La cometa 67P/Churyumov-Gerasimenko, visto da vicino. Credito:ESA/Rosetta/NavCam, CC BY-SA
Non siamo abituati a considerare la polvere un materiale prezioso, a meno che non provenga dallo spazio. E più precisamente, dalla cometa 67P/Churyumov-Gerasimenko. Un'analisi della sua polvere ha fornito preziose informazioni su questo oggetto celeste, e, più generalmente, sulla storia del sistema solare.
Utilizzando lo strumento COSIMA a bordo della sonda spaziale europea Rosetta, un team scientifico ha esaminato la cometa 67P/Churyumov-Gerasimenko (67P) in grande dettaglio da agosto 2014 a settembre 2016. Erano interessati alle particelle di polvere espulse dal nucleo della cometa e catturate dal veicolo spaziale, e COSIMA hanno permesso di studiarne la composizione. I risultati della loro ricerca sono stati pubblicati nel dicembre 2017 dalla Royal Astronomical Society.
Lo studio indica che, in media, metà della massa di ciascuna particella di polvere è costituita da materiale carbonioso a struttura prevalentemente organica macromolecolare; l'altra metà essendo composta principalmente da minerali di silicato non idratati. In che modo questo risultato è importante o interessante? Cosa implica? Era previsto dagli scienziati o è una rottura totale delle teorie preesistenti?
Grazie a Rosetta e ai suoi strumenti, siamo stati in grado di avere un'idea migliore di cosa sia composto 67P. Ciò è particolarmente vero per i gas nella sua atmosfera, grazie allo strumento ROSINA. Durante il viaggio della cometa intorno al sole, rilascia continuamente gas e polveri che formano un debole alone. Questo fenomeno è spiegato dalla sublimazione dei ghiacci che sono incorporati nel nucleo della cometa:cambiano direttamente dallo stato solido allo stato gassoso. Quando il gas fuoriesce nell'atmosfera della cometa, porta con sé piccole particelle di polvere. ROSINA ha caratterizzato e quantificato i gas:è fatto di vapore acqueo, diossido di carbonio, monossido di carbonio, ossigeno molecolare e una moltitudine di piccole molecole organiche costituite principalmente da carbonio, idrogeno, atomi di azoto e ossigeno.
Altri strumenti, come le telecamere di bordo e lo spettrometro per immagini VIRTIS, studiato la superficie di 67P. Le sue strutture sono complesse:scogliere, difetti, frane, pozzi e altro ancora. Ma soprattutto, la superficie della cometa è molto scura e ha poco ghiaccio. Il fatto che sia così buio è probabilmente dovuto ad un alto contenuto di carbonio organico. Dato che i ghiacci e i gas rappresentano solo una piccola frazione della materia cometaria totale, i ricercatori si affidano, tra l'altro, l'analisi dei granelli di polvere rilasciati dalla cometa per saperne di più sulla composizione del nucleo della cometa. Questa polvere è rappresentativa della composizione non volatile della cometa, e lo studio delle caratteristiche chimiche della polvere rifletterà quelle del nucleo della cometa.
Sulla sinistra, la superficie del nucleo cometario vista dalla sonda Rosetta. Il ghiaccio condensato sotto la superficie sublima dalle profondità della cometa quando si riscalda quando la cometa si avvicina al Sole. Il gas che fuoriesce trascina piccole particelle di polvere che possono essere raccolte e analizzate dagli strumenti della sonda Rosetta. Sulla destra, un bersaglio di raccolta (1 cm x 1 cm) dello strumento COSIMA che mostra minuscoli frammenti del nucleo, fino a un millimetro di dimensione, che lo hanno influenzato. Tutte queste particelle di polvere sono costituite da una miscela intima di 50/50 (in massa) di minerali silicati e materiale organico. Credito:sinistra, ESA/Rosetta/MPS per il Team OSIRIS; Giusto, ESA/Rosetta/MPS per il team COSIMA., CC BY
35, 000 particelle raccolte
Lo strumento COSIMA è una sorta di mini-laboratorio fisico-chimico, la cui funzione era quella di raccogliere le particelle di polvere rilasciate dalla cometa 67P, immaginarli e quindi misurare le loro caratteristiche chimiche utilizzando un metodo di analisi della superficie chiamato "spettrometria di massa di ioni secondari a tempo di volo" (TOF-SIMS). Durante i due anni trascorsi in orbita intorno alla cometa, la raccolta dei dati ha avuto più successo di quanto sperato dai ricercatori e dagli ingegneri che hanno progettato lo strumento circa 20 anni fa. Infatti, COSIMA ha raccolto più di 35, 000 particelle con un diametro fino a 1 millimetro. Ci aspettavamo molti meno granelli di polvere e infinitamente più piccoli.
L'analisi e l'interpretazione scientifica delle misurazioni spettrometriche di massa effettuate su una frazione delle particelle raccolte (circa 250) è stata lunga e impegnativa. L'ultra porosità della polvere, raccolti quasi intatti dopo l'espulsione dalla superficie della cometa, ha pochi analoghi nei nostri laboratori e la padronanza della tecnica TOF-SIMS, già complicato in laboratorio, si era rivelato quasi eroico quando condotto a distanza nello spazio.
Da queste misurazioni, è stato possibile dedurre i principali elementi costitutivi delle particelle di polvere (ossigeno, carbonio, silicio, ferro da stiro, magnesio, sodio, azoto, alluminio, calcio…), nonché alcune informazioni sulla natura chimica di alcuni componenti. Da questi dati, il team ha mostrato che ogni particella di polvere (dimensioni comprese tra ~0,05 e 1 mm di diametro) conteneva, in media, circa il 50% in massa di materiale organico carbonioso. Questo materiale era principalmente macromolecolare, nel senso che era costituito da grandi strutture assemblate in modo totalmente disordinato e complesso; l'altra metà della massa è composta principalmente da minerali silicati non idratati.
Secondo le misurazioni, questa composizione della polvere è indipendente dalla data di raccolta delle particelle. In altre parole, in media, non c'è differenza di composizione tra la polvere espulsa dalla cometa prima, durante o dopo il suo perielio, che è quando, nell'agosto 2015, 67P ha fatto il suo avvicinamento più vicino al sole e dove la sua attività è stata più intensa. Anche la composizione della polvere cometaria non dipende dalle loro dimensioni o morfologia:"aggregati lanuginosi" o più "grani compatti". Le particelle analizzate sono piccoli frammenti del nucleo, provenienti dalla sua superficie e da pozzi che sprofondano nelle profondità della cometa. Perciò, la composizione media determinata da COSIMA molto probabilmente riflette la composizione complessiva priva di volatili del nucleo di 67P. La maggior parte della materia cometaria è quindi formata da questa intima miscela di 50-50 in peso di minerali e materiale carbonioso solido.
A sinistra:la composizione elementare media delle particelle di polvere della cometa 67P. A destra:la distribuzione di massa media di minerali e materiale organico nella polvere. Crediti:ESA/Rosetta/MPS per il team COSIMA
Un materiale primitivo
Questi risultati, così come quelli ottenuti 30 anni fa durante il sorvolo della cometa Halley dalle sonde Giotto e Vega, dimostrare che le comete sono tra gli oggetti del sistema solare più ricchi di carbonio. Gli esperti lo sospettavano, ma questa è finalmente una prova sperimentale diretta. L'alto valore del rapporto di abbondanza tra carbonio e silicio misurato da COSIMA è molto vicino al rapporto di abbondanza di questi elementi misurato nella fotosfera solare. Inoltre, i silicati contenuti nella polvere 67P non mostrano evidenti segni di alterazione da parte dell'acqua liquida. Queste due osservazioni sono una prova importante del carattere primitivo di questa sostanza cometaria. Significa che questo materiale è stato appena modificato dalla formazione della cometa, a differenza della maggior parte degli altri oggetti del sistema solare. Studiarlo ci riporta all'inizio del sistema solare, quasi 4,5 miliardi di anni fa.
Le misure COSIMA, combinato con le osservazioni degli altri strumenti Rosetta, indicano che la maggior parte del materiale carbonioso cometario non si trova nei ghiacci e nei gas, ma in polvere, in questa forma macromolecolare non volatile. Questo risultato è in linea con le analisi di laboratorio di altri materiali extraterrestri che sono stati raccolti sulla Terra:meteoriti, micrometeoriti e particelle di polvere interplanetaria. Con questi, però, l'oggetto originale da cui provenivano questi materiali è raramente noto. E soprattutto, il riscaldamento durante l'ingresso in atmosfera altera e modifica, almeno in parte, loro componenti carboniose.
Le misurazioni in situ di COSIMA e la sua raccolta di polvere a basse velocità (pochi metri al secondo, il ritmo di chi fa jogging) hanno permesso di preservare totalmente l'informazione chimica. Così, it is possible to say today that if comets like 67P played a role in the appearance of life on Earth, especially by bringing carbon-rich material, it would have been this complex macromolecular component that dominated what was delivered.
Questo articolo è stato originariamente pubblicato su The Conversation. Leggi l'articolo originale.