ANTICHI RESTI DI MATERIALI PRIMORDIALI

Rosetta: come nascono le comete

Uno studio condotto sui dati raccolti dalla sonda Rosetta e da missioni spaziali precedenti di flyby attorno a nuclei cometari mostra che le comete si formano dall’aggregazione successiva a bassa velocità di grani di materiale primordiale. Marco Fulle (INAF): «L’unico modo per capire una cometa è ripetere una missione complessa almeno quanto Rosetta»

Capire come e quando si siano formate le comete è di fondamentale importanza per determinare quale sia stato il loro ruolo nella formazione ed evoluzione del sistema solare. Un’analisi dettagliata dei dati raccolti dalla sonda Rosetta dell’ESA mostra che la cometa 67P/Churyumov-Gerasimenko deriva dagli antichi resti dei materiali che hanno dato vita al nostro sistema planetario.

Dallo studio, pubblicato sulla rivista Astronomy & Astrophysics da un team internazionale di scienziati guidato da Björn Davidsson del Jet Propulsion Laboratory di Pasadena, emerge che i risultati di Rosetta favoriscono la teoria secondo cui le comete sono composte da materiale primordiale, e che quindi possono aiutarci a rivelare le proprietà della nebulosa da cui si sono formati il Sole, i pianeti e tutti gli altri piccoli corpi che ci circondano.

L’ipotesi alternativa è che i nuclei cometari siano frammenti di oggetti più anziani e massicci, come gli oggetti transnettuniani (TransNeptunian Object, TNO). In questo caso, potrebbero fornire informazioni circa l’interno di questi oggetti, le collisioni che li hanno frammentati e i processi che hanno permesso la formazione dei nuovi corpi più giovani.

Nell’immagine, le prove del fatto che la cometa 67P è composta da materiale antico, conservato pressoché inalterato dal periodo di formazione del sistema solare, aggregatosi a bassa velocità. Le prove raccolte da Rosetta si trovano principalmente nelle proprietà strutturali della cometa, nei gas espulsi dal nucleo, e nelle osservazioni delle caratteristiche superficiali. Crediti: Al centro: ESA/Rosetta/NavCam – CC BY-SA IGO 3.0; Riquadri: ESA/Rosetta/MPS for OSIRIS Team MPS/UPD/LAM/IAA/SSO/INTA/UPM/DASP/IDA; Fornasier et al. (2015); ESA/Rosetta/MPS for COSIMA Team MPS/CSNSM/UNIBW/TUORLA/IWF/IAS/ESA/BUW/MPE/LPC2E/LCM/FMI/UTU/LISA/UOFC/v H&S; Langevin et al. (2016)

Nell’immagine, le prove del fatto che la cometa 67P è composta da materiale antico, conservato pressoché inalterato dal periodo di formazione del sistema solare, aggregatosi a bassa velocità. Le prove raccolte da Rosetta si trovano principalmente nelle proprietà strutturali della cometa, nei gas espulsi dal nucleo, e nelle osservazioni delle caratteristiche superficiali. Cliccare sull’immagine per ingrandirla. Crediti: Al centro: ESA/Rosetta/NavCam – CC BY-SA IGO 3.0; Riquadri: ESA/Rosetta/MPS for OSIRIS Team MPS/UPD/LAM/IAA/SSO/INTA/UPM/DASP/IDA; Fornasier et al. (2015); ESA/Rosetta/MPS for COSIMA Team MPS / CSNSM / UNIBW / TUORLA / IWF / IAS / ESA / BUW / MPE / LPC2E / LCM / FMI / UTU / LISA / UOFC / v H&S; Langevin et al. (2016)

«In entrambi i casi, le comete sono testimoni essenziali degli eventi che hanno avuto luogo nelle prime fasi di vita del sistema solare, e questo è il motivo per cui abbiamo deciso di effettuare queste misure dettagliate con Rosetta, che, insieme ad osservazioni di altre comete raccolte in passato, ci permettono di scoprire quale sia lo scenario più probabile», spiega Matt Taylor, project scientist di Rosetta presso l’ESA.

Durante i suoi due anni di permanenza attorno alla cometa 67P, Rosetta ha svelato una cometa con bassa densità, alta porosità, una struttura a due lobi con un’ampia stratificazione. Tutto questo porta a pensare che i lobi siano formati da materiale che si è accumulato nel corso del tempo, e poi si è fuso insieme.

L’elevata porosità del nucleo di 67P fornisce la prima indicazione a favore del fatto che l’accumulo di materiale non sia avvenuto attraverso urti violenti, poiché questi avrebbero portato il materiale a una maggiore compattezza. Le strutture osservate a diverse scale ci danno ulteriori informazioni su come possa aver avuto luogo la fase di accrescimento.

Studi precedenti hanno mostrato che i due lobi, chiamati la testa e il corpo, erano originariamente oggetti distinti, che dunque si sono fusi nel corso di una collisione a bassa velocità. Il fatto che abbiano stratificazioni confrontabili ci dice che i lobi sono stati sottoposti a storie evolutive simili, e che il tasso di sopravvivenza in seguito a collisioni deve essere stato alto per un periodo di tempo significativo. Inoltre, il fatto di aver individuato tre calotte sferiche sulla testa della cometa dimostra che gli eventi di fusione possono avere luogo anche su scale più piccole. Queste tre calotte, ad esempio, sembrano essere oggetti di piccola taglia che si sono scontrati con il lobo cometario e si sono conservati fino ad oggi. Su scale ancora più piccole, pari a pochi metri, ci sono i cosiddetti “goosebumps” (letteralmente “pelle d’oca”) e le “zolle”, strutture osservate in numerose cavità e pareti di roccia in varie zone della cometa.

Se da un lato è possibile che questa morfologia derivi unicamente da frammentazioni, si pensa che in realtà rappresenti una sorta di grumosità intrinseca dei componenti della cometa. Vale a dire che la struttura a pelle d’oca potrebbe mostrare la dimensione tipica degli oggetti di più piccola taglia che si sono aggregati a costituire la cometa, resi oggi visibili dall’erosione causata dal Sole.

Secondo la teoria, le velocità alle quali si scontrano gli oggetti che formano la cometa varia durante il processo di accrescimento, con un picco quando i grumi hanno le dimensioni di pochi metri. Per questo motivo le strutture di dimensioni attorno al metro dovrebbero essere più compatte e resistenti, ed è molto interessante che il materiale della cometa appaia addensato proprio su quella particolare scala.

Ulteriori prove provengono dall’analisi dei dati spettrali, che mostrano una superficie che ha sperimentato poca o nessuna alterazione locale dovuta ad acqua liquida. Inoltre, i dati raccolti sui gas espulsi dai ghiacci sublimati, collocati negli strati interni della cometa, dimostrano che 67P è ricca di materiali volatili, come monossido di carbonio, ossigeno, azoto e argon.

Queste osservazioni implicano che le comete si formano in condizioni di temperature estremamente basse e non hanno subito trattamenti termici significativi durante la maggior parte della loro vita. Per spiegare le basse temperature e la sopravvivenza di materiali ghiacciati e volatili, le comete devono aver accumulato materiale molto lentamente.

Rappresentazione schematica delle teorie che spiegano la nascita delle comete. A sinistra, in verticale, l’asse del tempo, che cresce proseguendo verso il basso. Crediti: ESA

Rappresentazione schematica delle teorie che spiegano la nascita delle comete. A sinistra, in verticale, l’asse del tempo, che cresce proseguendo verso il basso. Crediti: ESA

«Mentre i TNO più grandi nelle regioni esterne del sistema solare sembrano essere stati riscaldati da sostanze radioattive con brevi tempi di vita, le comete non mostrano segni di trattamenti termici simili», dice Davidsson. «Abbiamo dovuto risolvere questo paradosso prendendo in considerazione la cronologia degli attuali modelli per l’evoluzione del sistema solare e valutando nuove ipotesi».

Gli autori dello studio propongono che i membri di taglia maggiore della popolazione dei TNO si siano formati rapidamente, entro il primo milione di anni della nube solare, con l’aiuto dei flusso di gas turbolenti che hanno accelerato la loro crescita fino a dimensioni pari a 400 km di diametro.

Attorno ai tre milioni di anni vita del sistema solare, il gas era scomparso dalla nube primordiale, lasciando dietro di sé soltanto materiale solido. Poi, nell’arco di un periodo di circa 400 milioni di anni, i TNO già massicci hanno accumulato lentamente ulteriore materiale. Alcuni TNO sono cresciuti fino a raggiungere le dimensioni di Plutone o Tritone.

Le comete, invece, hanno preso una strada diversa. Dopo la rapida fase iniziale di crescita dei TNO, i grani di roccia e materiale ghiacciato rimasti nelle regioni esterne e fredde della nebulosa hanno iniziato ad avvicinarsi a bassa velocità, formando comete di dimensioni pari a qualche km di diametro. Le basse velocità alle quali si sono accumulati i grani hanno portato alla creazione di nuclei fragili con elevata porosità e bassa densità. Questa crescita lenta ha fatto sì che le comete conservassero alcuni dei materiali più antichi e volatili della nebulosa solare.

I TNO di taglia più grande hanno svolto un ruolo ulteriore nell’evoluzione delle comete: hanno rimescolato le orbite cometarie, fornendo così materiale supplementare nei 25 milioni di anni successivi, che è andato a formare gli strati più esterni dei nuclei cometari. Il rimescolamento ha reso possibile anche lo scontro dolce di oggetti delle dimensioni di un chilometro, che ha portato alcune delle comete osservate ad assumere la forma a due lobi.

«Le comete non mostrano le caratteristiche tipiche degli oggetti formati per collisione», aggiunge Davidsson. «Pensiamo piuttosto che i nuclei cometari siano cresciuti dolcemente, sopravvivendo sostanzialmente integri per 4.6 miliardi di anni. Il nostro nuovo modello spiega ciò che vediamo nelle osservazioni dettagliate di Rosetta e in ciò che ci hanno mostrato precedenti missioni di sorvoli ravvicinati di comete».

«Le comete sono dei veri e propri tesori del sistema solare», dice Taylor. «Ci offrono una visione senza precedenti dei processi che hanno plasmato il nostro sistema planetario nelle sue prime fasi di vita e del loro rapporto con la struttura di pianeti e corpi minori che possiamo vedere oggi».

«Gli studi effettuati su 67P suggeriscono che, almeno su come, quando e dove le comete sono nate, tutte sembrano parenti molto stretti, e che quindi 67P è un campione significativo delle comete», dice ai microfoni di Media INAF Marco Fulle, ricercatore presso l’Osservatorio Astronomico di Trieste dell’INAF e co-autore dell’articolo. «Grazie a Rosetta abbiamo imparato che le comete sono davvero corpi primordiali, fatte di materiale molto simile a quello che ha formato il sistema solare. E che quindi le comete sono la chiave per capire come si stanno formando i sistemi planetari extrasolari».

«Questo studio ci dice anche che l’unico modo per capire una cometa è ripetere una missione complessa almeno quanto Rosetta, che segua una cometa durante la sua orbita. Che il materiale primordiale è spesso nascosto sotto metri di depositi di polvere prodotta dalla cometa stessa, oppure sotto una crosta molto dura processata dal calore solare, e che quindi raccogliere materiale davvero primitivo sarà complicato».

«Insomma, 67P ci dice che, dopo Rosetta, progredire nella conoscenza delle comete sarà molto difficile, senza pianificare una missione molto più complessa e costosa di quelle previste nei prossimi decenni», conclude Fulle.

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