67P/Churyumov-Gerasimenko: la cometa si racconta

Il team di GIADA ( Grain Impact Analyzer and Dust Accumulator) ha rilasciato un documento sulla rivista Science; un comunicato stampa del Southwest Research Institute parla degli ultimi risultati di ROSINA ( Rosetta Orbiter Spectrometer for Ion and Neutral Analysis); un altro comunicato dello Swedish Institute of Space Physics racconta la nascita della magnetosfera cometaria; il Microwave Instrument for Rosetta Orbiter (MIRO) ha rilevato un aumento significativo della quantità di acqua versata dalla cometa, mentre l'INAF ha rilasciato gli ultimi risultati di VIRTIS ( Visible and Infrared Thermal Imaging Spectrometer).

Ma andiamo con ordine.

Il primo studio riguarda le analisi dei grani di polvere effettuate da GIADA ed OSIRIS il 4 agosto 2014, quando Rosetta era a 275 km da 67P.
Le osservazioni hanno permesso di contare circa 350 grani in orbita intorno al nucleo della cometa e 48 espulsioni il giorno precedente.
Queste situazioni non si sono sovrapposte nello spazio e la densità dei grani in orbita, che hanno mostrato generalmente dimensioni maggiori, è rimasta 100 volte inferiore rispetto a quella del materiale espulso.

Dalla gamma della luminosità, è stato dedotto che le dimensioni dei grani in orbita variava da 4 centimetri a 2 metri, il che può sembrare davvero molto e pericoloso per l'incolumità di Rosetta. Emily Baldwin sul blog di missione sembra aver avuto gli stessi dubbi e scrive di aver chiesto si due autori del documento, Alessandra Rotundi e Marco Fulle, ricercatori dell'INAF-IAPS e dell'Università Parthenope di Napoli, circa un possibile impatto dei grani da 2 metri con la sonda: "ma non c'è da preoccuparsi: in base alla loro densità [ed un calcolo probabilistico, NdR], Rosetta dovrebbe viaggiare molti secoli alla velocità di 1 m/s prima di colpirne uno".

Invece, dato che a tale distanza dal Sole (553 - 508 milioni km), il gas proveniente dalla superficie del nucleo non riesce ancora a sollevare il materiale più grande, i grani espulsi hanno dimensioni inferiori a 1,7 centimetri, in accordo con quelli che GIADA rilevò direttamente i primi di agosto, che andavano da qualche decina di micron (paragonabili alla larghezza di un capello) fino ad alcune centinaia di micron.

Cometa 67P: grani di polvere etichettati rilevati dalla NavCam di OSIRIS
Credit: ESA/Rosetta/MPS for OSIRIS Team MPS/UPD/LAM/IAA/SSO/INTA/UPM/DASP/IDA

Il team si aspetta che i grani espulsi aumentino man mano che la cometa si avvicina al Sole e ritiene che i quelli in orbita intorno al nucleo siano, invece, ciò che resta del precedente perielio. Questo materiale avrebbe raggiunto un'orbita stabile quando il flusso di gas dal nucleo ha iniziato a diminuire mentre 67P si allontanava dal Sole dopo il 13 marzo 2009. E ora ci si chiede se, quando l'attività cometaria aumenterà di nuovo, sarà in grado di dissipare questa reliquia polverosa oppure la nuvola di materiale rimarrà in orbita aggregando nuovi elementi, raccontando la storia di molti viaggi come una sorta di diario di bordo.

Il documento parla anche del rapporto polvere-gas che, considerando i dati di GIADA, OSIRIS, MIRO e ROSINA, è stato determinato in 4 ± 2.
Questo dato fornisce importanti informazioni sull'ambiente in cui si è formata la cometa e come si è evoluta.
Per 67P potrebbe indicare anche la necessità di rivedere la definizione "dirty snowball" (palla di neve sporca), generalmente adatta alla maggior parte delle comete, che in questo caso sarebbe più opportuno sostituire con " snowy dustballs" (palla di polvere innevata)!

Inoltre, questo rapporto viene utilizzato per dedurre la porosità interna: poiché che la polvere ha una densità maggiore del ghiaccio, maggiore è il rapporto di polvere e gas e maggiore è la porosità del nucleo interno. Il valore di questo rapporto stimato al perielio è pari a 3 ma potrà cambiare nei prossimi mesi perché è un dato che si basa sulla composizione media del materiale rilasciato dal nucleo che, in questo momento, è molto polveroso.

Dust measurements in the coma of comet 67P/Churyumov-Gerasimenko inbound to the Sun [abstract]

Critical measurements for understanding accretion and the dust/gas ratio in the solar nebula, where planets were forming 4.5 billion years ago, are being obtained by the GIADA (Grain Impact Analyser and Dust Accumulator) experiment on the European Space Agency's Rosetta spacecraft orbiting comet 67P/Churyumov-Gerasimenko. Between 3.6 and 3.4 astronomical units inbound, GIADA and OSIRIS (Optical, Spectroscopic, and Infrared Remote Imaging System) detected 35 outflowing grains of mass 10⁻¹⁰ to 10⁻⁷ kilograms, and 48 grains of mass 10⁻⁵ to 10⁻² kilograms, respectively. Combined with gas data from the MIRO (Microwave Instrument for the Rosetta Orbiter) and ROSINA (Rosetta Orbiter Spectrometer for Ion and Neutral Analysis) instruments, we find a dust/gas mass ratio of 4 ± 2 averaged over the sunlit nucleus surface. A cloud of larger grains also encircles the nucleus in bound orbits from the previous perihelion. The largest orbiting clumps are meter-sized, confirming the dust/gas ratio of 3 inferred at perihelion from models of dust comae and trails.

Nel secondo documento, gli scienziati che lavorano su ROSINA raccontano di aver scoperto che la chioma della cometa 67P è molto meno omogenea del previsto e il degassamento cometario varia in modo significativo nel corso del tempo.

"Abbiamo visto picchi di acqua e un paio d'ore più tardi, picchi di anidride carbonica", spiega Dr Myrtha Hässig, autore principale dello studio e ricercatore presso il Southwest Research Institute (SwRI) di San Antonio, Texas.

"Tutta la nostra conoscenza sulla variabilità del rilascio dei gas volatili dalle comete cambierà sulla base di questo documento, che avrà un impatto significativo sulla nostra comprensione della formazione e dell'evoluzione delle comete", aggiunge il Dott Hunter Waite, direttore del programma e scienziato planetario presso SwRI.

Le comete sono piccoli corpi del sistema solare con un nucleo composto di ghiaccio, polvere e piccole particelle rocciose. Quando si avvicinano al Sole lungo la loro orbita, si riscaldano e il degassamento, rende visibile la chioma e la coreografica coda. Trasportano al loro interno il materiale più antico del nostro Sistema Solare, un carico prezioso che può fornire importanti indizi sulle condizioni fisiche e chimiche che esistevano all'inizio della storia.

Rosetta ha iniziato a studiare da vicino 67P quando si è arrivata a 100 km dal nucleo il 6 agosto 2014.

"Da un telescopio, le immagini dell'atmosfera di una cometa suggeriscono che la chioma è uniforme e non varia nel breve periodo di ore o giorni. E questo è quello che ci aspettavamo quando ci siamo avvicinati a 67P", ha spiegato il dottor Stephen Fuselier, direttore del SwRI Space Science and Engineering Division, co-investigatore dello strumento DFMS di ROSINA.
"E' stata certamente una sorpresa quando abbiamo visto le variazioni a partire da 200 km di distanza. Più sorprendente ancora è stato che la composizione della chioma variava in grande quantità. Ci hanno insegnato che le comete sono fatte per lo più di acqua ghiacciata. Ma la chioma di questa cometa contiene molta più anidride carbonica che vapore acqueo".

Infatti, i dati di ROSINA indicano che il segnale complessivo è più forte in H2O ma ci sono momenti in cui CO e CO2 prevalgono.

"Queste grandi fluttuazioni nella composizione della chioma eterogenea indicano possibili variazioni giornaliere o stagionali nei degassamenti principali", spiega Hässig.
"Quando ho visto per la prima volta questo comportamento, ho pensato che qualcosa fosse sbagliato ma, dopo un triplo controllo dei dati, riteniamo che 67P abbia un rapporto chioma-nucleo complesso, con variazioni stagionali guidate da differenze di temperatura appena sotto la superficie della cometa".

Shape model credit: ESA/Rosetta/MPS for OSIRIS Team MPS/UPD/LAM/IAA/SSO/INTA/UPM/DASP/IDA

Il nucleo di 67P è formato da due lobi di dimensioni diverse, collegati dalla regione del collo.
Questa forma "rubber-ducky" (paperella di gomma), come è stata definita, probabilmente gioca un ruolo chiave nelle variazioni, a seconda di come le diverse parti del nucleo affrontano la luce del Sole durante il periodo di rotazione di 12,4 ore.
D'altra parte, se la composizione della chioma riflette la composizione del nucleo, l'eterogeneità suggerise che il nucleo deve essersi formato dalla collisione di piccoli corpi originati da regioni molto diverse del Sistema Solare primordiale. Una scoperta che potrebbe rivoluzionare le teorie sulla formazione delle comete e la relazione tra la loro composizione e luogo di nascita.

Time variability and heterogeneity in the coma of 67P/Churyumov-Gerasimenko [abstract]

Comets contain the best-preserved material from the beginning of our planetary system. Their nuclei and comae composition reveal clues about physical and chemical conditions during the early solar system when comets formed. ROSINA (Rosetta Orbiter Spectrometer for Ion and Neutral Analysis) onboard the Rosetta spacecraft has measured the coma composition of comet 67P/Churyumov-Gerasimenko with well-sampled time resolution per rotation. Measurements were made over many comet rotation periods and a wide range of latitudes. These measurements show large fluctuations in composition in a heterogeneous coma that has diurnal and possibly seasonal variations in the major outgassing species: water, carbon monoxide, and carbon dioxide. These results indicate a complex coma-nucleus relationship where seasonal variations may be driven by temperature differences just below the comet surface.

Il terzo risultato arriva dall' Ion Composition Analyser ( ICA) del Rosetta Plasma Consortium (RPC) che ha osservato le prime fasi di formazione della magnetosfera intorno a 67P.
Man mano che la cometa produce sostanze volatili calde, principalmente acqua, queste evaporano dalla superficie e formano un'atmosfera intorno al nucleo (la chioma) che inizia a ionizzarsi a causa delle radiazioni ultraviolette del Sole e delle collisioni con il vento solare. Nel momento in cui la cometa si avvicina abbastanza al Sole, la chioma è così densa e ionizzata, da diventare elettricamente conduttiva. Quando questo accade, l'atmosfera inizia a resistere al vento solare ed è così che nasce la magnetosfera di una cometa, una regione che circonda il nucleo e lo protegge.

"L'ambiente cometario è un laboratorio per gli scienziati, possiamo vedere cosa succede quando i flussi di vento solare attraversano l'atmosfera", spiega il professore associato Hans Nilsson presso lo Swedish Institute of Space Physics (IRF) di Kiruna, responsabile dello strumento Ion Composition Analyser, ICA,

Hans ha spiegato che lo studio dell'interazione del vento solare con l'atmosfera di una cometa potrebbe far luce anche sull'interazione del vento solare con i pianeti in fase di formazione: "in un giovane sistema solare, le atmosfere superiori dei pianeti sono fortemente riscaldate ed estese nello spazio. Il vento solare dovrebbe soffiare nella parte più esterna di questi ambienti in un modo simile a come attraversa l'atmosfera della cometa in questa fase di bassa attività", aggiunge.

RPC-ICA ha rilevato la firma inequivocabile di ioni d'acqua a bassa velocità tra i dati raccolti il 7 agosto 2014, un giorno dopo l'arrivo di Rosetta.

"Siamo ancora nelle prime fasi di analisi e modellazione dei nostri dati, ma forse il trasferimento di energia dal vento solare nell'atmosfera è meno efficiente nel rimuovere la chioma di quanto si pensasse".
Man mano che la cometa si avvicinerà al Sole lungo la sua orbita, Hans e colleghi avranno la possibilità di osservare l'evoluzione della magnetosfera.

"Questa transizione è probabilmente la parte più emozionante", ha aggiunto. "Può succedere di tutto da un giorno all'altro. Ogni mattina guardiamo i nuovi dati chiedendoci, cosa troveremo oggi?"

Birth of a comet magnetosphere: A spring of water ions [abstract]

The Rosetta mission shall accompany comet 67P/Churyumov-Gerasimenko from a heliocentric distance of >3.6 astronomical units through perihelion passage at 1.25 astronomical units, spanning low and maximum activity levels. Initially, the solar wind permeates the thin comet atmosphere formed from sublimation, until the size and plasma pressure of the ionized atmosphere define its boundaries: A magnetosphere is born. Using the Rosetta Plasma Consortium ion composition analyzer, we trace the evolution from the first detection of water ions to when the atmosphere begins repelling the solar wind (~3.3 astronomical units), and we report the spatial structure of this early interaction. The near-comet water population comprises accelerated ions (<800 electron volts), produced upstream of Rosetta, and lower energy locally produced ions; we estimate the fluxes of both ion species and energetic neutral atoms.

Altri dati sono arrivati, invece, dal Microwave Instrument for Rosetta Orbiter ( MIRO) della NASA che ha rilevato un aumento significativo della quantità di acqua "versata" da 67P: alla fine di agosto 2014 il nucleo di 67P rilasciava l'equivalente di 1,2 litri di acqua nello spazio ogni secondo.

" Nelle osservazioni in un periodo di tre mesi [giugno - agosto 2014] la quantità di acqua in forma di vapore che la cometa ha riversato nello spazio è cresciuta di circa dieci volte", ha dichiarato Sam Gulkis, ricercatore principale dello strumento MIRO della NASA Jet Propulsion Laboratory di Pasadena, in California. "Stare vicino alla cometa per un periodo prolungato di tempo ci ha fornito un'opportunità senza precedenti di vedere come le comete si trasformano da freddi corpi ghiacciati agli oggetti attivi che vomitano gas e polveri mentre si avvicinano al Sole".

MIRO è uno spettrometro piccolo e leggero, in grado di mappare l'abbondanza, la temperatura e la velocità del vapore acqueo cometario ed altre molecole che il nucleo rilascia. Può anche misurare la temperatura fino a circa 2 centimetri sotto la superficie della cometa.

Nel mese di settembre 2014, le temperature del sottosuolo variavano in un intervallo tra -243 e -83 ºC, a circa 1 cm sotto la superficie.
Mentre sono state registrate variazioni notturne/diurne in qualsiasi luogo, la componente principale di tale variazione è dovuta agli effetti stagionali, con alcune latitudini molto più fredde rispetto ad altre. Ad esempio, i valori più bassi sono stati registrati nella regione del polo sud, dove è stato "inverno" per molto tempo.

Il team ha anche confermato che 67P produce gas da determinate regioni del nucleo ed in certi momenti del suo giorno.
Una parte sostanziale del degassamento misurata da giugno a settembre 2014 si è verificato dalla regione del collo durante il pomeriggio.

"Questa situazione potrebbe cambiare ora che la cometa si sta riscaldando", ha detto Gulkis
"MIRO continuerà ad osservare molto attentamente per determinare quali fattori oltre al calore del Sole, sono responsabili del degassamento cometario".

Copyright: ESA - Credits for individual results: Shape model, rotation properties, volume and porosity: OSIRIS - Mass: RSI - Density: RSI/OSIRIS - Dust/Gas ratio: GIADA, MIRO and ROSINA - D/H ratio: ROSINA - Surface temperature: VIRTIS - Subsurface temperature and water vapour production rate: MIRO - Albedo: OSIRIS and VIRTIS - Comet images: NavCam

L' ultimo documento è quello rilasciato dal nostro Istituto Nazionale di Astrofisica che riporta diversi risultati sorprendenti.
Il primo, riguarda l'albedo, di cui avevamo già avuto alcune stime, ossia la quantità di luce solare riflessa dalla superficie del nucleo: con un albedo solo del 6%, 67P è uno degli oggetti più scuri del Sistema Solare.

Questo basso potere riflettente indica che la superficie della cometa contiene minerali quali, ad esempio, solfuri di ferro, ma anche composti a base di carbonio e poca o niente acqua ghiacciata sugli strati più esterni del nucleo.

"Questo chiaramente non significa che la cometa non è ricca di acqua, ma solo che non c'è ghiaccio d'acqua nel guscio più esterno" spiega Fabrizio Capaccioni, VIRTIS Principal Investigator dall'INAF-IAPS di Roma. "La ragione di questo è radicata nella storia recente dell'evoluzione della cometa, dal momento in cui è già passata diverse volte vicino al Sole e il ghiaccio è sublimato".

Ma la scoperta più interessante riguarda l'individuazione di composti organici macromolecolari su tutta la superficie del nucleo della cometa.

A sinistra una immagine ottenuta dalla Navigation Camera della missione Rosetta che mostra il nucleo della cometa 67P in una orientazione simile a quella della mappa della "Pendenza Spettrale" ("Spectral Slope" in inglese) mostrata a destra. Tale quantità viene utilizzata per ricavare informazioni sulla composizione e/o sullo stato di alterazione del materiale presente sulla superficie del nucleo. Le minori pendenze (le aree in blu chiaro nella mappa di destra) sono chiaramente visibili nella regione del "neck" (collo) che è quella con il massimo livello di attività (emissione di gas e polveri) osservato fino ad oggi.
Credit: ESA/Rosetta/NAVCAM(left); ESA/Rosetta/VIRTIS/INAF-IAPS/OBS DE PARIS-LESIA/DLR (right)

Alcuni di questi composti sono simili agli acidi carbossilici, o piuttosto a polimeri di acidi carbossilici, che sono presenti negli aminoacidi, i mattoni della vita.

Mentre gli amminoacidi sono stati già osservati in altre comete e meteoriti, questa è la prima volta in cui tali composti sono stati rilevati direttamente sulla superficie di un nucleo cometario. Inoltre, la distribuzione globale sulla superficie di tali molecole suggerisce che dovevano essere abbondanti nel materiale che si è aggregato per formare il nucleo.

"La formazione di tali composti richiede la presenza di ghiacci di elementi molto volatili, come ad esempio metanolo, metano o monossido di carbonio, che solidificano solo a basse temperature", ha spiegato Capaccioni. "Ciò fa quindi supporre che ci troviamo effettivamente in presenza di una cometa che contiene al suo interno tracce dei composti primordiali o addirittura precedenti alla formazione del nostro Sistema solare".

The organic-rich surface of comet 67P/Churyumov-Gerasimenko as seen by VIRTIS/Rosetta [abstract]

The VIRTIS (Visible, Infrared and Thermal Imaging Spectrometer) instrument on board the Rosetta spacecraft has provided evidence of carbon-bearing compounds on the nucleus of the comet 67P/Churyumov-Gerasimenko. The very low reflectance of the nucleus (normal albedo of 0.060 ± 0.003 at 0.55 micrometers), the spectral slopes in visible and infrared ranges (5 to 25 and 1.5 to 5% kÅ⁻¹), and the broad absorption feature in the 2.9-to-3.6-micrometer range present across the entire illuminated surface are compatible with opaque minerals associated with nonvolatile organic macromolecular materials: a complex mixture of various types of carbon-hydrogen and/or oxygen-hydrogen chemical groups, with little contribution of nitrogen-hydrogen groups. In active areas, the changes in spectral slope and absorption feature width may suggest small amounts of water-ice. However, no ice-rich patches are observed, indicating a generally dehydrated nature for the surface currently illuminated by the Sun.

In apertura una nostra elaborazione di un'immagine della narrow-angle camera di OSIRIS ripresa il 14 ottobre 2014 da una distanza di 8 km, disponibile a dimensione intera sul nostro album di Flickr.

Rifermenti: - - - - - - -
http://blogs.esa.int/rosetta/2015/01/22/comets-coma-composition-varies-significantly-over-time/
http://blogs.esa.int/rosetta/2015/01/22/giadas-dust-measurements-3-7-3-4-au/
http://blogs.esa.int/rosetta/2015/01/22/watching-the-birth-of-a-comet-magnetosphere/
http://blogs.esa.int/rosetta/2015/01/23/comet-pouring-more-water-into-space/
http://blogs.esa.int/rosetta/2015/01/23/extremely-dark-dry-and-rich-in-organics-virtis-view-of-67pc-g/
http://www.jpl.nasa.gov/news/news.php?feature=4456
http://www.media.inaf.it/2015/01/22/scurissima-arida-e-ricoperta-di-molecole-organiche/