13.3: Os cometas “de cabelos compridos”
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objetivos de aprendizagem
Ao final desta seção, você poderá:
- Caracterizar a aparência física geral dos cometas
- Explicar o alcance das órbitas cometárias
- Descreva o tamanho e a composição do núcleo de um cometa típico
- Discuta as atmosferas dos cometas
- Resuma as descobertas da missão Rosetta
Os cometas diferem dos asteróides principalmente em sua composição gelada, uma diferença que faz com que eles se iluminem dramaticamente à medida que se aproximam do Sol, formando uma atmosfera temporária. Em algumas culturas antigas, essas chamadas “estrelas peludas” eram consideradas presságios de desastre. Hoje, não temos mais medo dos cometas, mas aguardamos ansiosamente aqueles que se aproximam o suficiente de nós para fazer um bom show no céu.
Aparência de cometas
Um cometa é um pedaço relativamente pequeno de material gelado (normalmente com alguns quilômetros de diâmetro) que desenvolve uma atmosfera à medida que se aproxima do Sol. Posteriormente, pode haver uma cauda muito ténue e nebulosa, que se estende por vários milhões de quilômetros de distância do corpo principal do cometa. Os cometas foram observados desde os primeiros tempos: relatos de cometas são encontrados nas histórias de praticamente todas as civilizações antigas. O cometa típico, no entanto, não é espetacular em nossos céus, mas tem a aparência de um ponto de luz bastante fraco e difuso, um pouco menor que a Lua e muitas vezes menos brilhante. (Os cometas pareciam mais espetaculares para as pessoas antes da invenção da iluminação artificial, que compromete nossa visão do céu noturno.)
Como a Lua e os planetas, os cometas parecem vagar entre as estrelas, mudando lentamente suas posições no céu da noite para a noite. Ao contrário dos planetas, no entanto, a maioria dos cometas aparece em tempos imprevisíveis, o que talvez explique por que eles frequentemente inspiravam medo e superstição em épocas anteriores. Os cometas normalmente permanecem visíveis por períodos que variam de algumas semanas a vários meses. Falaremos mais sobre do que eles são feitos e como se tornam visíveis depois de discutirmos seus movimentos.
Observe que imagens estáticas de cometas dão a impressão de que eles estão se movendo rapidamente pelo céu, como um meteoro brilhante ou uma estrela cadente. Olhando apenas para essas imagens, é fácil confundir cometas e meteoros. Mas vistos no céu real, eles são muito diferentes: o meteoro queima em nossa atmosfera e desaparece em alguns segundos, enquanto o cometa pode ficar visível por semanas quase na mesma parte do céu.
Órbitas de cometas
O estudo dos cometas como membros do sistema solar data da época de Isaac Newton, que primeiro sugeriu que eles orbitavam o Sol em elipses extremamente alongadas. O colega de Newton, Edmund Halley (veja a caixa de recursos do Note) desenvolveu essas ideias e, em 1705, publicou cálculos de 24 órbitas de cometas. Em particular, ele observou que as órbitas dos cometas brilhantes que surgiram nos anos de 1531, 1607 e 1682 eram tão semelhantes que os três poderiam muito bem ser o mesmo cometa, retornando ao periélio (aproximação mais próxima do Sol) em intervalos médios de 76 anos. Nesse caso, ele previu que o próximo objeto deveria retornar por volta de 1758. Embora Halley tenha morrido quando o cometa apareceu como ele previu, ele recebeu o nome de Cometa Halley (rima com “vale”) em homenagem ao astrônomo que o reconheceu pela primeira vez como um membro permanente do nosso sistema solar, orbitando ao redor do Sol. Seu afélio (ponto mais distante do Sol) está além da órbita de Netuno.
Agora sabemos por registros históricos que o cometa Halley foi realmente observado e registrado em todas as passagens próximas ao Sol desde 239 a.C., em intervalos que variam de 74 a 79 anos. O período de seu retorno varia um pouco devido às mudanças orbitais produzidas pela atração dos planetas gigantes. Em 1910, a Terra foi escovada pela cauda do cometa, causando muita preocupação pública desnecessária. O cometa Halley apareceu pela última vez em nossos céus em 1986 (Figura\(\PageIndex{1}\)), quando foi encontrado por várias naves espaciais que nos deram uma riqueza de informações sobre sua composição; ele retornará em 2061.
Edmund Halley: O homem renascentista da astronomia
Edmund Halley (Figura\(\PageIndex{2}\)), um astrônomo brilhante que fez contribuições em muitos campos da ciência e da estatística, foi, ao que tudo indica, uma pessoa generosa, calorosa e extrovertida. Nisso, ele era exatamente o oposto de seu bom amigo Isaac Newton, cuja grande obra, os Principia (ver Órbitas e Gravidade), Halley incentivou, editou e ajudou a pagar para publicar. O próprio Halley publicou seu primeiro artigo científico aos 20 anos, enquanto ainda estava na faculdade. Como resultado, ele recebeu uma comissão real para ir a Santa Helena (uma ilha remota na costa da África onde Napoleão seria posteriormente exilado) para fazer o primeiro levantamento telescópico do céu austral. Depois de retornar, ele recebeu o equivalente a um mestrado e foi eleito para a prestigiosa Royal Society na Inglaterra, todos com 22 anos.
Além de seu trabalho com cometas, Halley foi o primeiro astrônomo a reconhecer que as chamadas estrelas “fixas” se movem em relação umas às outras, ao observar que várias estrelas brilhantes mudaram de posição desde a publicação dos antigos catálogos gregos por Ptolomeu. Ele escreveu um artigo sobre a possibilidade de um universo infinito, propôs que algumas estrelas podem ser variáveis e discutiu a natureza e o tamanho das nebulosas (estruturas brilhantes semelhantes a nuvens visíveis em telescópios). Enquanto estava em Santa Helena, Halley observou o planeta Mercúrio atravessando a face do Sol e desenvolveu a matemática de como esses trânsitos poderiam ser usados para estabelecer o tamanho do sistema solar.
Em outros campos, Halley publicou a primeira tabela da expectativa de vida humana (a precursora das estatísticas de seguro de vida); escreveu artigos sobre monções, ventos alísios e marés (mapeando as marés no Canal da Mancha pela primeira vez); lançou as bases para o estudo sistemático do campo magnético da Terra; estudou a evaporação e como as águas interiores se tornam salgadas; e até projetou um sino de mergulho subaquático. Ele serviu como diplomata britânico, aconselhando o imperador da Áustria e conquistando o futuro czar da Rússia em toda a Inglaterra (discutindo avidamente, nos dizem, a importância da ciência e a qualidade do conhaque local).
Em 1703, Halley tornou-se professor de geometria em Oxford e, em 1720, foi nomeado Astrônomo Real da Inglaterra. Ele continuou observando a Terra e o céu e publicando suas ideias por mais 20 anos, até que a morte o matou aos 85 anos.
Apenas alguns cometas retornam em um tempo mensurável em termos humanos (menos de um século), como faz o cometa Halley; eles são chamados de cometas de curto período. Muitos cometas de curto período tiveram suas órbitas alteradas ao se aproximarem demais de um dos planetas gigantes — na maioria das vezes Júpiter (e, portanto, às vezes são chamados de cometas da família Júpiter). A maioria dos cometas tem longos períodos e levará milhares de anos para retornar, se é que retornam. Como veremos mais adiante neste capítulo, a maioria dos cometas da família Júpiter vem de uma fonte diferente dos cometas de longo período (aqueles com períodos orbitais superiores a cerca de um século).
Existem registros observacionais de milhares de cometas. Fomos visitados por dois cometas brilhantes nas últimas décadas. Primeiro, em março de 1996, veio o cometa Hyakutake, com uma cauda muito longa. Um ano depois, o cometa Hale-Bopp apareceu; era tão brilhante quanto as estrelas mais brilhantes e permaneceu visível por várias semanas, mesmo em áreas urbanas (veja a imagem que abre este capítulo). A tabela\(\PageIndex{1}\) lista alguns cometas conhecidos cuja história ou aparência são de especial interesse.
| Nome | Período | Significância |
|---|---|---|
| Grande Cometa de 1577 | Longo | Tycho Brahe mostrou que estava além da Lua (um grande passo em nosso entendimento) |
| Grande cometa de 1843 | Longo | Cometa mais brilhante registrado; visível durante o dia |
| Cometa diurno de 1910 | Longo | O cometa mais brilhante do século XX |
| Ocidente | Longo | Núcleo partido em pedaços (1976) |
| Hyakutake | Longo | Passou dentro de 15 milhões de km da Terra (1996) |
| Halé-Bopp | Longo | Cometa recente mais brilhante (1997) |
| Swift Tuttle | 133 anos | Cometa principal da chuva de meteoros Perseida |
| Halley | 76 anos | Primeiro cometa encontrado como periódico; explorado por espaçonave em 1986 |
| Borrelly | 6,8 anos | Voo pela sonda espacial Deep Space 1 (2000) |
| Biela | 6,7 anos | Se separou em 1846 e não foi visto novamente |
| Churyumov-Gerasimenko | 6,5 anos | Alvo da missão Rosetta (2014—16) |
| Selvagem 2 | 6,4 anos | Alvo da missão de devolução de amostras Stardust (2004) |
| Templo 1 | 5,7 anos | Alvo da missão Deep Impact (2005) |
| Encke | 3,3 anos | Período mais curto conhecido |
O núcleo do cometa
Quando olhamos para um cometa ativo, tudo o que normalmente vemos é sua atmosfera temporária de gás e poeira iluminada pela luz solar. Essa atmosfera é chamada de cabeça ou coma do cometa. Como a gravidade desses corpos pequenos é muito fraca, a atmosfera está escapando rapidamente o tempo todo; ela deve ser reabastecida por um novo material, que deve vir de algum lugar. A fonte é o núcleo pequeno e sólido em seu interior, com apenas alguns quilômetros de diâmetro, geralmente escondido pelo brilho da atmosfera muito maior ao seu redor. O núcleo é o verdadeiro cometa, o fragmento de material gelado antigo responsável pela atmosfera e pela cauda (Figura\(\PageIndex{3}\)).
A teoria moderna da natureza física e química dos cometas foi proposta pela primeira vez pelo astrônomo de Harvard Fred Whipple em 1950. Antes do trabalho de Whipple, muitos astrônomos pensavam que o núcleo de um cometa poderia ser uma agregação solta de sólidos, uma espécie de “banco de cascalho” em órbita. Whipple propôs, em vez disso, que o núcleo é um objeto sólido de alguns quilômetros de diâmetro, composto em uma parte substancial de gelo de água (mas com outros gelos também) misturado com grãos de silicato e poeira. Essa proposta ficou conhecida como o modelo “bola de neve suja”.
O vapor de água e outros voláteis que escapam do núcleo quando ele é aquecido podem ser detectados na cabeça e na cauda do cometa e, portanto, podemos usar espectros para analisar em quais átomos e moléculas o núcleo de gelo consiste. No entanto, temos um pouco menos de certeza do componente não gelado. Nunca identificamos um fragmento de matéria sólida de um cometa que tenha sobrevivido à passagem pela atmosfera da Terra. No entanto, naves espaciais que se aproximaram de cometas carregaram detectores de poeira, e algumas poeiras de cometas foram até devolvidas à Terra (Figura\(\PageIndex{4}\)). Parece que grande parte da “sujeira” na bola de neve suja é de hidrocarbonetos e silicatos escuros e primitivos, um pouco parecidos com o material que se pensa estar presente nos asteroides escuros e primitivos.
Como os núcleos dos cometas são pequenos e escuros, eles são difíceis de estudar na Terra. A espaçonave obteve medições diretas do núcleo de um cometa, no entanto, em 1986, quando três espaçonaves passaram pelo cometa Halley de perto (Figura\(\PageIndex{5}\)). Posteriormente, outras naves espaciais voaram perto de outros cometas. Em 2005, a espaçonave Deep Impact da NASA chegou a carregar uma sonda para um impacto de alta velocidade com o núcleo do cometa Tempel 1. Mas, de longe, o estudo mais produtivo de um cometa foi feito pela missão Rosetta de 2015, que discutiremos em breve.
A atmosfera do cometa
A atividade espetacular que nos permite ver cometas é causada pela evaporação dos gelos cometários aquecidos pela luz solar. Além do cinturão de asteróides, onde os cometas passam a maior parte do tempo, esses gelos estão solidamente congelados. Mas quando um cometa se aproxima do Sol, ele começa a esquentar. Se a água (H 2 O) for o gelo dominante, quantidades significativas se vaporizam à medida que a luz solar aquece a superfície acima de 200 K. Isso acontece com o cometa típico um pouco além da órbita de Marte. A evaporação do H 2 O, por sua vez, libera a poeira que foi misturada com o gelo. Como o núcleo do cometa é tão pequeno, sua gravidade não pode conter nem o gás nem a poeira, ambos fluindo para o espaço a velocidades de cerca de 1 quilômetro por segundo.
O cometa continua absorvendo energia à medida que se aproxima do Sol. Grande parte dessa energia vai para a evaporação do gelo, bem como para o aquecimento da superfície. No entanto, observações recentes de muitos cometas indicam que a evaporação não é uniforme e que a maior parte do gás é liberada em surtos repentinos, talvez confinados a algumas áreas da superfície. Expandindo-se para o espaço a uma velocidade de cerca de 1 quilômetro por segundo, a atmosfera do cometa pode atingir um tamanho enorme. O diâmetro da cabeça de um cometa costuma ser tão grande quanto Júpiter e às vezes pode se aproximar de um diâmetro de um milhão de quilômetros (Figura\(\PageIndex{6}\)).
A maioria dos cometas também desenvolve caudas quando se aproximam do Sol. A cauda de um cometa é uma extensão de sua atmosfera, consistindo no mesmo gás e poeira que compõem sua cabeça. Já no século XVI, observadores perceberam que as caudas dos cometas sempre apontam para longe do Sol (Figura\(\PageIndex{7}\)), não para trás ao longo da órbita do cometa. Newton propôs que as caudas dos cometas são formadas por uma força repulsiva da luz solar que afasta as partículas da cabeça — uma ideia próxima à nossa visão moderna.
Os dois componentes diferentes que compõem a cauda (poeira e gás) agem de forma um pouco diferente. A parte mais brilhante da cauda é chamada de cauda de poeira, para diferenciá-la de uma cauda mais fraca e reta feita de gás ionizado, chamada cauda de íon. A cauda do íon é transportada para fora por fluxos de íons (partículas carregadas) emitidos pelo Sol. Como você pode ver na Figura\(\PageIndex{8}\), a cauda de poeira mais suave se curva um pouco, à medida que partículas individuais de poeira se espalham pela órbita do cometa, enquanto o íon reto é a cauda empurrada mais diretamente para fora do Sol pelo vento de partículas carregadas de nossa estrela
Atualmente, cometas próximos ao Sol podem ser encontrados com naves espaciais projetadas para observar nossa estrela. Por exemplo, no início de julho de 2011, astrônomos do Observatório Solar e Heliosférico (SOHO) da ESA/NASA testemunharam um cometa se aproximando do Sol, um dos quase 3000 avistamentos desse tipo. Você também pode assistir a um breve vídeo da NASA intitulado “Por que estamos vendo tantos cometas de pastagem solar?”
A missão Rosetta Comet
Na década de 1990, cientistas europeus decidiram projetar uma missão muito mais ambiciosa que combinaria órbitas com um cometa entrante e o seguiria à medida que ele se aproximava do Sol. Eles também propuseram que uma espaçonave menor realmente tentaria pousar no cometa. A espaçonave principal de 2 toneladas foi batizada de Rosetta, carregando uma dúzia de instrumentos científicos, e seu módulo de pouso de 100 quilos com mais nove instrumentos foi batizado de Philae.
A missão Rosetta foi lançada em 2004. Atrasos com o foguete de lançamento fizeram com que ele perdesse seu cometa alvo original, então um destino alternativo foi escolhido, o cometa Churyumov-Gerasimenko (em homenagem aos dois descobridores, mas geralmente denotado 67P). O período de revolução desse cometa é de 6,45 anos, o que o torna um cometa da família Júpiter.
Como a Agência Espacial Europeia não tinha acesso às fontes de energia nuclear movidas a plutônio usadas pela NASA para missões espaciais profundas, a Rosetta precisava ser movida a energia solar, exigindo painéis solares especialmente grandes. Mesmo esses não foram suficientes para manter a nave operando, pois ela combinava órbitas com 67P perto do afélio do cometa. A única solução foi desligar todos os sistemas da espaçonave e deixá-la encosta por vários anos em direção ao Sol, sem contato com os controladores na Terra até que a energia solar fosse mais forte. O sucesso da missão dependia de um cronômetro automático para ligar novamente a energia quando ela se aproximava do Sol. Felizmente, essa estratégia funcionou.
Em agosto de 2014, a Rosetta iniciou uma aproximação gradual do núcleo do cometa, que é um objeto estranhamente deformado com cerca de 5 quilômetros de diâmetro, bem diferente da aparência suave do núcleo de Halley (mas igualmente escuro). Seu período de rotação é de 12 horas. Em 12 de novembro de 2014, a sonda Philae foi lançada, descendo lentamente por 7 horas antes de atingir suavemente a superfície. Ele saltou e rolou, descansando sob uma saliência onde não havia luz solar suficiente para manter as baterias carregadas. Depois de operar por algumas horas e enviar dados de volta para o orbitador, Philae ficou em silêncio. A espaçonave principal Rosetta continuou suas operações, no entanto, à medida que o nível de atividade do cometa aumentava, com vapores de gás saindo da superfície. Quando o cometa se aproximou do periélio em setembro de 2015, a espaçonave recuou para garantir sua segurança.
A extensão das imagens de Rosetta (e dados de outros instrumentos) excede em muito tudo o que os astrônomos haviam visto antes de um cometa. A melhor resolução de imagem foi quase um fator 100 maior do que nas melhores imagens Halley. Nessa escala, o cometa parece surpreendentemente áspero, com ângulos agudos, poços profundos e saliências (Figura\(\PageIndex{9}\)).
A forma de lóbulo duplo do núcleo do 67P foi provisoriamente atribuída à colisão e fusão de dois núcleos de cometas independentes há muito tempo. A espaçonave verificou que a superfície escura do cometa estava coberta por compostos orgânicos ricos em carbono, misturados com sulfetos e grãos de ferro-níquel. 67P tem uma densidade média de apenas 0,5 g/cm 3 (a água de recall nessas unidades tem uma densidade de 1 g/cm 3). Essa baixa densidade indica que o cometa é bastante poroso, ou seja, há uma grande quantidade de espaço vazio entre seus materiais.
Já sabíamos que a evaporação dos cometas gelados era esporádica e limitada a pequenos jatos, mas no cometa 67P, isso foi levado ao extremo. A qualquer momento, mais de 99% da superfície está inativa. As aberturas ativas têm apenas alguns metros de diâmetro, com o material confinado a jatos estreitos que persistem por apenas alguns minutos (Figura). O nível de atividade é fortemente dependente do aquecimento solar e, entre julho e agosto de 2015, aumentou em um fator de 10. A análise isotópica do deutério na água ejetada pelo cometa mostra que ele é diferente da água encontrada na Terra. Assim, aparentemente cometas como 67P não contribuíram para a origem de nossos oceanos ou da água em nossos corpos, como pensavam alguns cientistas.
A Agência Espacial Europeia continua fazendo vídeos curtos interessantes que ilustram os desafios e os resultados das missões Rosetta e Philae. Por exemplo, assista a “Rosetta's Moment in the Sun” para ver algumas das imagens do cometa gerando plumas de gás e poeira e ouvir sobre alguns dos perigos que um cometa ativo representa para a espaçonave.
Conceitos principais e resumo
Halley mostrou pela primeira vez que alguns cometas estão em órbitas fechadas e retornam periodicamente para girar ao redor do Sol. O coração de um cometa é seu núcleo, com alguns quilômetros de diâmetro e composto por voláteis (principalmente congelados H 2 O) e sólidos (incluindo silicatos e materiais carbonáceos). Whipple sugeriu pela primeira vez esse modelo de “bola de neve suja” em 1950; isso foi confirmado por estudos de naves espaciais de vários cometas. Conforme o núcleo se aproxima do Sol, seus voláteis evaporam (talvez em jatos localizados ou explosões) para formar a cabeça ou a atmosfera do cometa, que escapa a cerca de 1 quilômetro por segundo. A atmosfera se afasta do Sol para formar uma cauda longa. A missão da ESA Rosetta ao cometa P67 (Churyumov-Gerasimenko) aumentou muito nosso conhecimento sobre a natureza do núcleo e do processo pelo qual os cometas liberam água e outros voláteis quando aquecidos pela luz solar.
Glossário
- cometa
- um pequeno corpo de matéria gelada e empoeirada que gira em torno do Sol; quando um cometa se aproxima do Sol, parte de seu material se vaporiza, formando uma grande cabeça de gás tênue e muitas vezes uma cauda
- núcleo (de um cometa)
- o pedaço sólido de gelo e poeira na cabeça de um cometa
- cauda
- (de um cometa) uma cauda que consiste em duas partes: a cauda de poeira é feita de poeira solta pela sublimação do gelo em um cometa que é então empurrado por fótons do Sol para uma corrente curva; a cauda de íon é um fluxo de partículas ionizadas evaporadas de um cometa e depois varridas do Sol pelo vento solar