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IMPACTO PROFUNDO
A PRIMEIRA ESPIADA NO INTERIOR DE UM COMETA
http://deepimpact.jpl.nasa.gov/index.html
“Por
“Por milhares
milhares dos
dos anos,
anos, aa humanidade
humanidade
considerou
considerou os
os cometas
cometas como
como porta-vozes
porta-vozes de
de
manifestações
manifestações demoníacas.
demoníacas. Somente
Somente nos
nos últimos
últimos
séculos,
séculos, com
com aa invenção
invenção do
do telescópio
telescópio ee do
do espectroscópio,
espectroscópio,
os
os astrônomos
astrônomos puderam
puderam mostrar
mostrar que
que os
os cometas
cometas são
são
essencialmente
essencialmente imensos
imensos blocos
blocos de
de gelo
gelo ee poeira.
poeira. Mas
Mas nossa
nossa
compreensão
compreensão dos
dos cometas
cometas foi
foi limitada
limitada por
por nossa
nossa inabilidade
inabilidade
em
em recolher
recolher amostras
amostras materiais.
materiais. O
O Impacto
Impacto Profundo
Profundo
implicará
implicará num
num avanço
avanço dramático
dramático de
de nossa
nossa compreensão
compreensão sobre
sobre
os
os cometas,
cometas, através
através da
da primeira
primeira experiência
experiência em
em observar
observar
diretamente
diretamente oo interior
interior de
de um
um cometa.”
cometa.”
ENOS PICAZZIO
IAG - Jun/2005
Os cometas são resíduos de material que formou o Sistema Solar. Eles são os
fósseis que os astrônomos usam para precisar os conhecimentos e delimitar
os modelos de formação do Sistema Solar.
A comparação direta da composição química dos cometas e do material do
meio insterestelar, de onde se originou o Sol e os demais objetos que o
circundam, não leva à conclusão definitiva porque no processo de formação
as condições iniciais foram alteradas, o meio tornou-se mais quente e denso,
colisões eram frequentes. Isto modificou parcialmente o material primitivo.
É necessário considerar essas alterações, e isso pode ser feito se
conhecermos bem a constituição atual dos objetos, em particular a dos
cometas.
Antes de focarmos nossa atenção aos cometas, vamos lembrar alguns fatos
que marcaram a formação do Sistema Solar, partindo da contração da nuvem
primordial.
EP-IAG-06-2005
Formação de sistema planetário
O modelo que explica melhor os fatos é o da contração nebular
Proposto por: - René Descartes (1644)
Aperfeiçoado por: - Immanuel Kant (1775) e
- Pierre-Simon de Laplace (1796)
Os melhoramentos mais significativos surgiram apenas neste século.
http://epswww.unm.edu/facstaff/zsharp/103/lecture%203%20origin%20of%20universe.htm
EP-IAG-06-2005
Formação de sistema planetário
Sequência de formação do Sistema
Solar, a partir do colapso da Nebulosa
Solar Primordial.
O colapso induz a rotação, que provoca
o achamento.
No centro vai sendo formado o ProtoSol (ainda não é uma estrela).
No seu plano equatorial forma-se um disco de matéria, dele
surgirão planetas e demais corpos.
É nesse plano básico que se localiza a eclíptica. A quase
totalidade dos corpos do Sistema Solar têm órbitas próximas a
esse plano.
A ROTAÇÃO DA NUVEM PRIMITIVA É CONDIÇÃO
NECESSÁRIA PARA FORMAÇÃO DE DISCO
EP-IAG-06-2005
Formação de sistema planetário
Modelo
Modelo de
de Acreção
Acreção
Os
Os grãos
grãos de
de poeira
poeira do
do disco
disco acumulam-se
acumulam-se em
em
planetésimos.
planetésimos. Acumulando
Acumulando massa
massa continuacontinuamente,
mente, estes
estes crescem
crescem formando
formando corpos
corpos maiores:
maiores:
os
os embriões
embriões planetários.
planetários.
Os
Os planetas
planetas gasosos
gasosos acumulam
acumulam envelopes
envelopes de
de
gás
gás antes
antes deste
deste desaparecer
desaparecer do
do disco.
disco.
Modelo
Modelo de
de Colapso
Colapso Gasoso
Gasoso
Instabilidades
Instabilidades gravitacionais
gravitacionais no
no disco
disco formam
formam
glóbulos
glóbulos de
de gás
gás que
que se
se tornam
tornam planetas
planetas por
por
auto-gravitação.
auto-gravitação.
Grãos
Grãos de
de poeira
poeira coagulam
coagulam ee sedimentam
sedimentam no
no
centro
centro do
do protoplaneta,
protoplaneta, formando
formando um
um núcleo.
núcleo.
O
O planeta
planeta abre
abre uma
uma lacuna
lacuna no
no disco
disco enquanto
enquanto
Planetésimos
Planetésimos ee embriões
embriões remanescentes
remanescentes são
são
acumula
acumula massa.
massa.
incorporados
incorporados aos
aos planetas,
planetas, ou
ou por
por eles
eles
espalhados.
espalhados.
Video Credit: NASA, L. Barranger, and A. Feild (STScl)
EP-IAG-06-2005
Formação de sistema planetário
Nebulosa
Nebulosa primordial
primordial
Acreção
Acreção
Disco
Disco de
de acreção
acreção
http://www.lpi.usra.edu/science/hahn/public/planet_formation/planet_formation/
EP-IAG-06-2005
Formação de sistema planetário
A colisão é fundamental para o processo de acreção
(aglutinação de matéria por atração gravitacional). Ela surge
da diversidade das órbitas. Nos pontos de aproximação a
atração gravitacional modifica as trajetórias e leva à
dispersão orbital, que pode acabar em choque entre objetos.
EP-IAG-06-2005
Sequência de Condensação
No início o material
nebular é distribuído
uniformemente na
nuvem.
No centro da
nuvem a matéria é
gradativamente
comprimida e
aquecida:
nasce o proto-Sol.
Os elementos mais voláteis são “soprados” da
região central, concentrando-se nas regiões mais
frias. Aqui formaram-se os planetas jovianos e
os cometas. (Adaptado de Robbins, Jefferys, Shawl,
Discovering Astronomy, Wiley & Sons Inc., 1995, pág.113)
Espécies químicas voláteis sobreviveriam apenas
na região dos planetas gigantes e adiante dela.
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Cenário provável
CAI = inclusões de cálcio
www.sigmaxi.org/amsci/articles/ 01articles/nuthcap7.html
EP-IAG-06-2005
Cenário provável
S. Charnley
EP-IAG-06-2005
Estrutura do Sistema Solar
& Origem dos cometas
Nuvem de Oort: a densidade de
matéria era elevada para formar
cometas, na escala de tempo
equivalente à idade
do Sistema Solar?
EP-IAG-06-2005
Estrutura do Sistema Solar
& Origem dos cometas
Nuvem de Oort: a densidade de
matéria era elevada para formar
cometas, na escala de tempo
equivalente à idade
do Sistema Solar?
Não? Então os cometas
podem ter sido formados na região
entre Júpiter e Netuno, e
espalhados para a Nuvem de Oort
EP-IAG-06-2005
Discos planetários:
um fenômeno comum
A Nebulosa de Órion é um cenário típico de
nascimento de estrelas e sistemas planetários.
http://csep10.phys.utk.edu/astr161/lect/solarsys/orionsys_hst.gif
EP-IAG-06-2005
Os cometas no cenário cósmico
Os cometas são os remanescentes do material formado
nas regiões mais frias do SS.
Quedas na Terra foram fundamentais para
enriquecimento com materiais voláteis, sobretudo água.
Certamente, tb
C/1975 V1 (West)
compostos orgânicos.
E eles se aproximam
da Terra!
C/ 1995 O1 (Hale-Bopp)
C/2001 A2 (Liner)
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Anatomia de um cometa
Deep Impact
Cauda de poeira: composta de
poeira fina, expelida do núcleo
juntamente com o gás
Nuvem de hidrogênio: envelope
gasoso de baixíssima, com milhões
de km de diâmetro, centrado no
núcleo
Cauda iônica: composta de
plasma, entrelaçada com raios e
estrias causadas pela interação
com o vento solar
Crosta: camada mais externa do núcleo.
Processada pela volatilização.
Manto: camada mais densa que a crosta.
Caroço: material primitivo, inalterado.
Não sabemos qual a natureza deles, ou
mesmo se existem.
Coma: atmosfera composta de H2O, CO2 e outros gases
neutros sublimados do núcleo
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Espectro
C/2000 WM1 (LINEAR)
Espécies: C2, C3, CO, CH, CN, NH2, C2-, H2O+, CH+, CO+
Picazzio, de Almeida, Andrievskii, Churyumov, Lukyanyk: Proceedings ACM2002, ESA-SP,IAG-06-2005
2002
Espectro
ESPECTRO DE EMISSÃO NO INFRAVERMELHO
Comet Halley (Icarus, 76 404 1988).
Deep Impact obterá imagens entre 1,0 e 4,8 microns.
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Espectro
ESPECTRO DE EMISSÃO EM RADIO
EP-IAG-06-2005
Composição química
COMPOSIÇÃO QUÍMICA DOS COMETAS
Abundâncias relativas à agua
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Deep Impact
Onde está o material primitivo?
Acredita-se que as camadas superficiais do núcleo sejam altamente evoluídas. Sucessivas
passagens periélicas podem levar à perda significativa de gelo.
Núcleo é poroso?
Então pode ocorrer mudanças significativas no gelo
Prialnik & Mekler (1991), Benkhoff & Huebner (1995), Klinger (1996):
efeitos evolucionários são importantes nas camadas mais profundas:
• Estes modelos discordam na profundidade dos efeitos evolucionários
• Predizem gradientes de densidade opostos
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O cometa Tempel 1
Ernst Wilhelm Leberecht Tempel
Astrônomo alemão. Trabalhou em
Marselha até 1870 (início da
guerra Franco-Prussiana), quando
mudou-se para a Itália.
Participou da descoberta de
21 cometas
(1821-1889)
Tamanho: 4 x 14 km ?
Massa: 0,1 – 2,5 x 1014 kg
Rotação: 1,71 dia
Forma: bola de futebol americano?
Período: ~ 5,6 anos
Atual (2005; 1,51 UA; 5,55 anos)
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Por que o Tempel 1?
Ideal
Ideal para
para as
as condições
condições do
do projeto:
projeto: janela
janela de
de 22 anos;
anos;
Grande
Grande oo suficiente
suficiente para
para sustentar
sustentar oo impacto;
impacto;
Rotação
Rotação lenta
lenta (facilita
(facilita estratégia
estratégia de
de impacto,
impacto,
ee cratera
cratera éé mantida
mantida no
no campo
campo de
de visão
visão da
da sonda);
sonda);
Sua
Sua trajetória
trajetória permite
permite encontro
encontro em
em alta
alta velocidade
velocidade ee
aproximação
aproximação da
da sonda
sonda pelo
pelo lado
lado iluminado,
iluminado, que
que facilita
facilita aa
observação
observação do
do impacto
impacto daqui
daqui da
da Terra;
Terra;
Se
Se oo lançamento
lançamento fosse
fosse em
em outra
outra época,
época,
outro
outro cometa
cometa seria
seria escolhido.
escolhido.
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Missões cometárias
1P/Halley
[Giotto 1985]
1a. observação por
sonda espacial
(danificada pela poeira).
Período ~75 a.;
19P/Borrelly
[Deep Space 1 1999]
visita asteróide 9969 Braille,
tipo Vesta, um dos maiores
do cinturão e que
aproxima-se da Terra.
1a. observação espacial com alta
resolução
Período ~6,7 a
16 x 8 x 8 km
8 x 4 km
Cometa 9P/Tempel 1 [Deep Impact 2005]:
1a. exploração de composição do núcleo
Impacto:
4/7/2004
Período:
~ 5,5 a.
Tamanho:
4 x 14 km ?
81P/Wild 2
[Stardust 1999]
1a. coleta de material da coma e
melhor imagem (jan/2004).
Cápsula com material será
recuperada em jan/2006.
Cometa
NOVO,
capturado
por Júpiter
em 1974
Período ~ 6,4 a
5 km
Cometa 67P/Churyumov-Gerasimenko
[Rosetta 2004 – 2015]
1o. registro in loco
da atividade
Pouso em nov/2014.
Registro até dez/2015.
Período ~6,6 a.
Tamanho: 4 km
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Objetivos desta missão
Objetivo Primordial:
melhorar nosso conhecimento sobre a formação do Sistema Solar (SS),
estudando em detalhe a composição do núcleo cometário. Vasculhando seu
interior, espera-se chegar mais próximo do material primitivo que deve
refletir a composição química que o SS tinha, época da sua formação.
Objetivos Específicos:
• Atingir o cometa Tempel 1 com um projétil (*)
• Observar o processo de formação da cratera
• Medir diâmetro e profundidade da cratera
• Verificar a composição do interior da cratera e os jatos decorrentes do
impacto
• Verificar como o degasamento do cometa se comporta após o impacto
(*) Encontro previsto para 04/7/2005, às 2h 52m, horário de Brasília
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Instrumentos
MRI – instrumento de resolução média
HRI – instrumento de resolução alta
HGA – antena de alto ganho
EP-IAG-06-2005
Instrumentos
TELESCÓPIOS
Diâmetro (cm)
Distância focal (m)
VISÍVEL
Formato
Escala projetada no cometa (m/pixel)
INFRAVERMELHO
Formato
Tamanho do pixel (micron)
Espectro Intervalo espectral
λ/dλ mínimo
Metas do módulo de vôo:
1. Remeter o impactor contra o núcleo, com energia suficiente p/ fazer uma
cratera mais profunda que 20 m;
2. Observar o núcleo por pelo menos 10 minutos após o impacto;
3. Imagear o impacto, a formação da cratera e seu interior;
4. Obter o espectro do núcleo e do interior da cratera.
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Instrumentos
Massa: 370 kg
Diâmetro: 1 m
Velocidade: ~10,2 km/s
Energia cinética:
1,9x1010 Joules
(4,8 ton de TNT)
I MPACT OR
Acertar o alvo é o maior
desafio
viajando a 10 km/s, tem que
acertar um alvo de 6 km de
área a 864.000 km de
distância.
Para isso usa o Sensor ITS,
um rastreador de estrela. É
uma duplicata do MRI, sem
filtros, que será utilizado
como imageador do cometa
até ser destruído pela poeira.
EP-IAG-06-2005
Impactor
O módulo terá cerca de 13
minutos para fotografar a colisão
e tirar espectro, antes de ser
bombardeado pelo jato.
A instrumentação será destruída
pela poeira.
A simulação do encontro está aqui
SIMULAÇÃO DO MÓDULO IMPACTOR EM RITMO DE COLISÃO
COM O COMETA
COMETA TEMPEL 1 [NASA/JPL]
NASA/JPL]
A colisão entre o
impactor e o cometa
equivaleria à colisão
entre uma mosca e
um avião Boing 767.
O impacto não deve
causar alterações
perceptíveis na órbita
do Tempel 1
(Don Yeomans, JPL)
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A cratera
Dimensões esperadas: 100 m de diâmetro e 25 m de profundidade
O que sabemos sobre formação de crateras?
Mecanismo é bem conhecido: tamanho, profundidade e forma da cratera,
velocidade do impacto, natureza do alvo e do projétil, são gradezas
correlacionadas.
Experimentos revelam que em regime de hipervelocidade (kms/s) o ângulo de
ejeção depende da porosidade ao alvo: maior a porosidade, maior ângulo da
trajetória (relativamente à superfície).
O que objetiva o impacto?
• Observar como se forma a cratera
• Medir profundidade e diâmetro
• Medir composição do interior e
dos jatos
• Determinar as mudanças no
regime de degasamento,
decorrentes do impacto
• Os 1os jatos refletem material das camadas superfícias, e atingem
distâncias maiores na superfície do cometa.
• Qto. mais tardios os jatos, mais profundas as regiões de origem e
menores as distâncias percorridas na superfície.
• A análise comparativa do jatos poderá desvendar a estrutura interna do
núcleo.
EP-IAG-06-2005
A cratera
D im ensões esperadas:100 m de diâm etro e 25 m de profundidade
O que sabemos sobre formação de crateras?
Mecanismo é bem conhecido: tamanho, profundidade e forma da cratera,
velocidade do impacto, natureza do alvo e do projétil, são gradezas
correlacionadas.
Experimentos revelam que em regime de hipervelocidade (kms/s) o ângulo de
ejeção depende da porosidade ao alvo: maior a porosidade, maior ângulo da
trajetória (relativamente à superfície).
A observação dos jatos permitirá determinar a
massa do cometa com precisão. Daí a densidade.
F = ma
F=G
mM
ma = G
mM
r
2
⇒
M=
ar
2
G
2 material das camadas superfícias, e atingem
• Os 1os jatos refletem
r
distâncias maiores na superfície do cometa.
• Qto. mais tardios
os jatos,
profundas as regiões de origem e
M – massa
do mais
cometa
menores as m
distâncias
– massapercorridas
do bloco na superfície.
r – distância
do bloco
ao centro
do cometa
• A análise comparativa
do jatos
poderá
desvendar
a estrutura interna do
a – aceleração do bloco
núcleo.
EP-IAG-06-2005
Resumo:
Certezas & Incertezas
Fatos
Questões
Cometas guardam material primordial que
formou o SS
O que existe abaixo das camadas superfíciais
(evoluídas)?
Cometa pode tornar-se dormente
(hibernação)
O gelo foi exaurido? ou
a sublimação é que foi inibida?
Deve haver muito cometas dormentes,
confundidos com asteróides
Como distinguí-los?
Conhecemos melhor os detalhes químicos
e físicos dos cometas que de outros corpos
pequenos
A abundância de gases na coma é usada
para deduzir características do gelo no
disco protoplanetário
Como usar esses detalhes para confinar nosso
modelos para cometas?
Os cometas se quebram quando
submetidos a esforços pequenos
Qual a relação entre a variação da dureza do
material e o tamanho?
Qual a relação entre essas abundâncias da
coma e aquelas do núcleo?
EP-IAG-06-2005
Resumo
Gelo: perdido ou selado no interior?
É possível que boa parte dos NEAs (Near Earth Asteroids) sejam cometas
dormentes ou extintos.
cometa dormente: gelo ainda está presente mas não pode escapar
cometa extinto: gelo totalmente exaurido
Como distinguí-los? Ainda não sabemos se:
[1] o desenvolvimento de um manto obstrui a sublimação e aprisiona gelo no
interior, ou
[2] o manto permanece suficientemente poroso para que o gelo possa sublimar
e escapar.
O impacto poderá desvendar !
A exposição do fundo da cratera reativa o cometa?
¬ SIM ⇒ Dormente
¬ NÃO ⇒ Extinto
EP-IAG-06-2005
Este seminário de Iniciação Científica foi apresentado no IAG em
13/6/2005. A maior parte do material foi retirada da página
oficial da Missão Deep Impact.
Vídeos e Animações: http://deepimpact.jpl.nasa.gov/gallery/animation.html
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