A caccia della 67P/Churyumov–Gerasimenko

Nella storia dell’astronomia sono due le comete più importanti. La prima è sicuramente la cometa di Halley: prima di tutto perché è stata la cometa di cui si è scoperta la periodicità e in secondo luogo perché è stata la prima cometa oggetto di una missione spaziale avente come obiettivo la ripresa del nucleo, impresa che riuscì alla sonda Giotto dell’ESA (European Space Agency), nel lontano 1986. Un’altra cometa però è entrata nella storia, la 67P/Churyumov-Gerasimenko, scoperta casualmente l’11 settembre 1969 dagli astronomi sovietici Klym Ivanovyč Čurjumov e Svetlana Ivanovna Gerasimenko.

La 67P è importante nella storia dell’esplorazione cometaria perché è stata il target della missione Rosetta dell’ESA, che le ha orbitato attorno dal 6 agosto 2014 al 30 settembre 2016, quando ha concluso le sue operazioni atterrando sulla superficie della cometa. Il lander Philae a bordo di Rosetta è atterrato sul nucleo il 12 novembre 2014 e dopo l’inaspettato rimbalzo sul sito di atterraggio di Agilkia, infine è atterrato su Abydos, dove sono state eseguite la maggior parte delle misurazioni scientifiche previste. Philae è stato il prima manufatto umano ad eseguire un atterraggio controllato su un nucleo cometario.

La cometa 67P si muove su un’orbita eliocentrica moderatamente ellittica (e = 0,649), con un semiasse maggiore di 3,456 AU e a bassa inclinazione sull’Eclittica, solo 3,87°. Per compiere un intero giro attorno al Sole questa cometa impiega solo 6,42 anni. Si tratta di una cometa appartenente al gruppo delle comete di Giove che, negli ultimi 2 secoli ne ha abbassato il perielio dalle 4 AU del 1840 al valore attuale. Il 2 novembre 2021 alle 01:30 UT la 67P farà il suo passaggio al perielio a circa 1,21 AU dal Sole e il 12 novembre 2021 alle 00:50 UT passerà alla minima distanza dalla Terra di 0,418 AU (62,5 milioni di km), un’occasione unica per poter osservare al telescopio una cometa che ha fatto la storia e che sul nucleo ospita ancora Rosetta e Philae. Il prossimo flyby della 67P con la Terra ci sarà solo il 29 novembre 2034, fra ben 13 anni: meglio approfittare di questo, per parecchio tempo non la vedremo più così bene.

L’orbita eliocentrica della 67P vista dal polo nord dell’Eclittica con la posizione al 2 novembre 2021, durante il passaggio al perielio. L’afelio della 67P è poco oltre l’orbita di Giove a 5,68 AU. In effetti la 67P è un membro delle comete della famiglia di Giove (JFC). Il perielio è alto ossia esterno all’orbita terrestre, ed è per questo motivo che durante il passaggio della cometa per questo punto dell’orbita la 67P si potrà osservare in piena notte senza alcun disturbo da parte della luce del Sole (Crediti: JPL).

Il nucleo della 67P

Le prime immagini ravvicinate del nucleo della 67P riprese da Rosetta nella fase di avvicinamento mostrarono una struttura che nessuno si sarebbe aspettato: il nucleo della 67P ha una peculiare forma bilobata. Dalle misure fatte da Rosetta il lobo maggiore ha dimensioni di 4,10 x 3,52 x 1,63 km e viene chiamato corpo, mentre il lobo minore ha dimensioni di 2,50 x 2,14 x 1,64 km ed è chiamato testa. Infine, la porzione che li unisce è detta collo (neck in inglese). Dalla massa e dal volume misurato risulta che la densità media del nucleo è di 538 kg/m3 (per confronto l’acqua ha una densità di 1000 kg/m3) e questo, suggerisce che il nucleo abbia una porosità molto elevata ossia che al suo interno siano presenti parecchi spazi vuoti.

Subito dopo l’inserimento in orbita della sonda spaziale Rosetta attorno alla 67P, il 6 agosto 2014, le immagini acquisite dall’Optical Spectroscopic and Infrared Remote Imaging System (OSIRIS) hanno mostrato che tutta la superficie del nucleo è pervasa da una morfologia a terrazze. Nei mesi successivi, le immagini hanno confermato che le terrazze, insieme alle cuesta, sono legate a una stratificazione ovunque presente alla superficie del nucleo (una cuesta è una cresta asimmetrica caratterizzata da un lungo e dolce pendio che si innesta su uno strato resistente chiamato roccia di copertura e da un ripido pendio frontale). Terrazze e strati non sono caratteristiche uniche della 67P, essendo stati osservati almeno anche sulla superficie della cometa 9P/Tempel 1. La loro origine è stata spiegata in diversi modi: 1-come risultato della sublimazione, erosione e ricaduta di materiali sulla superficie; 2-come flussi successivi di materiale fluidificato; 3-come il risultato della presenza di una struttura stratificata interna legata all’accrescimento primordiale del nucleo.

Il nucleo della 67P in un mosaico di 4 immagini riprese dalla sonda Rosetta da una distanza di 28 km dal centro della cometa il 31 gennaio 2015. Oltre all’aspetto bilobato del nucleo e al collo che unisce i due lobi, sono ben visibili le stratificazioni e i getti di gas e polveri che alimentano la chioma della cometa (Crediti: ESA).

I fattori che modellano i nuclei delle comete sono ancora in gran parte sconosciuti, ma potrebbero essere il risultato di effetti concomitanti fra processi evolutivi (sublimazione ed erosione) e primordiali (accrescimento). Inizialmente si pensava che la peculiare forma bilobata del nucleo della 67P poteva essere il risultato della fusione di due oggetti un tempo separati oppure il risultato di uno scavo localizzato per degassamento all’interfaccia tra i due lobi. L’analisi degli strati superficiali ha fornito la risposta: si è scoperto che gli strati dei due nuclei sono ortogonali al vettore all’accelerazione gravitazionale locale considerando i nuclei separati. Pertanto la 67P è un corpo aggregato di due oggetti distinti con stratificazione “a cipolla”, che si sono formati prima di fondersi. Evidentemente nelle prime fasi dell’evoluzione del Sistema Solare si sono verificate collisioni a bassa velocità tra due cometesimi completamente formati, delle dimensioni dell’ordine di un chilometro, che hanno dato origine al peculiare nucleo della 67P. Le notevoli somiglianze strutturali tra i due lobi indicano che i cometesimi hanno sperimentato un identico processo di accrescimento stratificato primordiale, anche se si sono formati indipendentemente l’uno dall’altro.

Il periodo di rotazione del nucleo bilobato della 67P è di circa 12,4 ore, con l’asse di rotazione inclinato di 52° rispetto all’ortogonale al piano orbitale. L’asse di rotazione è circa ortogonale all’asse del collo e maggiormente vicino al corpo perché deve passare per il centro di massa. Durante il passaggio al perielio è l’emisfero sud quello che si trova esposto al Sole, quindi è questo che ospita la maggiore attività di sublimazione con espulsione di polveri che, in parte, ricadono sull’emisfero nord che si trova invece immerso nell’oscurità. Per questo motivo i terreni dell’emisfero nord sono in parte coperti da strati di polveri, che invece mancano nell’emisfero sud ed è in questo emisfero che è possibile studiare meglio la natura primordiale del nucleo. Sono stati osservati numerosi fenomeni legati alla sublimazione delle sostanze volatili, come jet ed esplosioni, i più importanti dei quali si sono verificati nei mesi attorno al perielio nell’emisfero sud. Le immagini ad alta risoluzione della 67P hanno mostrato che la sua superficie è coperta di pozzi attivi, che misurano alcune centinaia di metri sia in ampiezza, sia in profondità. Probabilmente la loro genesi è legata alla presenza di materiali con un basso punto di ebollizione presenti sotto la superficie che ribollono violentemente durante il passaggio al perielio e scavano il pozzo nella crosta della cometa. Dalle simulazioni numeriche risulta che per scavare un pozzo sono necessari almeno una decina di secoli, un’età non superiore a quella stimata della 67P come cometa del Sistema Solare interno, circa 7000 anni.

Questa immagine è stata ripresa da Rosetta il 22 settembre 2014 da una distanza di 28 km e mostra la morfologia irregolare, fratturata e stratificata della regione di Seth, nel lobo principale. In primo piano si vede un’ampia terrazza con un profondo pozzo che rivela la struttura interna stratificata del nucleo della cometa (Crediti: ESA).
L’attività del pozzo nella regione di Seth in un’immagine acquisita il 28 agosto 2014 da una distanza di 60 km. La risoluzione dell’immagine è di 1 m/pixel. A sinistra l’aspetto “normale”, a destra l’aumento del contrasto rivela sottili getti di gas e polveri che si stagliano contro l’ombra dell’interno del pozzo. Le ombre circostanti non mostrano altri getti che quindi sono associati al pozzo (Crediti: ESA).

La spettroscopia del nucleo della 67P, dal visibile all’infrarosso, rivela uno spettro rosso senza bande fino a 2,9 µm, quindi un ampio assorbimento nella regione fra 2,9 e 3,6 µm, indicando una composizione dominata da materiali refrattari ricchi di sostanze organiche. All’interno dell’ampia banda fra 2,9 e 3,6 µm sono state identificate alcune deboli bande di assorbimento, nonché di bande che rivelano la presenza di sostanze organiche alifatiche e di sali di ammonio. Sul nucleo è stata confermata la presenza di ghiaccio d’acqua osservando le bande di assorbimento a 1,05µm, 1,25µm, 1,5µm e 2,0µm, inoltre ha mostrato la presenza di ghiaccio di anidride carbonica dedotta dalle bande di assorbimento presenti a 1,97µm, 2,01µm, 2,07µm, 2,7µm e 2,78µm. In generale in superficie l’abbondanza di ghiaccio è di pochi punti percentuali ed assume valori superiori al 20% solo in alcune aree. Sulla superficie del nucleo sono state individuate 56 macchie ad alta riflettività dovute alla presenza di ghiaccio d’acqua ed 1 macchia brillante dovuta alla presenza di ghiaccio di anidride carbonica. Naturalmente il ghiaccio è abbondante sotto la crosta che ricopre il nucleo, il cui spessore tende ad aumentare al crescere del numero di passaggi al perielio.

La coma di una cometa è un ambiente complesso in cui avvengono diversi processi fisici e chimici riguardanti i materiali solidi e gassosi emessi dal nucleo, come la frammentazione, la sublimazione e la fotoionizzazione. Le principali forze che governano il moto delle particelle di polvere in prossimità del nucleo sono la forza gravitazionale esercitata dal nucleo stesso, la forza aerodinamica generata dal trascinamento del gas, dalla gravità solare e dalla pressione della radiazione solare. Il gas è considerato il principale responsabile del movimento fino a una certa distanza dal nucleo alla quale le particelle di polvere raggiungono la loro velocità terminale disaccoppiandosi dal gas, che avviene a circa 10 raggi del nucleo. In generale, poiché la resistenza e la gravità diminuiscono con la distanza dal nucleo, dopo una certa distanza predomina la forza della pressione di radiazione solare. Nel caso della 67P questo disaccoppiamento dal gas dalla polvere avviene fra 10 e 100 km dal nucleo, dipende dalla densità dei gas e dalla massa e dimensioni delle particelle di polvere. Gli spettroscopi a bordo di Rosetta hanno permesso di identificare in modo non ambiguo 5 differenti molecole nella chioma cometaria nel periodo del passaggio al perielio. Le molecole identificate sono H2O, CO2, 13CO2, OCS e CH4.

Il percorso in cielo della 67P dal 16 ottobre al 20 novembre 2021. Come si vede, per gran parte del periodo la cometa si troverà nella costellazione dei Gemelli. Per conoscere le coordinate equatoriali necessarie per puntare un telescopio verso la cometa si può usare il servizio effemeridi del Minor Planet Center (A. Carbognani/Carte du Ciel).

Visibilità della 67P

Fra fine ottobre e inizio novembre ossia nel periodo di migliore visibilità, la 67P per l’Italia sorgerà attorno alle 20 UT, praticamente insieme con la costellazione dei Gemelli, in direzione nord-est. Poi, a mano a mano che si alzerà sull’orizzonte, sarà visibile sempre più alta in cielo fino a raggiungere circa i 70° di altezza verso sud al transito in meridiano. La cometa attualmente sta sfoggiando una coda della lunghezza di circa mezzo grado, una mag apparente attorno a +10 e la chioma mostra un diametro apparente di circa 15 minuti d’arco.

Il 24 ottobre la 67P sarà a circa 0,5° dalla stella Epsilon Geminorum di mag +3 (ben visibile a occhio nudo), che potrà essere usata come “guida” per trovare la 67P usando un buon binocolo tipo 11×70, 20×80 o 25×100 (questi ultimi 2 su treppiede). Il 2 novembre, durante il passaggio al perielio, la 67P sarà nel mezzo della costellazione dei Gemelli e formerà un triangolo circa equilatero con Castore e Polluce con il vertice che cadrà all’interno del quadrilatero che delimita la costellazione stessa. Il giorno 8 novembre la cometa sarà a soli 1,5° dalla brillante stella Polluce, che potrà essere usata come riferimento, in modo analogo alla Epsilon Geminorum del 24 ottobre. Purtroppo il 12 novembre, al momento della minima distanza dalla Terra, la cometa si troverà fra i Gemelli e il Cancro, ma angolarmente lontano da stelle brillanti che possano essere usate come riferimento per gli osservatori visuali. Va sottolineato che, anche nel periodo di miglior visibilità – fra il perielio e la minima distanza dalla Terra – la cometa sarà di mag compresa fra +9 e +10, magari un po’ più brillante, ma comunque invisibile a occhio nudo, quindi o si usa un buon binocolo o almeno un piccolo telescopio da 10 cm di diametro.

La cometa 67P ripresa in RGB il 10 settembre 2021 con il telescopio “G. D. Cassini” di Loiano dell’INAF-OAS quando era a 93 milioni di km dalla Terra e a 205 milioni di km dal Sole. Per un telescopio al suolo il nucleo della cometa ha dimensioni troppo piccole per poter essere risolto, inoltre si trova “affogato” nei gas e polveri della chioma (A. Carbognani/INAF-OAS).

Osserviamo la 67P

Ci sono diverse cose interessanti che possono essere osservate di una cometa usando strumentazione amatoriale, a patto di osservare da un cielo buio. Dai cieli illuminati delle città osservare la 67P sarà molto più difficile. Ecco una carrellata di possibili osservazioni un po’ per tutte le possibilità:

I neofiti dotati un buon binocolo o un piccolo telescopio, confrontando la 67P con le stelle del campo di vista si renderanno conto dell’aspetto nebuloso della cometa, mentre le stelle restano puntiformi. Se il cielo è sufficientemente buio si potrà apprezzare anche la parte più brillante della coda che, partendo dalla chioma, si troverà approssimativamente in direzione opposta al Sole. Con un po’ di pazienza, facendo attenzione alle stelle di sfondo, nel capo di un’ora ci si renderà conto che la cometa si sta spostando in cielo sia per effetto del suo moto di rivoluzione attorno al Sole, sia per lo spostamento della Terra lungo la propria orbita.

Gli astrofili un po’ più esperti potranno fare fotografie a colori della cometa con la reflex o una camera CMOS collegata al fuoco diretto di un telescopio posto su una montatura equatoriale motorizzata e computerizzata. Se non si dispone di un telescopio può bastare anche un buon teleobiettivo da 200-300 mm di focale abbinato ad un buon astroinseguitore: ovviamente la cometa apparirà come un piccolo batuffolo, ma può essere divertente cercare di riprenderla ugualmente. Per evitare che nelle lunghe pose al telescopio la cometa appaia mossa (la velocità angolare sarà di circa 2 arcsec/minuto), si potranno riprendere tante immagini brevi, da 30-60 s di posa ciascuna, per poi sommarle insieme compensando per il moto della cometa: in questo modo si può ottenere un’immagine finale dettagliata, con un tempo di posa equivalente circa pari alla somma delle pose fatte. Dalle immagini così ottenute ci si renderà conto che la chioma e la coda sono di colore prevalentemente giallo, indice del fatto che sono composte da particelle di polvere che riflettono la luce solare. Tuttavia, nelle foto a più lunga esposizione, si noterà che la chioma di polveri tende a essere inglobata all’interno di una più ampia coma di gas di colore verdastro. Per gli amanti delle configurazioni celesti, quelle belle dal punto di vista estetico, consiglio di fare fotografie a grande campo della cometa la sera del 16 ottobre 2021 quando sarà prospetticamente molto vicina all’ammasso aperto M35 nella costellazione dei Gemelli: si potranno ottenere foto spettacolari.

Gli astrofili più attrezzati, dotati di un buon telescopio e una camera CCD, potranno misurare la magnitudine apparente della chioma della cometa attraverso un filtro rosso usando come confronto le stelle di campo per ottenere il valore del parametro Af(rho), proporzionale alla quantità di polvere emessa dalla cometa nello spazio. In questo modo potranno seguire il diminuire dell’attività della 67P mentre si sposta dal perielio verso l’afelio.

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