13.4: A origem e o destino dos cometas e objetos relacionados

Last updated
Save as PDF

Page ID: 183928

\( \newcommand{\vecs}[1]{\overset { \scriptstyle \rightharpoonup} {\mathbf{#1}} } \) \( \newcommand{\vecd}[1]{\overset{-\!-\!\rightharpoonup}{\vphantom{a}\smash {#1}}} \)\(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\)\(\newcommand{\AA}{\unicode[.8,0]{x212B}}\)

Objetivos de

Ao final desta seção, você poderá:

Descreva as características dos objetos centauros
Registre a descoberta e descreva a composição da nuvem de Oort
Descreva objetos transnetunianos e do cinturão de Kuiper
Explique o destino proposto dos cometas que entram no sistema solar interno

Os cometas que notamos quando chegam perto da Terra (especialmente os que vêm pela primeira vez) são provavelmente os objetos mais primitivos que podemos estudar, preservados inalterados por bilhões de anos no congelamento profundo do sistema solar externo. No entanto, os astrônomos descobriram muitos outros objetos que orbitam o Sol além dos planetas.

Centaurs e TNOs

No sistema solar externo, onde a maioria dos objetos contém grandes quantidades de gelo de água, a distinção entre asteróides e cometas é interrompida. Inicialmente, os astrônomos ainda usavam o nome “asteróides” para novos objetos descobertos girando ao redor do Sol com órbitas que os levam muito além de Júpiter. O primeiro desses objetos é Chiron, encontrado em 1977 em um caminho que o leva de dentro da órbita de Saturno em sua aproximação mais próxima do Sol até quase a distância de Urano (Figura\(\PageIndex{1}\)). O diâmetro de Chiron é estimado em cerca de 200 quilômetros, muito maior do que qualquer cometa conhecido.

alt — Figura Órbita de\(\PageIndex{1}\) Chiron. Quíron orbita o Sol a cada 50 anos, com sua aproximação mais próxima dentro da órbita de Saturno e sua aproximação mais distante da órbita de Urano.

Em 1992, um objeto ainda mais distante chamado Pholus foi descoberto com uma órbita que o leva 33 UA do Sol, além da órbita de Netuno. Pholus tem a superfície mais vermelha de qualquer objeto no sistema solar, indicando uma composição superficial estranha (e ainda desconhecida). À medida que mais objetos forem descobertos nesses lugares distantes, os astrônomos decidiram que receberão os nomes de centauros da mitologia clássica; isso ocorre porque os centauros eram meio humanos, meio cavalos, e esses novos objetos exibem algumas das propriedades de asteróides e cometas.

Além da órbita de Netuno existe um reino frio e escuro povoado por objetos chamados simplesmente de objetos transnetunianos (TNOs). O primeiro descoberto, e mais conhecido, desses TNOs é o planeta anão Plutão. Discutimos o encontro de Plutão e da espaçonave New Horizons com ele na seção sobre Anéis, Luas e Plutão. O segundo TNO foi descoberto em 1992 e agora são conhecidos mais de mil, a maioria deles menores que Plutão.

Os maiores depois de Plutão, chamados de Eris, Makemake e Haumea, também são classificados como planetas anões. Exceto por seu tamanho pequeno, os planetas anões têm muitas propriedades em comum com os planetas maiores. Plutão tem cinco luas, e duas luas foram descobertas orbitando Haumea e uma em cada uma circulando Eris e Makemake.

O Cinturão de Kuiper e a Nuvem de Oort

Os TNOs fazem parte do que é chamado de cinturão de Kuiper, uma grande área do espaço além de Netuno que também é a fonte de muitos cometas. Os astrônomos estudam o cinturão de Kuiper de duas maneiras. Telescópios novos e mais poderosos nos permitem descobrir diretamente muitos dos maiores membros do cinturão de Kuiper. Também podemos medir a composição de cometas de curto período que se acredita terem origem no cinturão de Kuiper, onde pequenas perturbações gravitacionais de Netuno podem gradualmente mudar suas órbitas até que possam penetrar no sistema solar interno. Mais de mil objetos do cinturão de Kuiper foram descobertos, e os astrônomos estimam que existam mais de 100.000 com diâmetros maiores que 100 quilômetros, em um disco que se estende até cerca de 50 UA do Sol.

Após seu voo bem-sucedido de Plutão, a espaçonave New Horizons explorou o Cinturão de Kuiper. A equipe acabou identificando um membro do cinturão, 2014 MU16 (posteriormente chamado Arrokoth), que poderia ser alcançado por uma pequena mudança na trajetória da espaçonave. A New Horizons passou por Arrokoth em 1º de janeiro de 2019, a uma distância de apenas 3.500 km, obtendo imagens e outros dados. O alvo acabou sendo um binário de contato, algo novo e inesperado (veja a foto). Seguindo suas órbitas para trás, podemos calcular que a afélia (pontos mais distantes do Sol) de cometas recém-descobertos normalmente tem valores próximos a 50.000 UA (mais de mil vezes mais distantes do que Plutão). Esse agrupamento de distâncias do afélio foi observado pela primeira vez pelo astrônomo holandês Jan Oort, que, em 1950, propôs uma ideia para a origem desses cometas que ainda é aceita hoje (Figura\(\PageIndex{2}\)).

Figura\(\PageIndex{2}\) Jan Oort (1900—1992). (a) Jan Oort sugeriu pela primeira vez que poderia haver um reservatório de pedaços congelados, núcleos potenciais de cometas, na borda da região de influência gravitacional do Sol. (b) A primeira imagem colorida do Objeto do Cinturão de Kuiper chamado Arrokoth, tirada a uma distância de 137.000 quilômetros da espaçonave New Horizons em 1º de janeiro de 2019. (crédito (a): Esta imagem é protegida por direitos autorais do Observatório de Leiden; crédito (b): NASA/JHU/SWRI)

É possível calcular que a esfera de influência gravitacional de uma estrela - a distância dentro da qual ela pode exercer gravitação suficiente para manter objetos em órbita - é cerca de um terço de sua distância até as outras estrelas mais próximas. As estrelas nas proximidades do Sol estão espaçadas de tal forma que a esfera de influência do Sol se estende um pouco além de 50.000 UA, ou cerca de 1 ano-luz. Em distâncias tão grandes, no entanto, objetos em órbita ao redor do Sol podem ser perturbados pela gravidade das estrelas que passam. Alguns dos objetos perturbados podem então assumir órbitas que os aproximam muito mais do Sol (enquanto outros podem ficar perdidos no sistema solar para sempre).

Oort sugeriu, portanto, que os novos cometas que estávamos vendo eram exemplos de objetos orbitando o Sol perto da borda de sua esfera de influência, cujas órbitas haviam sido perturbadas por estrelas próximas, eventualmente aproximando-as do Sol, onde podemos vê-las. ¹ O reservatório de antigos objetos gelados dos quais esses cometas são derivados agora é chamado de nuvem de Oort.

Os astrônomos estimam que haja cerca de um trilhão (10 ¹²) de cometas na nuvem de Oort. Além disso, estimamos que cerca de 10 vezes esse número de objetos gelados poderia estar orbitando o Sol no volume de espaço entre o cinturão de Kuiper (que está gravitacionalmente ligado a Netuno) e a nuvem de Oort. Esses objetos permanecem desconhecidos porque são muito fracos para serem vistos diretamente e suas órbitas são muito estáveis para permitir que qualquer um deles seja desviado para dentro perto do Sol. O número total de objetos gelados ou cometários nos confins do nosso sistema solar poderia, portanto, ser da ordem de 10 trilhões (10 ¹³), um número muito grande.

Qual é a massa representada por 10 ¹³ cometas? Podemos fazer uma estimativa se assumirmos algo sobre tamanhos e massas dos cometas. Suponhamos que o núcleo do cometa Halley seja típico. Seu volume observado é de cerca de 600 km ³. Se o constituinte primário for gelo de água com uma densidade de cerca de 1 g/cm ³, a massa total do núcleo de Halley deve ser de cerca de 6 × 10 ¹⁴ kg. Isso é cerca de um décimo bilionésimo (^{10 —10}) da massa da Terra.

Se nossa estimativa for razoável e existirem 10 ¹³ cometas com essa massa, sua massa total seria igual a cerca de 1000 Terras — comparável à massa de todos os planetas juntos. Portanto, o material cometário gelado pode ser o constituinte mais importante do sistema solar depois do próprio Sol.

Exemplo\(\PageIndex{1}\): massa dos cometas da nuvem de Oort

Suponha que a nuvem de Oort contenha 10 ¹² cometas com um diâmetro médio de 10 km cada. Vamos estimar a massa total da nuvem de Oort.

Solução

Podemos começar assumindo que os cometas típicos têm aproximadamente o tamanho dos cometas Halley e Borrelly, com um diâmetro de 10 km e uma densidade apropriada ao gelo de água, que é de cerca de 1 g/cm ³ ou 1000 kg/m ³. Sabemos que densidade = massa/volume\(V= \frac{4}{3} \pi R^3\), volume de uma esfera e raio\(R= \frac{1}{2}D\). Portanto, para cada cometa,

\[ \begin{array} \text{mass } & = \text{ density} \times \text{ volume} \\ ~ & = \text{ density} \times \frac{4}{3} \pi \left( \frac{1}{2} D \right)^3 \end{array} \nonumber\]

Dado que 10 km = 10 ⁴ m, a massa de cada cometa é

\[ \begin{array} \text{mass} & = 1000 \text{ kg/m}^3 \times \frac{4}{3} \times 3.14 \times \frac{1}{8} \times \left( 10^4 \right)^3 \text{ m}^3 \\ & \approx 10^{15} \text{ kg} \\ & = 10^{12} \text{ tons} \end{array} \nonumber\]

Para calcular a massa total da nuvem, multiplicamos essa massa típica de um cometa pelo número de cometas:

\[ \begin{align*} \text{total mass} &= 10^{15} \text{ kg/comet} \times 10^{12} \text{ comets} \\ & =10^{27} \text{ kg} \end{align*}\]

Exercício\(\PageIndex{1}\)

Como a massa total que calculamos acima se compara à massa de Júpiter? Para a massa do Sol? (Dê uma resposta numérica.)

Resposta

A massa de Júpiter é de cerca de 1,9 × 10 ²⁷ kg. A massa da nuvem de Oort calculada acima é de 10 ²⁷ kg. Portanto, a nuvem conteria cerca de meio Júpiter de massa. A massa do Sol é de 2 × 10 ³⁰ kg. Isso significa que a nuvem de Oort seria

\[ \frac{10^{27} \text{ kg}}{ \left( 2 \times 10^{30} \text{ kg} \right)} =0.0005 \times \text{ the mass of the Sun} \nonumber\]

Evolução inicial do sistema planetário

Os cometas da nuvem de Oort nos ajudam a coletar amostras de material que se formou muito longe do Sol, enquanto os cometas de curto período do cinturão de Kuiper coletam amostras de materiais que eram planetesimais no disco da nebulosa solar, mas não formavam planetas. Os estudos do cinturão de Kuiper também estão influenciando nossa compreensão da evolução inicial do nosso sistema planetário.

Os objetos na nuvem de Oort e no cinturão de Kuiper têm histórias diferentes e, portanto, podem ter composições diferentes. Os astrônomos estão, portanto, muito interessados em comparar medições detalhadas dos cometas derivados dessas duas regiões de origem. A maioria dos cometas brilhantes que foram estudados no passado (Halley, Hyakutake, Hale-Bopp) são cometas da nuvem de Oort, mas o P67 e vários outros cometas alvos para medições de naves espaciais na próxima década são cometas da família Júpiter do cinturão de Kuiper (Tabela\(13.3.1\)).

O cinturão de Kuiper é composto por planetesimais de gelo e rocha, um remanescente dos blocos de construção dos planetas. Como está gravitacionalmente ligado a Netuno, ele pode nos ajudar a entender a formação e a história do sistema solar. À medida que os planetas gigantes se formavam, sua gravidade influenciou profundamente as órbitas dos objetos do cinturão de Kuiper. Simulações computacionais da evolução inicial do sistema planetário sugerem que as interações gravitacionais entre os planetas gigantes e os planetesimais restantes fizeram com que a órbita de Júpiter se desviasse para dentro, enquanto as órbitas de Saturno, Urano e Netuno se expandiram, carregando consigo o cinturão de Kuiper.

Outra hipótese envolve um quinto planeta gigante que foi totalmente expulso do sistema solar à medida que as órbitas planetárias se deslocavam. A lua retrógrada (em órbita para trás) de Netuno, Tritão (que é quase tão grande quanto Plutão) pode ter sido um objeto do cinturão de Kuiper capturado por Netuno durante o período de órbitas variáveis. Parece claramente que o cinturão de Kuiper pode conter pistas importantes sobre como nosso sistema solar atingiu sua configuração planetária atual.

Caça de cometas como hobby

Quando o astrônomo amador David Levy (Figura), o co-descobridor do cometa Shoemaker-Levy 9, encontrou seu primeiro cometa, ele já havia passado 928 horas infrutíferas pesquisando no céu escuro da noite. Mas a descoberta do primeiro cometa só aguçou seu apetite. Desde então, ele encontrou 8 outros sozinho e mais 13 trabalhando com outros. Apesar desse registro impressionante, ele ocupa apenas o terceiro lugar nos livros de recordes em número de descobertas de cometas. Mas David espera quebrar o recorde algum dia.

Em todo o mundo, observadores amadores dedicados passam inúmeras noites examinando o céu em busca de novos cometas. A astronomia é um dos poucos campos da ciência em que os amadores ainda podem dar uma contribuição significativa, e a descoberta de um cometa é uma das maneiras mais empolgantes de estabelecerem seu lugar na história astronômica. Don Machholz, um amador da Califórnia (e caçador de cometas) que vem fazendo um estudo sobre descobertas de cometas, relatou que entre 1975 e 1995, 38% de todos os cometas descobertos foram encontrados por amadores. Esses 20 anos renderam 67 cometas para amadores, ou quase 4 por ano. Isso pode parecer muito encorajador para novos caçadores de cometas, até que eles aprendam que o número médio de horas que um amador típico passou procurando por um cometa antes de encontrar um foi de cerca de 420. Claramente, isso não é uma atividade para personalidades impacientes.

O que os caçadores de cometas fazem se acham que encontraram um novo cometa? Primeiro, eles devem verificar a localização do objeto em um atlas do céu para ter certeza de que ele realmente é um cometa. Como o primeiro avistamento de um cometa geralmente ocorre quando ele ainda está longe do Sol e antes de ter uma cauda significativa, ele parecerá apenas uma pequena mancha difusa. E através da maioria dos telescópios amadores, o mesmo acontecerá com as nebulosas (nuvens de gás cósmico e poeira) e as galáxias (grupos distantes de estrelas). Em seguida, eles devem verificar se não encontraram um cometa que já seja conhecido; nesse caso, eles só receberão um tapinha nas costas em vez de fama e glória. Em seguida, eles devem observá-lo novamente ou reimaginá-lo algum tempo depois para ver se seu movimento no céu é apropriado para cometas.

Muitas vezes, caçadores de cometas que pensam ter feito uma descoberta procuram outro caçador de cometas em outras partes do país para confirmá-la. Se tudo estiver certo, o local em que eles entram em contato é o Escritório Central de Telegramas Astronômicos do Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics em Cambridge, Massachusetts (www.cbat.eps.harvard.edu/). Se a descoberta for confirmada, a agência enviará as notícias aos astrônomos e observatórios de todo o mundo. Uma das recompensas únicas da caça de cometas é que o nome do descobridor se torna associado ao novo cometa — um pouco de fama cósmica que poucos hobbies conseguem igualar.

alt — Figura\(\PageIndex{3}\) David Levy. O astrônomo amador David Levy ocupa o terceiro lugar no mundo em descobertas de cometas.

O destino dos cometas

Qualquer cometa que vemos hoje terá passado quase toda a sua existência na nuvem de Oort ou no cinturão de Kuiper a uma temperatura próxima do zero absoluto. Mas quando um cometa entra no sistema solar interno, sua história de vida, antes monótona, começa a acelerar. Pode, é claro, sobreviver à sua passagem inicial perto do Sol e retornar às regiões frias do espaço, onde passou os 4,5 bilhões de anos anteriores. No outro extremo, ele pode colidir com o Sol ou chegar tão perto que é destruído em sua primeira passagem pelo periélio (várias dessas colisões foram observadas com telescópios espaciais que monitoram o Sol). Às vezes, no entanto, o novo cometa não chega muito perto do Sol, mas interage com um ou mais dos planetas.

O SOHO (Observatório Solar e Heliosférico) tem uma excelente coleção de vídeos de cometas que se aproximam do Sol. Neste local, o cometa ISON se aproxima do Sol e acredita-se que tenha sido destruído em sua passagem.

Um cometa que está sob a influência gravitacional de um planeta tem três destinos possíveis. Ele pode (1) impactar o planeta, encerrando a história de uma vez; (2) acelerar e ser ejetado, deixando o sistema solar para sempre; ou (3) ser perturbado em uma órbita com um período mais curto. No último caso, seu destino está selado. Cada vez que se aproxima do Sol, ele perde parte de seu material e também tem uma chance significativa de colisão com um planeta. Quando o cometa está nesse tipo de órbita de curto período, sua vida útil começa a ser medida em milhares, não bilhões, de anos.

Alguns cometas terminam suas vidas catastróficamente se separando (às vezes sem motivo aparente) (Figura\(\PageIndex{4}\)). Especialmente espetacular foi o destino do fraco cometa Shoemaker-Levy 9, que se partiu em cerca de 20 pedaços quando passou perto de Júpiter em julho de 1992. Os fragmentos de Shoemaker-Levy foram realmente capturados em uma órbita muito alongada de dois anos ao redor de Júpiter, mais do que dobrando o número de luas jovianas conhecidas. No entanto, isso foi apenas um enriquecimento temporário da família de Júpiter, porque em julho de 1994, todos os fragmentos do cometa colidiram com Júpiter, liberando energia equivalente a milhões de megatons de TNT.

alt — Figura\(\PageIndex{4}\) Quebra do cometa LINEAR: (a) Uma visão terrestre com muito menos detalhes e (b) uma foto muito mais detalhada com o Telescópio Espacial Hubble, mostrando os vários fragmentos do núcleo do cometa LINEAR. O cometa se desintegrou em julho de 2000 sem motivo aparente. (Observe que, na vista à esquerda, todos os fragmentos misturam sua luz e não podem ser distinguidos. As linhas brancas diagonais curtas são estrelas que se movem na imagem, o que está acompanhando o cometa em movimento.)

Quando cada fragmento cometário entrou na atmosfera joviana a uma velocidade de 60 quilômetros por segundo, ele se desintegrou e explodiu, produzindo uma bola de fogo quente que transportou a poeira do cometa e os gases atmosféricos para grandes altitudes. Essas bolas de fogo eram claramente visíveis de perfil, com o ponto real de impacto logo além do horizonte joviano visto da Terra (Figura\(\PageIndex{5}\)). Quando cada pluma explosiva caiu de volta em Júpiter, uma região da alta atmosfera maior que a Terra foi aquecida até a incandescência e brilhou intensamente por cerca de 15 minutos, um brilho que pudemos detectar com telescópios sensíveis ao infravermelho.

alt — Figura\(\PageIndex{5}\): Impacto do cometa em Júpiter. (a) O “cordão” de objetos brancos são fragmentos do cometa Shoemaker-Levy 9 que se aproximam de Júpiter. (b) O primeiro fragmento do cometa afeta Júpiter, com o ponto de contato no canto inferior esquerdo desta imagem. À direita está a lua de Júpiter, Io. O ponto igualmente brilhante na imagem superior é o fragmento do cometa brilhando até o brilho máximo. A imagem inferior, tirada cerca de 20 minutos depois, mostra o reflexo persistente do impacto. A Grande Mancha Vermelha é visível perto do centro de Júpiter. Essas imagens infravermelhas foram tiradas com um telescópio alemão-espanhol em Calar Alto, no sul da Espanha.

Após esse evento, nuvens escuras de detritos se estabeleceram na estratosfera de Júpiter, produzindo “hematomas” de longa duração (cada um ainda maior que a Terra) que podiam ser facilmente vistos até mesmo através de pequenos telescópios (Figura\(\PageIndex{6}\)). Milhões de pessoas em todo o mundo observaram Júpiter por meio de telescópios ou acompanharam o evento pela televisão ou pela internet. Outra característica de impacto menor foi vista em Júpiter no verão de 2009 (e mais seis desde então), indicando que os eventos de 1994 não foram de forma alguma únicos. Ver essas grandes explosões de impacto em Júpiter nos ajuda a apreciar o desastre que aconteceria em nosso planeta se fôssemos atingidos por um cometa ou asteróide.

alt — Figura\(\PageIndex{6}\): Nuvem de poeira de impacto em Júpiter. Essas características resultam do impacto do cometa Shoemaker-Levy 9 com Júpiter, visto com o Telescópio Espacial Hubble 105 minutos após o impacto que produziu os anéis escuros (o ponto traseiro compacto veio de outro fragmento). A borda interna do anel externo difuso tem aproximadamente o mesmo tamanho da Terra. Mais tarde, os ventos em Júpiter misturaram essas características em uma mancha ampla que permaneceu visível por mais de um mês.

Para cometas que não atingem um fim tão dramático, as medições da quantidade de gás e poeira em suas atmosferas nos permitem estimar as perdas totais durante uma órbita. As taxas de perda típicas são de até um milhão de toneladas por dia de um cometa ativo próximo ao Sol, somando algumas dezenas de milhões de toneladas por órbita. Nesse ritmo, um cometa típico desaparecerá após alguns milhares de órbitas. Esse provavelmente será o destino do cometa Halley a longo prazo.

Este vídeo do History Channel mostra uma breve discussão e animação da série de documentários de TV Universe, mostrando a colisão do cometa Shoemaker-Levy 9 com Júpiter.

Conceitos principais e resumo

Oort propôs em 1950 que os cometas de longo período são derivados do que hoje chamamos de nuvem de Oort, que circunda o Sol até cerca de 50.000 UA (perto do limite da esfera de influência gravitacional do Sol) e contém entre 10 ¹² e 10 ¹³ cometas. Os cometas também vêm do cinturão de Kuiper, uma região em forma de disco além da órbita de Netuno, que se estende até 50 UA do Sol. Os cometas são corpos primitivos que sobraram da formação do sistema solar externo. Uma vez que um cometa é desviado para o sistema solar interno, ele normalmente sobrevive a não mais do que alguns milhares de passagens do periélio antes de perder todos os seus voláteis. Alguns cometas têm mortes espetaculares: Shoemaker-Levy 9, por exemplo, se partiu em 20 pedaços antes de colidir com Júpiter em 1994.

Glossário

Cinturão de Kuiper: uma região do espaço além de Netuno que é dinamicamente estável (como o cinturão de asteróides); a região de origem da maioria dos cometas de curto período

Nuvem de portas: a grande região esférica ao redor do Sol de onde vem a maioria dos “novos” cometas; um reservatório de objetos com afélia a cerca de 50.000 UA

Nota de rodapé

¹ Agora sabemos que nem todo cometa que vemos se origina no Cinturão de Kuiper ou na Nuvem de Oort. Em 2017 e 2019, astrônomos descobriram dois “cometas interestelares” (chamados 1I/Oumuamua e 2I/Borisov) cujas órbitas indicavam que eles vinham de fora do sistema solar! (Oumoumua significa escoteiro ou mensageiro em havaiano.)