\beta\), il rapporto tra pressione di radiazione e gravità solare su un grano. Poiché entrambe vanno come \(1/r^2\), \(\beta\) è indipendente dalla distanza e dipende solo da dimensione e composizione del grano, all'incirca \(\beta \approx 0.6/(\rho a)\) in cgs. I grani con \(\beta > 1\) sentono una forza netta verso l'esterno e se ne vanno su traiettorie iperboliche; quelli più pesanti seguono orbite kepleriane modificate. Siccome grani emessi in tempi diversi e con \(\beta\) diversi finiscono in posti diversi, la coda di polveri è una mappa bidimensionale della storia di emissione: è la base dell'analisi di Finson-Probstein per sindini e sincroni.
Le superfici dei nuclei sono tra le più scure conosciute, albedo attorno a 0,04, e la sublimazione è concentrata in regioni attive che coprono qualche punto percentuale dell'area. Il resto è un mantello isolante di polvere. Questa localizzazione rende l'emissione di gas anisotropa e produce un'accelerazione non gravitazionale che va inclusa nelle soluzioni orbitali: è l'effetto che ha rivelato il comportamento anomalo di 1I/'Oumuamua e che domina l'evoluzione a lungo termine delle comete di corto periodo.
Le riforniscono due serbatoi. La fascia di Kuiper e il disco disperso alimentano le comete della famiglia di Giove, a bassa inclinazione e corto periodo, mentre la nube di Oort, all'incirca sferica, tra \(10^4\) e \(10^5\) UA, fornisce le comete di lungo periodo su orbite orientate a caso, spinte verso l'interno dalle maree galattiche e dal passaggio di stelle. La distribuzione delle inclinazioni orbitali è quindi un'impronta digitale dell'origine.
I due anni di Rosetta attorno a 67P/Churyumov-Gerasimenko hanno riscritto buona parte dei dettagli: un nucleo bilobato ed estremamente poroso con densità media vicina a 0,5 g/cm³, un rapporto D/H tre volte quello degli oceani terrestri - argomento contro le comete della famiglia di Giove come fonte principale dell'acqua terrestre - e molecole organiche complesse in abbondanza, glicina inclusa.
Formule chiave
| Rapporto di pressione di radiazione | \(\beta = \dfrac{F_{\text{rad}}}{F_{\text{grav}}} \approx \dfrac{0.6}{\rho a}\) | indipendente da r |
|---|---|---|
| Forza non gravitazionale | \(\ddot{r} = A_1 g(r) + \ldots\) | emissione anisotropa |
| Nube di Oort | \(10^4 - 10^5\ \text{UA}\) | |
| Densità media di 67P | \(\rho \approx 0.5\ \text{g/cm}^3\) | più vuoto che roccia |
Da sapere
- β, il rapporto tra pressione di radiazione e gravità solare, è indipendente dalla distanza: perciò la struttura della coda di polveri mappa direttamente la storia di emissione (sindini e sincroni).
- I nuclei cometari sono più scuri del carbone, albedo ~0,04, con la sublimazione confinata a regioni attive pari a pochi punti percentuali della superficie.
- Rosetta ha trovato in 67P un rapporto D/H tre volte quello dell'acqua oceanica terrestre, argomento contro le comete della famiglia di Giove come via principale di consegna dei nostri oceani.