Identikit di un grano di polvere di cometa

Un nuovo studio pubblicato sulla rivista Icarus descrive le diverse caratteristiche dei grani di polvere della chioma della cometa 67P/Churyumov-Gerasimenko, raccolti dallo strumento COSIMA ( COmetary Secondary Ion Mass Analyser) tra l'11 agosto 2014 ed il 3 aprile 2015, mentre la cometa si avvicinava al Sole.

COSIMA è uno dei tre esperimenti a bordo di Rosetta, insieme a GIADA e MIDAS, dedicati ad analizzare la polvere cometaria. Contiene 30 targhette, ricoperte di un materiale metallico molto scuro, in grado di intrappolare le particelle incidenti.
Grazie ad una illuminazione radente ed alle immagini del microscopio COSISCOPE, il sistema di imaging di COSIMA che ha una risoluzione di 14 micron per pixel, il team è in grado di determinare dimensione, forma e caratteristiche dei grani.
I primi risultati parziali, relativi al periodo tra agosto ed ottobre 2014, erano stati pubblicati a gennaio 2015.

Ma, tra l'11 agosto 2014 ed il 3 aprile 2015, quando la distanza eliocentrica diminuiva da 3,5 a 2 Unità Astronomiche, sono state raccolte più di 10.000 particelle di polvere maggiori di 14 micron, tra cui circa 500 con dimensioni da 50 a più di 500 micron.

In generale, le famiglie di polvere cometaria possono essere raggruppate in particelle compatte e cluster, a loro volta suddivisi in frantumati, incollati e mucchi di macerie. Queste tipologie sono state differenziate in base alle diverse distribuzioni dimensionali dei componenti, alla loro relazione spaziale sulla piastra di raccolta e all'esistenza o meno di uno schema di collegamento.

La nuova analisi è in pratica la prima caratterizzazione ottica di un campione di particelle cometarie.
Le immagini sono state affiancate, ove possibile, alla loro versione stereo ottenuta scattando una foto sulla posizione base ed un'altra shiftando il target di 4 millimetri.

Particelle compatte

Esempio di particella compatta di nome Nick. Credit:
ESA/Rosetta/MPS for COSIMA Team MPS/CSNSM/UNIBW/TUORLA/IWF/IAS/ESA/BUW/MPE/LPC2E/LCM/FMI/UTU/LISA/UOFC/vH&S/ Langevin et al (2016)

Hanno confini ben precisi. Le ombre sono le più lunghe e le meglio definite di tutte le particelle raccolte ma la loro superficie di contatto diretto con la targhetta è spesso limitata. A volte i grani si sono mossi durante le analisi ma mantenendo la loro forma, il che indica una elevata coesione.

Cluster

Cluster frantumati

Esempio di cluster frantumato di nome Estelle. Credit:
ESA/Rosetta/MPS for COSIMA Team MPS/CSNSM/UNIBW/TUORLA/IWF/IAS/ESA/BUW/MPE/LPC2E/LCM/FMI/UTU/LISA/UOFC/vH&S/ Langevin et al (2016)

Sono un gruppo ristretto di particelle con componente principale non definito. I singoli elementi o sono in contatto o distanziati: la loro disposizione è probabilmente il risultato dell'impatto sul bersaglio.

Cluster incollati

Esempio di cluster incollato, Johannes e Sigrid. Credit:
ESA/Rosetta/MPS for COSIMA Team MPS/CSNSM/UNIBW/TUORLA/IWF/IAS/ESA/BUW/MPE/LPC2E/LCM/FMI/UTU/LISA/UOFC/vH&S/ Langevin et al (2016)

Questo gruppo contiene particelle relativamente ben definite con una struttura complessa globale formata da sotto-componenti che sembrano essere collegati tra loro da una matrice a grana fine, sembrando in apparenza una struttura con superficie regolare. La loro altezza è generalmente inferiore rispetto alle altre tipologie, suggerendo che la matrice di collegamento non è stata in grado di mantenere la forma della particella durante l'impatto sul bersaglio.

Mucchi di macerie

Esempio di mucchio di macerie, Etienne. Credit:
ESA/Rosetta/MPS for COSIMA Team MPS/CSNSM/UNIBW/TUORLA/IWF/IAS/ESA/BUW/MPE/LPC2E/LCM/FMI/UTU/LISA/UOFC/vH&S/ Langevin et al (2016)

Sono cluster caratterizzati da particelle molto piccole. Tipicamente hanno l'aspetto di una catasta conica appiattita con alcune peculiarità che indicano che, contrariamente ai cluster incollati, i componenti non sono strettamente connessi da una matrice. Sono inoltre facilmente disturbati dal fascio di ioni dello strumento utilizzato per l'analisi mirata.

Tutte queste informazioni sono state valutate dal team in un contesto più ampio.
Per esempio, le piastre di raccolta di COSIMA vengono tipicamente esposte per diversi mesi, per ore o giorni alla volta. Quindi, il periodo di raccolta include una vasta gamma di orientamenti e, talvolta, distanze della navicella rispetto alla cometa ed al Sole.
Il tasso di raccolta è molto variabile con un incremento significativo avvicinandosi al nucleo.
Di qui, sono stati identificati un certo numero di eventi che hanno portato ad una grande raccolta di particelle in poco tempo. Come il 24 gennaio 2015 quando è arrivato in un solo giorno il 76% del volume totale di grani disponibili. In ogni caso, ciascuna raccolta ha incluso tutte le tipologie di grani, anche se distribuite diversamente. Ciò implica che le particelle compatte e i cluster condividono lo stesso percorso nella chioma di Chury.

Più vicino al Sole (a meno di 2,35 UA), i componenti compatti costituiscono oltre il 30% dei frammenti anlizzati, indicando un'evoluzione nel tipo di grani probabilmente collegata alla rimozione dello strato di polvere più soffice dalla superficie della cometa, a causa dell'incremento dell'attività, e alla conseguente esposizione degli strati a densità più elevata dai quali si possono staccare le particelle compatte.

Typology of dust particles collected by the COSIMA mass spectrometer in the inner coma of 67P/Churyumov Gerasimenko [abstract]
The COSIMA mass spectrometer on board the ROSETTA orbiter has collected dust in the near coma of comet 67P/Churyumov-Gerasimenko since August 11, 2014. The collected dust particles are identified by taking images with a microscope (COSISCOPE) under grazing incidence illumination before and after exposure of the target to cometary dust. More than 10,000 dust particles >14 µm in size collected from August 11, 2014 to April 3, 2015 have been detected on three distinct target assemblies, including ∼500 dust particles with sizes ranging from 50 to more than 500 µm, that can be resolved by COSISCOPE (pixel size 14 µm). During this period, the heliocentric distance decreased from 3.5 AU to less than 2 AU. The collection efficiency on targets covered with "metal black" has been very high, due to the low relative velocity of incoming dust. Therefore, the COSISCOPE observations provide the first optical characterization of an unbiased sample of particles collected in the inner coma of a comet. The typology of particles >100 µm in size is dominated by clusters with a wide range of structure and strength, most originating from the disruption of large aggregates (>1 mm in size) shortly before collection. A generic relationship between these clusters and IDPs/Antarctic meteorites is likely in the framework of accretion models. About 15% of particles larger than 100 µm are compact particles with two likely contributions, one being linked to clusters and another leaving the cometary nucleus as single compact particles.