I nuclei cometari sono i residui dei planetesimi primordiali formatisi 4,6 miliardi di anni fa, nelle prime fasi di vita del Sistema solare. Studiarne la forma, le dimensioni e la composizione superficiale permette di capire quali fossero le condizioni iniziali del disco protoplanetario e di comprendere i processi di erosione e frammentazione subiti da questi corpi a causa dei continui passaggi al perielio a breve distanza dal Sole. Tuttavia, osservare direttamente la superficie di un nucleo cometario dalla Terra è un’impresa estremamente complessa. In genere, le loro dimensioni ridotte rendono difficile la loro risoluzione con strumenti a terra o con telescopi spaziali. L’osservazione diretta (nonché l’analisi dell’interno) di un nucleo cometario è solitamente possibile solo tramite una sonda spaziale che operi nelle sue immediate vicinanze, come nel caso del sorvolo della cometa 1P/Halley da parte della sonda Giotto o dell’incontro della missione Rosetta con la cometa 67P/Churyumov-Gerasimenko. In alternativa, le osservazioni radar condotte da terra possono rivelare la forma e le dimensioni del nucleo, ma solo per le comete che transitano molto vicino alla Terra.
Illustrazione artistica di come potrebbe apparire il nucleo della cometa di Encke (Credit: Kyoto Sangyo University; creata con Microsoft Copilot)
Anche se è difficile osservare direttamente la forma del nucleo di una cometa, le sue proprietà fisiche, come il raggio effettivo, l’albedo geometrico, la velocità di rotazione e i rapporti tra i semiassi, assumendo una forma ellissoidale, possono essere ricavate tramite osservazioni telescopiche a distanza, così come si fa per gli asteroidi, in particolare per i near-Earth. Per le comete però c’è l’ulteriore ostacolo dell’attività di sublimazione del nucleo. Infatti, quando una cometa si trova entro circa tre unità astronomiche (au) dal Sole, la radiazione solare sublima il ghiaccio d’acqua, generando una spessa chioma di gas e polveri che nasconde e sovrasta la debole emissione del nucleo. Nel medio infrarosso, in particolare, la radiazione termica emessa dai granelli di polvere della chioma domina quasi sempre il segnale complessivo. Per fortuna, il problema si attenua fortemente o scompare del tutto se il nucleo ha un’attività bassa. In questi casi si può rilevare direttamente l’emissione termica dal nucleo che, in questo modo, si può caratterizzare.
Nello studio guidato dall’astronomo Takafumi Ootsubo (University of Occupational and Environmental Health, Giappone), pubblicato questa settimana su The Astronomical Journal, i ricercatori, utilizzando osservazioni effettuate nel 2003, sono riusciti a sfruttare questa possibilità, rilevando l’emissione termica proveniente dal nucleo della cometa 2P/Encke mentre si trovava a sole 1,09 au dal Sole e 0,27 au dalla Terra. La Encke è una cometa a breve periodo, impiega soli 3,3 anni per compiere un’orbita attorno al Sole, appartiene alla famiglia omonima ed è soggetta a un’intensa evoluzione fisico-chimica, accelerata dai frequenti passaggi al perielio ad appena 0,34 au dal Sole. Che la cometa di Encke si stia lentamente consumando è provato dal fatto che è il corpo progenitore dello sciame di meteore delle Tauridi, visibili in cielo fra fine giugno/inizio luglio e a novembre.
Per separare il segnale del nucleo da quello della chioma e caratterizzarne le proprietà fisiche, il team di ricerca ha utilizzato i dati fotometrici e spettroscopici raccolti dallo strumento Comics (Cooled Mid-Infrared Camera and Spectrometer) montato sul telescopio Subaru da 8,2 metri dell’Osservatorio astronomico nazionale del Giappone, situato sulla cima del Maunakea alle Hawaii.
La fotometria della cometa è stata eseguita utilizzando diversi filtri a banda stretta centrati a 8,8, 10,5, 11,7, 12,4, 18,8 e 24,5 µm. Per eliminare il flusso termico proveniente dall’atmosfera terrestre, gli astronomi hanno impiegato la tecnica del chopping sullo specchio secondario del telescopio. Il chopping consiste nel far oscillare rapidamente lo specchio secondario del telescopio avanti e indietro; in questo modo si riprende alternativamente il target con il fondo termico e il solo fondo termico. Sottraendo la seconda immagine alla prima, si ottiene solo il segnale del target. Per quanto riguarda la spettroscopia, all’epoca era stato acquisito uno spettro nell’intervallo 8-13 µm nel medio infrarosso.
I ricercatori, confrontando i profili di luminosità della cometa con quelli di stelle di calibrazione, hanno trovato una perfetta corrispondenza, con una larghezza a mezza altezza di circa 0,3” a 10,5 µm, vicina al limite di diffrazione dello strumento. Questo ha confermato che l’emissione misurata proveniva da una sorgente compatta, con dimensioni inferiori a 60 km, ovvero direttamente dal nucleo cometario anziché da una chioma estesa. Poiché le misurazioni nelle diverse bande fotometriche sono state effettuate nell’arco di quasi tre ore, i flussi misurati risentivano della rotazione del nucleo, il cui periodo, come stabilito da osservazioni pubblicate nel 2007, è di 11,083 ore. Il team ha quindi sviluppato un modello teorico basato su uno sferoide prolato (un oggetto simile a un pallone da rugby) avente un unico asse di rotazione e con emissione di radiazione infrarossa costante su tutta la superficie, per ricostruire l’area della sezione trasversale proiettata verso la Terra. In questo modo è stata ottenuta una stima delle dimensioni e della forma del nucleo della cometa. Il rapporto tra i semiassi del nucleo è pari a 2,26 e, facendo un’approssimazione di corpo nero, le dimensioni assolute del sferoide sono di 3,6 km per il semiasse maggiore e 1,6 km per quello minore. Questi valori sono in discreto accordo con le misure ottenute da altri team e con i risultati delle immagini radar. La distribuzione spettrale osservata dell’energia emessa dalla superficie, sempre nel modello di corpo nero, ha fornito una temperatura di best fit di T = 328 ± 7 K. Anche questo valore è in ottimo accordo con la temperatura teorica empirica prevista per un nucleo cometario a 1,09 au dal Sole, pari a 327 K.
Schema dell’orbita della cometa di Encke al momento dell’osservazione (novembre 2003). La cometa si trovava a 1,09 au dal Sole e a 0,27 au dalla Terra. Credit: Kyoto Sangyo University
Lo spettro infrarosso ha mostrato un continuo privo del classico picco di emissione a 10 µm, tipico dei granelli di silicati sospesi nella chioma, confermando l’assenza di contaminazione da polveri. Riconvertendo lo spettro nell’emissività di un corpo nero a 328 K, è emersa una banda di assorbimento centrata a circa 9,5 µm. L’aspetto di maggiore interesse geologico ed evolutivo riguarda proprio l’assorbimento identificato attorno a 9,5 µm, poiché è una struttura molto simile a quella precedentemente rilevata nello spettro del medio infrarosso del nucleo della cometa debolmente attiva 460P/PanStarrs. Sebbene l’esatta natura chimica del minerale responsabile di questa banda non sia ancora del tutto chiara (tra i candidati vi sono silicati idrati e complessi organici), la presenza di una firma spettrale analoga su comete diverse suggerisce che le superfici dei nuclei cometari abbiano proprietà termiche e di composizione comuni.
Riuscire a misurare la radiazione termica diretta del nucleo di una cometa attiva a soli 1,09 au dal Sole non è una performance di poco conto nell’astronomia osservativa da terra. L’impresa è riuscita grazie alla combinazione di un basso rapporto polvere/gas nella chioma di Encke unita all’elevata risoluzione spaziale fornita dalle ottiche da 8,2 metri del telescopio Subaru. Il lavoro pone le basi per le prossime campagne osservative con lo strumento Miri (Mid-Infrared Instrument) a bordo del telescopio spaziale James Webb, che consentirà di estendere la copertura spettrale, misurare la temperatura del nucleo con precisione ancora maggiore e identificare con certezza le specie minerali e organiche presenti sulla crosta primordiale della cometa 2P/Encke.
Per saperne di più:
- Leggi su The Astronomical Journal l’articolo “Photometric and Spectroscopic Observations of Comet 2P/Encke’s Nucleus in the Midinfrared Wavelength Region”, di Takafumi Ootsubo, Hideyo Kawakita, Jun-ichi Watanabe, Hitomi Kobayashi e Yoshiharu Shinnaka