Doctor Mauricio Reyes Ruiz
Sin duda, el avistamiento de cometas es uno de los fenómenos astronómicos que mayor asombro nos causa.
Así ha sido a lo largo de la historia y en todas las culturas. Cuando se observa a simple vista, la cola de un cometa aparece mucho mayor que cualquier otro objeto astronómico que pueda uno observar durante una noche oscura. Algunos cometas han sido visibles incluso en pleno día. Para los astrónomos, además de su belleza, los cometas encierran la respuesta a múltiples interrogantes sobre el medio interplanetario, sobre el origen del sistema solar y quizá incluso sobre el origen de la vida en nuestro planeta.
COMETAS DE AYER
Así como en nuestros días, en plena era espacial, la mayoría de la gente atribuye los fenómenos celestes que no alcanza a comprender a seres extraterrestres, en la antigüedad los cometas estuvieron rodeados de temor y misterio. Su nombre se remonta a los griegos, para quienes el termino komete tomaba el sentido de “estrella con cabellera”. Aristóteles y sus contemporáneos debatían sobre la naturaleza de los cometas y sus posibles efectos sobre la vida humana. El carácter irregular e impredecible de los cometas no encajaba con los conceptos filosóficos de la época respecto a la constancia y perfección de los cielos. Es por ello que Aristóteles y otros los consideraban un fenómeno atmosférico.
Como en muchos otros campos del conocimiento, hubo poco avance en el estudio de los cometas durante muchos siglos después de Ptolomeo, quien murió alrededor del año 200 d.C. Aunque se reportaron múltiples avistamientos, como los del cometa Halley en las Crónicas de Nuremberg (684 d.C.) sólo se escribieron unos cuantos trabajos al respecto, como los de Bede (673-735 d.C.), Tomás de Aquino (1225-74 d.C.) y Roger Bacon (1214-94 d.C.). Hasta comienzos del siglo XV, predominó la visión astrológica de los cometas, que eran identificados como augurios malignos.
Con el fin de la era medieval, comenzó el estudio sistemático de los cometas. Lentamente, se fueron desarrollando las ideas hacia una concepción moderna. La noción de que la cola de los cometas apunta en dirección contraria al Sol se estableció alrededor de 1530, con los estudios del astrónomo italiano Fracastoro y el alemán Peter Apian, en base a la observación de varios cometas, entre ellos el cometa Halley en su aparición de 1531.
Tycho Brahe (1546-1601), generalmente considerado el más grande astrónomo observacional de su época, observó con gran detenimiento el cometa de 1577. Determinó por primera vez la distancia a un cometa, así como su extensión, y demostró que las ideas de Aristóteles al respecto estaban equivocadas. Con base en sus resultados, sugirió tímidamente, antes que Kepler, el movimiento de un cuerpo celeste en una órbita no circular.
La idea, que se sostiene hasta nuestros días, de que los cometas brillan por la luz que reflejan del Sol, y que sus colas se forman por efecto de la radiación solar, aparece por primera vez en los trabajos de Johannes Kepler (1571-1630). Aunque sus ideas y las de Tycho Brahe no eran universalmente aceptadas, entre otros por Galileo Galilei, quien sugería que los cometas podían deberse a vapores atmosféricos, poco a poco se fueron estableciendo.
Como se sabe, el cometa de 1680, hoy conocido como el cometa Halley, y Edmond Halley en persona, jugaron un papel importante en el desarrollo de las ideas de Newton y en la publicación de sus Principia. En base a las observaciones, Newton determinó que la órbita del cometa era elíptica, y en base a su ley de gravitación, se predijo exitosamente la próxima aparición del cometa en 1759. Las implicaciones filosóficas de este resultado fueron mayúsculas y fueron en parte motivadoras del gran desarrollo de la astronomía y de la física en los siglos XVIII y XIX.
En este periodo se descubrieron una gran cantidad de fenómenos cometarios que aun hoy en día son objeto de nuestros estudios, como son el rompimiento de cometas al acercarse al Sol o algún otro cuerpo masivo del sistema solar; la evolución de la órbita de los cometas, la estructura filamentaria y heterogénea de la cola y el origen de las lluvias de meteoros.
IDEAS MODERNAS
Con el desarrollo de la física y de las técnicas astronómicas observacionales, desde inicios del siglo XX se han venido desarrollando nuestras ideas sobre el origen y evolución de los cometas. En 1986, una flotilla de sondas espaciales visitaron los cometas Halley y Giacobinni-Zinner. En los últimos años, ha sido el turno de las misiones espaciales STARDUST y DEEP IMPACT que visitaron los cometas Wild 2 y Tempel 1 respectivamente. Los resultados de estas misiones han incrementado significativamente nuestro entendimiento de la estructura de los cometas y sus colas. Por su nivel de detalle y profundidad, las mediciones in situ nos plantean nuevas y más complejas interrogantes que motivan el trabajo de nuestro grupo de investigación y de muchos otros en todo el planeta.
A continuación describo, grosso modo, algo de lo que sabemos sobre el origen y constitución de los cometas, pero antes debemos advertir al lector sobre el carácter temporal de estas ideas. Como todo conocimiento científico, éstas se encuentran en constante evolución; se adecuan o refutan con la aparición de nuevas observaciones y teorías, y se pueden encontrar argumentos contra mucho de lo que diremos más adelante. Presentaremos sólo las ideas predominantes y, en algunos casos, ideas que a juicio del autor parecen importantes. Sobra mencionar también que esto es sólo una pequeña muestra de lo que hemos aprendido, y que queda todavía mucho por aprender.
CARACTERÍSTICAS
Cuando se encuentra lejos del Sol, a varias Unidades Astronómicas (1 UA es la distancia promedio del Sol a la Tierra) el núcleo de un cometa se presenta como un cuerpo sólido. El tamaño de los núcleos cometarios típicamente es de unos cuantos kilómetros, su diámetro puede medir desde cientos de metros hasta decenas de kilómetros. Su forma es irregular, ya que, a diferencia de los planetas, los cometas no tienen suficiente masa para que la fuerza de gravedad les dé una forma esférica. Se componen principalmente de hielo de agua, roca y, en menor proporción, de gases congelados de dióxido y monóxido de carbono, metano y amonia.
En algunos cometas también se han detectado una gran variedad de compuestos orgánicos, como son: metanol, formaldeido, etanol y quizá, aún está por confirmarse, aminoácidos y otras moléculas orgánicas complejas. Hasta hace muy poco, se creía que el núcleo era una gran bola de hielo de agua con un poco de roca; sin embargo, entre los hallazgos más interesantes del las recientes misiones espaciales, se ha encontrado que la superficie de algunos cometas es caliente, rocosa y muy oscura, y que el hielo de agua podría encontrarse sólo en el interior.
LOS PLANETESIMALES
Se cree que los núcleos cometarios se formaron de la misma manera en que comenzó la formación de los planetas del Sistema Solar, en un disco protoplanetario, donde la aglutinación de granos microscópicos de hielo y polvo llevó a la formación de cuerpos llamados planetesimales, muy parecidos a los cometas y asteroides.
Posteriormente, los planetesimales formaron agregados cada vez más grandes, hasta formar los planetas rocosos (Mercurio, Venus, Tierra y Marte) y los núcleos de los planetas gigantes (Júpiter, Saturno, Urano y Neptuno). Una gran cantidad de planetesimales nunca llegaron a integrarse en cuerpos más grandes, y aquéllos que se encontraban en el espacio que ahora habitan los planetas, fueron eyectados a grandes distancias del Sol por la acción gravitacional de los planetas gigantes.
De esta manera se formaron los grandes depósitos de cometas: el cinturón de Kuiper, un grueso anillo de planetesimales que se extiende desde poco mas allá de la órbita de Neptuno hasta cientos de Unidades Astronómicas, y la nube de Oort, una distribución esférica de planetesimales situada a decenas de miles de UA del Sol.
Los denominados cometas de periodo corto (que dan la vuelta al Sol en menos de unos 200 años) se originan en la vecindad del cinturón de Kuiper. Los cometas de periodo largo, cuyas órbitas son mucho más elongadas y pueden tomarse hasta millones de años en completar una vuelta alrededor del Sol, provienen de la nube de Oort. Un habitante de dichas poblaciones de planetesimales se convierte en cometa cuando su órbita es perturbada por el encuentro cercano con alguno de sus millones de vecinos, por la acción de algún planeta cercano (en el caso del cinturon de Kuiper), o incluso por el efecto de las estrellas en la vecindad solar (en el caso de la nube de Oort).
En cualquier caso, al haber permanecido “congelados” por miles de millones de años en las afueras del sistema solar, los cometas se conservan en condiciones relativamente inalteradas desde su formación. Es por ello que se cree que encierran la clave para conocer en detalle las condiciones que imperaban en los primeros días del sistema solar.
Cuando un cometa se acerca al Sol, a un poco más allá de la órbita de Marte, el calentamiento por la luz del Sol hace que el hielo de agua y los gases congelados en su interior se evaporen, saliendo eyectados del núcleo y llevándose con ellos una gran cantidad de polvo. Los chorros de gas y polvo liberados dan lugar a la formación de una tenue atmósfera alrededor del núcleo, que brilla profusamente reflejando la luz del Sol. Se le conoce como la coma del cometa. Si bien el núcleo es una roca de menos de 50 kilómetros de diámetro, la coma puede llegar a medir más de un millón de kilómetros. ¡Más grande que Sol!
Las colas de los cometas
Generalmente en los cometas se distinguen 2 colas: la denominada de tipo I, también llamada cola iónica o cola de plasma y la cola de polvo, también llamada de tipo II. Ambas se forman cuando el material eyectado del núcleo es empujado en dirección antisolar por diferentes fuerzas.
La cola de polvo típicamente es más ancha y algo menos larga que la cola de plasma, llegando a tener una longitud de millones de kilómetros en los casos más espectaculares. Se forma por partículas de polvo eyectadas del núcleo, que han sido empujadas por la radiación solar, alejándolas de la coma. En comparación con la cola de plasma, su morfología es difusa y más homogénea. Tiene un color blanco o rosado debido a que los granos de polvo reflejan los tonos rojizos de la luz un poco mejor que los azulados. Su forma típicamente curva se debe a que la fuerza de la radiación solar sobre las partículas de polvo solo alcanza a desviarlas mientras estas siguen en órbita alrededor del Sol, de manera similar a como el viento solo puede desviar un poco la dirección de las gotas de lluvia al caer.
Como su nombre lo indica, la cola iónica está hecha principalmente de iones, partículas cargadas eléctricamente, que en este caso son moléculas eyectadas del núcleo, de las cuales se ha desprendido un electrón por efecto de la luz ultravioleta proveniente del Sol. Cuando un gas se compone principalmente de iones, se le denomina un plasma, y adquiere propiedades físicas diferentes a las de un gas de partículas neutras, como sería el aire que respiramos. El color azul de la cola de plasma, se debe a la abundancia de iones de monóxido de carbono (CO+) que “reflejan” la luz del Sol muy eficientemente en este color. La cola de plasma generalmente muestra una estructura heterogénea, con múltiples nudos y filamentos que varían en posición y tamaño todo el tiempo, lo que hace de su estudio un reto formidable.
VIENTO SOLAR
En el caso de los cometas, el plasma que se forma alrededor de la coma, principalmente moléculas de agua y de monóxido de carbono que han perdido un electrón, interacciona con el viento solar y es arrastrado hacia la cola. El viento solar es un gas de partículas cargadas, un plasma, que continuamente es eyectado del Sol y alcanza grandes velocidades, del orden de 500 kilómetros por segundo, al llegar a la Tierra. Al chocar con el plasma de un cometa, el viento solar lo arrastra hacia atrás del cometa formando la cola de manera similar a como se forma la estela de un barco cuando se mueve en el agua. Además de la cola, se forman muchas otras estructuras en el plasma alrededor del cometa, que aunque no alcanzan a verse en imágenes tomadas desde la Tierra, se han detectado por varias de las sondas espaciales que han tenido encuentros cercanos con cometas. El estudio de estas mediciones in situ, ha sido fundamental para entender la formación y evolución de las colas cometarias.
Una de las propiedades de los plasmas es que su movimiento se encuentra fuertemente acoplado al de los campos magnéticos que lo atraviesan; se dice que el campo magnético y el plasma están “congelados” uno en el otro. Es por ello que el viento solar, al ser eyectado, arrastra consigo al campo magnético del Sol. Dicho campo, al que se conoce como Campo Magnético Interplanetario, es un ingrediente importante en la interacción entre el viento solar y el plasma en los cometas. Aunque es todavía un asunto sin resolver, la mayoría de los investigadores en el campo consideran que el campo magnético es el responsable de la formación de la cola de plasma.
CONTRIBUCIÓN MEXICANA
Entre las principales contribuciones de científicos mexicanos al estudio de los cometas en los últimos años, se encuentra el trabajo del doctor Héctor Pérez-de-Tejada, del Instituto de Geofísica de la UNAM, quien ha propuesto que la formación y evolución de la cola de plasma se debe a que la turbulencia en el plasma de los cometas, detectadas por múltiples sondas espaciales, da lugar a una especie de viscosidad que acelera al plasma del cometa hacia la cola, de manera similar a como el viento arrastra a las corrientes en las capas superficiales del océano.
Recientemente, con la colaboración del doctor Pérez-de-Tejada, el autor de este trabajo ha encabezado la formación de un grupo de investigación sobre estos temas en el Instituto de Astronomía de la UNAM, en Ensenada. Con la colaboración del doctor Héctor Aceves, nuestro grupo lleva a cabo simulaciones numéricas de la formación y evolución de la cola de plasma. Con base en estos estudios, hemos encontrado que la hipótesis viscosa explica de manera natural el desprendimiento de la cola de plasma que se observa en muchos cometas. Además, con el doctor Roberto Vázquez, participante en la campaña de observaciones que se organizó en torno al encuentro de la sonda Deep Impact con el cometa Tempel 1, en los próximos meses estaremos realizando observaciones del movimiento del gas en la cola de plasma de los cometas desde el Observatorio Astronómico Nacional en la sierra de San Pedro Mártir.
