Cometa Halley. Crédito de imagem: MPAE. Clique para ampliar.
Como professor emérito do Instituto Max Planck, o Dr. Kissel tem uma dedicação ao longo da vida ao estudo dos cometas. "No início do século 20, as caudas dos cometas levam à postulação e, posteriormente, à detecção do" vento solar ", uma corrente de átomos ionizados constantemente soprada para longe do sol. À medida que as observações astronômicas se tornaram mais poderosas, mais e mais constituintes puderam ser identificados, tanto as partículas de estado sólido quanto as moléculas gasosas, neutras e ionizadas. ” À medida que nossas técnicas de estudo desses visitantes externos do sistema solar se tornaram mais refinadas, também aumentam nossas teorias sobre o que elas podem ser compostas - e como elas são. Kissel diz: “Muitos modelos foram propostos para descrever a aparência dinâmica de um cometa, do qual o de Fred Whipple era aparentemente o mais promissor. Postulou um núcleo composto de água-gelo e poeira. Sob a influência do sol, o gelo da água sublimaria e aceleraria as partículas de poeira ao longo do caminho. ”
Ainda assim, eles eram um mistério - um mistério que a ciência estava ansiosa para resolver. "Até Halley era conhecido que muitos cometas fazem parte do nosso sistema solar e orbitam o sol exatamente como os planetas, apenas em outras órbitas de tipo e com efeitos adicionais devido à emissão de materiais". comenta Kissel. Mas somente ao nos aproximarmos pessoalmente de um cometa fomos capazes de descobrir muito mais. Com o retorno de Halley ao nosso sistema solar interno, os planos foram feitos para capturar um cometa e seu nome era Giotto.
A missão de Giotto era obter fotografias coloridas do núcleo, determinar a composição elementar e isotópica dos componentes voláteis no coma cometário, estudar as moléculas-mãe e nos ajudar a entender os processos físicos e químicos que ocorrem na atmosfera e na ionosfera do cometa. Giotto seria o primeiro a investigar os sistemas macroscópicos dos fluxos de plasma resultantes da interação vento-cometa-solar. No topo de sua lista de prioridades, estava a medição da taxa de produção de gás e a determinação da composição elementar e isotópica das partículas de poeira. Crítico para a investigação científica foi o fluxo de poeira - seu tamanho e distribuição de massa e a crucial relação poeira / gás. Enquanto as câmeras de bordo capturavam o núcleo a 596 km de distância - determinando sua forma e tamanho - também monitoravam estruturas no coma da poeira e estudavam o gás com espectrômetros de massa de íons e neutros. Como a ciência suspeitava, a missão Giotto descobriu que o gás era predominantemente água, mas continha monóxido de carbono, dióxido de carbono, vários hidrocarbonetos, além de vestígios de ferro e sódio.
Como líder da equipe de pesquisa da missão Giotto, Kissel lembra: “Quando as primeiras missões de fechamento do cometa 1P / Halley surgiram, um núcleo foi claramente identificado em 1986. Foi também a primeira vez que partículas de poeira, o cometa os gases liberados foram analisados in situ, ou seja, sem interferência feita pelo homem nem transporte de volta ao solo. ” Foi um momento emocionante na pesquisa cometária, através da instrumentação de Giotto, pesquisadores como Kissel agora podiam estudar dados como nunca antes. “Essas primeiras análises mostraram que as partículas são uma mistura íntima de material orgânico de alta massa e partículas de poeira muito pequenas. A maior surpresa foi certamente o núcleo muito escuro (refletindo apenas 5% da luz que brilha sobre ele) e a quantidade e complexidade do material orgânico. ”
Mas um cometa era realmente algo mais ou apenas uma bola de neve suja? "Até hoje, até onde eu sei, não há medição que mostre a existência de gelo de água sólida exposto à superfície de um cometa". Kissel diz: “No entanto, descobrimos que a água (H2O) como gás pode ser liberada por reações químicas que ocorrem quando o cometa é cada vez mais aquecido pelo sol. O motivo pode ser o 'calor latente', isto é, energia armazenada no material cometário muito frio, que adquiriu a energia por intensa radiação cósmica enquanto a poeira estava viajando pelo espaço interestelar através da quebra de ligações. Muito perto do modelo pelo qual o falecido J. Mayo Greenberg defende há anos. ”
Agora sabemos que o cometa Halley consistia no material mais primitivo conhecido por nós no sistema solar. Com exceção do nitrogênio, os elementos leves mostrados eram bastante semelhantes em abundância aos do nosso próprio Sol. Vários milhares de partículas de poeira foram determinadas como hidrogênio, carbono, nitrogênio, oxigênio - bem como elementos formadores de minerais, como sódio, magnésio, silício, cálcio e ferro. Como os elementos mais leves foram descobertos longe do núcleo, sabíamos que eles não eram partículas de gelo cometárias. Com nossos estudos sobre a química do gás interestelar em torno das estrelas, aprendemos como as moléculas da cadeia de carbono reagem a elementos como nitrogênio, oxigênio e, em uma parte muito pequena, hidrogênio. No frio extremo do espaço, eles podem polimerizar - alterando o arranjo molecular desses compostos para formar novos. Eles teriam a mesma composição percentual do original, mas um peso molecular maior e propriedades diferentes. Mas quais são essas propriedades?
Graças a informações muito precisas do encontro próximo da sonda com o cometa Halley, Ranjan Gupta, do Centro Interuniversitário de Astronomia e Astrofísica (IUCAA), e seus colegas fizeram algumas descobertas muito interessantes sobre a composição de poeira cometária e as propriedades de dispersão. Desde que as missões iniciais dos cometas foram realizadas por sobrevôos, todo o material capturado foi analisado in situ. Este tipo de análise mostrou que os materiais cometários são geralmente uma mistura de silicatos e carbono na estrutura amorfa e cristalina formada na matriz. Depois que a água evapora, os tamanhos desses grãos variam de submícron a micron e são de natureza altamente porosa - contendo formas irregulares e não esféricas.
De acordo com Gupta, a maioria dos primeiros modelos de dispersão da luz desses grãos era “baseada em esferas sólidas com a teoria convencional de Mie e somente nos últimos anos - quando as missões espaciais forneceram fortes evidências contra isso - novos modelos foram desenvolvidos onde não - grãos esféricos e porosos têm sido utilizados para reproduzir o fenômeno observado ”. Nesse caso, a polarização linear é produzida pelo cometa a partir da luz solar incidente. Confinado a um plano - a direção a partir da qual a luz é dispersa - varia de acordo com a posição em que o cometa se aproxima ou recua do Sol. Como Gupta explica: "Uma característica importante dessa curva de polarização versus o ângulo de dispersão (referido à geometria sol-terra-cometa) é que existe algum grau de polarização negativa".
Conhecida como "dispersão traseira", essa negatividade ocorre ao monitorar um único comprimento de onda - luz monocromática. O algoritmo de Mie modela todos os processos de espalhamento aceitos causados por uma forma esférica, levando em consideração a reflexão externa, múltiplas reflexões internas, transmissão e ondas de superfície. Essa intensidade da luz dispersa funciona em função do ângulo, onde 0? implica espalhamento para a frente, longe da direção original das luzes, enquanto 180? implica espalhamento de volta - volta premia a fonte da luz.
De acordo com Gupta, "a dispersão traseira é vista na maioria dos cometas geralmente nas bandas visíveis e em alguns cometas nas bandas de infravermelho próximo (NIR)". Atualmente, os modelos que tentam reproduzir esse aspecto da polarização negativa em altos ângulos de dispersão têm um sucesso muito limitado.
Seu estudo utilizou um DDA modificado (aproximação discreta de dipolo) - onde cada grão de poeira é considerado uma variedade de dipolos. Uma grande variedade de moléculas pode conter ligações que estão entre os extremos de iônicos e covalentes. Essa diferença entre as eletronegatividades dos átomos nas moléculas é suficiente para que os elétrons não sejam compartilhados igualmente - mas é pequena o suficiente para que os elétrons não sejam atraídos apenas por um dos átomos para formar íons positivos e negativos. Esse tipo de ligação nas moléculas é conhecido como polar. porque tem fins positivos e negativos - ou pólos - e as moléculas têm um momento dipolar.
Esses dipolos interagem entre si para produzir efeitos de dispersão da luz como extinção - esferas maiores que o comprimento de onda da luz bloquearão a luz monocromática e branca - e a polarização - a dispersão da onda da luz que entra. Usando um modelo de grãos compostos com uma matriz de esferóides de grafite e silicato, pode ser necessária uma faixa de tamanho de grão muito específica para explicar as propriedades observadas na poeira do cometa. “No entanto, nosso modelo também é incapaz de reproduzir o ramo negativo da polarização que é observado em alguns cometas. Nem todos os cometas mostram esse fenômeno na faixa NIR de 2,2 mícrons. ”
Esses modelos de grãos compostos desenvolvidos por Gupta et al; precisará ser refinado para explicar o ramo de polarização negativa, bem como a quantidade de polarização em vários comprimentos de onda. Nesse caso, é um efeito de cor com maior polarização em vermelho do que em luz verde. Simulações laboratoriais mais extensas de grãos compostos estão por vir e "O estudo de suas propriedades de espalhamento de luz ajudará no refinamento de tais modelos".
O início bem-sucedido da humanidade em seguir essa trilha de poeira cometária começou com Halley. Vega 1, Vega 2 e Giotto forneceram os modelos necessários para melhorar o equipamento de pesquisa. Em maio de 2000, os drs. Franz R. Krueger e Jochen Kissel, do Instituto Max Planck, publicaram suas descobertas como "Primeira análise química direta da poeira interestelar". Dr. Kissel diz: “Três de nossos espectrômetros de massa de impacto de poeira (PIA a bordo do GIOTTO e PUMA-1 e -2 a bordo do VEGA-1 e -2) encontraram o cometa Halley. Com esses, fomos capazes de determinar a composição elementar da poeira cometária. A informação molecular, no entanto, era apenas marginal. ” O encontro próximo do Deep Space 1 com o cometa Borrelly retornou as melhores imagens e outros dados científicos recebidos até agora. Na equipe de Borelly, o Dr. Kissel responde: “A missão mais recente de Borrelly (e da STARDUST) mostrou detalhes fascinantes da superfície do cometa, como declives íngremes de 200m de altura e pináculos de 20m de largura e 200m de altura”.
Apesar dos muitos problemas da missão, o Deep Space 1 provou ser um sucesso total. De acordo com o Diário de Missões do Dr. Mark Rayman, em 18 de dezembro de 2001, “a riqueza de dados científicos e de engenharia retornados por esta missão será analisada e usada nos próximos anos. O teste de tecnologias avançadas e de alto risco significa que muitas missões futuras importantes que de outra forma seriam inacessíveis ou até impossíveis agora estão ao nosso alcance. E como todos os leitores macroscópicos sabem, a rica colheita científica do cometa Borrelly está fornecendo aos cientistas novas idéias fascinantes sobre esses importantes membros da família do sistema solar. ”
Agora, a Stardust levou nossas investigações apenas um passo adiante. Coletando essas partículas primitivas do Cometa Selvagem 2, os grãos de poeira serão armazenados com segurança em aerogel para estudo após o retorno da sonda. Donald Brownlee da NASA diz: “A poeira do cometa também será estudada em tempo real por um espectrômetro de massa de tempo de voo derivado do instrumento PIA transportado ao cometa Halley na missão Giotto. Este instrumento fornecerá dados sobre materiais de partículas orgânicas que podem não sobreviver à captura de aerogel e fornecerá um conjunto de dados inestimável que pode ser usado para avaliar a diversidade entre cometas em comparação com dados de poeira de Halley registrados com a mesma técnica. ”
Essas mesmas partículas podem conter uma resposta, explicando como poeira e cometas interestelares podem ter semeado a vida na Terra, fornecendo os elementos físicos e químicos cruciais para seu desenvolvimento. De acordo com Browlee, "a Stardust capturou milhares de partículas de cometas que serão devolvidas à Terra para análise, em detalhes íntimos, por pesquisadores de todo o mundo". Essas amostras de poeira nos permitirão olhar para trás cerca de 4,5 bilhões de anos atrás - ensinando-nos sobre a natureza fundamental dos grãos interestelares e outros materiais sólidos - os próprios blocos de construção de nosso próprio sistema solar. Ambos os átomos encontrados na Terra e em nosso próprio corpo contêm os mesmos materiais liberados pelos cometas.
E está cada vez melhor. Agora, a caminho do cometa Cometa 67 P / Churyumov-Gerasimenko, a Rosetta da ESA vai se aprofundar no mistério dos cometas enquanto tenta um pouso bem-sucedido na superfície. De acordo com a ESA, equipamentos como “Analisador de Impacto de Grãos e Acumulador de Poeira (GIADA) medem o número, massa, momento e distribuição de velocidade de grãos de poeira provenientes do núcleo do cometa e de outras direções (refletidas pela pressão da radiação solar) - enquanto O Sistema de Análise de Poeira por Micro-Imagem (MIDAS) estudará o ambiente de poeira ao redor do cometa. Fornecerá informações sobre a população de partículas, tamanho, volume e forma. ”
Uma única partícula cometária pode ser composta de milhões de grãos de poeira interestelar individuais, permitindo uma nova visão sobre os processos galácticos e nebulares, aumentando nossa compreensão de cometas e estrelas. Assim como produzimos aminoácidos em condições de laboratório que simulam o que pode ocorrer em um cometa, a maioria de nossas informações foi obtida indiretamente. Ao entender a polarização, a absorção do comprimento de onda, as propriedades de espalhamento e a forma de um recurso de silicato, obtemos um conhecimento valioso sobre as propriedades físicas do que ainda precisamos explorar. O objetivo de Rosetta será transportar uma sonda ao núcleo de um cometa e implantá-la na superfície. A ciência da sonda terrestre se concentrará no estudo in situ da composição e estrutura do núcleo - um estudo sem paralelo de material cometário - fornecendo a pesquisadores como Dr. Jochen Kissel informações valiosas.
Em 4 de julho de 2005, a missão Deep Impact chegará ao Cometa Temple 1. Enterrado sob sua superfície, pode haver ainda mais respostas. Em um esforço para formar uma nova cratera na superfície do cometa, uma massa de 370 kg será liberada para impactar o lado iluminado pelo sol de Tempel 1. O resultado será a nova ejeção de partículas de gelo e poeira e aprofundará nosso entendimento sobre os cometas, observando as mudanças na atividade. A aeronave monitora a estrutura e a composição do interior da cratera - retransmitindo dados para o especialista em poeira cometária da Terra, Kissel. “O Deep Impact será o primeiro a simular um evento natural, o impacto de um corpo sólido no núcleo de um cometa. A vantagem é que o tempo de impacto é bem conhecido e existe uma espaçonave devidamente equipada quando o impacto ocorre. Definitivamente, isso fornecerá informações do que está abaixo das superfícies das quais temos fotos das missões anteriores. Muitas teorias foram formuladas para descrever o comportamento térmico do núcleo do cometa, exigindo crostas grossas ou finas e / ou outras características. Tenho certeza de que todos esses modelos terão que ser elogiados por novos após o Deep Impact ".
Depois de uma vida inteira de pesquisas sobre cometas, o Dr. Kissel ainda segue o rastro de poeira: "É o fascínio da pesquisa cometas que, após cada nova medição, haja novos fatos, que nos mostram como estávamos errados. E isso ainda está em um nível bastante global. ” À medida que nossos métodos melhoram, nossa compreensão desses visitantes da Nuvem de Oort também melhora. Kissel diz: "A situação não é simples e muitos modelos simples descrevem muito bem as atividades globais dos cometas, enquanto os detalhes ainda precisam ser trabalhados e os modelos, incluindo os aspectos químicos, ainda não estão disponíveis". Para um homem que está lá desde o início, trabalhar com o Deep Impact continua uma carreira distinta. "É emocionante fazer parte disso", diz o Dr. Kissel, "e estou ansioso para ver o que acontece após o Impacto Profundo e grato por fazer parte dele".
Pela primeira vez, os estudos vão bem abaixo da superfície de um cometa, revelando seus materiais primitivos - intocados desde a sua formação. O que havia sob a superfície? Vamos torcer para que a espectroscopia mostre carbono, hidrogênio, nitrogênio e oxigênio. Sabe-se que eles produzem moléculas orgânicas, começando com os hidrocarbonetos básicos, como o metano. Esses processos terão aumentado em complexidade para criar polímeros? Encontraremos a base para carboidratos, sacarídeos, lipídios, glicéridos, proteínas e enzimas? Seguir o rastro de poeira pode muito bem levar à fundação do DNA mais espetacular de toda a matéria orgânica - ácido desoxirribonucleico - DNA.
Escrito por Tammy Plotner
