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Vapori di metalli pesanti trovati inaspettatamente nelle comete, in tutto il Sistema Solare e oltre

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Ferro e Nichel nella rarefatta atmosfera di una cometa. Nell'immagine vediamo lo spettro di luce della cometa C/2016 R2 (PANSTARRS), che vediamo sullo sfondo di questa grafica, con una sua immagine ripresa dal telescopio Speculum, dell'Osservatorio ESO di Paranal. Ogni picco chiaro nello spettro rappresenta un diverso elemento chimico, il ferro e il nichel sono evidenziati rispettivamente con una scintilla blu e arancione. Gli elementi sono stati individuati solo oggi grazie alla sensibilità dello strumento UVES, che arriva sotto ai 300nm. Le principali linee di questi due elementi si esprimono attorno ai 350nm, rendendosi visibili, anche se debolmente, proprio grazie a UVES, che può così "intitolarsi a pieno merito" la scoperta. Crediti: ESO/L. Calçada, SPECULOOS Team/E. Jehin, Manfroid et al.

«È stata una grande sorpresa rilevare gli atomi di ferro e nichel nell’atmosfera di tutte le comete che abbiamo osservato negli ultimi due decenni, circa 20, e anche in quelle lontane dal Sole in un ambiente spaziale freddo», afferma Jean Manfroid dell’Università di Liegi, Belgio, che ha condotto il nuovo studio sulle comete del Sistema Solare pubblicato il 19 maggio su Nature.

Gli astronomi sanno che i metalli pesanti esistono nell’interno polveroso e roccioso delle comete. Ma, poiché i metalli solidi di solito non “sublimano” (diventano gassosi) a basse temperature, non ci si aspettava di trovarli nell’atmosfera delle comete fredde che viaggiano lontano dal Sole. I vapori di nichel e ferro sono stati ora rilevati persino nelle comete osservate a più di 480 milioni di chilometri dal Sole, più di tre volte la distanza Terra-Sole.

L’equipe belga ha trovato ferro e nichel nell’atmosfera delle comete in quantità approssimativamente uguali. Il materiale nel nostro Sistema Solare, per esempio quello che si trova nel Sole e nei meteoriti, di solito contiene circa dieci volte più ferro che nichel. Questo nuovo risultato ha quindi implicazioni per la comprensione del Sistema Solare primitivo, ma l’equipe sta ancora decodificando quali siano.

«Le comete si sono formate circa 4,6 miliardi di anni fa, nel Sistema Solare giovanissimo, e da allora non sono cambiate. In questo senso, sono come fossili per gli astronomi», aggiunge il coautore dello studio Emmanuel Jehin, anch’egli dell’Università di Liegi.

Sebbene l’equipe belga stia studiando questi oggetti “fossili” con il VLT dell’ESO da quasi 20 anni, finora non aveva individuato la presenza di nichel e ferro nell’atmosfera. «Questa evidenza è passata inosservata per molti anni», spiega Jehin.

Qui l'immagine pulita della cometa, situata nella parte esterna del sistema solare C / 2016 R2 (PANSTARRS). Questa nuova immagine è stata catturata da un progetto basato presso l’osservatorio Paranal dell'ESO in Cile, chiamato “la ricerca di pianeti abitabili che transitano attorno a stelle ultra fredde (in inglese the Search for habitable Planets EClipsing ULtra-cOOl Stars), o SPECULOOS in breve. Le osservazioni di SPECULOOS mostrano che la coda di questa cometa cambia radicalmente in una sola notte, creando una serie dinamica di immagini. L'immagine, mostrata qui, e i fotogrammi di accompagnamento nel film time-lapse, includono osservazioni prese il 18 gennaio 2018 durante la fase di test del telescopio Callisto di SPECULOOS, sono state scattate quando la cometa era a 2,85 UA dal Sole (1 UA è la distanza Terra-Sole) e mentre viaggiava verso l'interno del Sistema Solare. Questa cometa è di particolare interesse per via dei rari composti e molecole che gli scienziati hanno rilevato nella sua chioma, monossido di carbonio e ioni azoto, che avendo righe distintive blu in emissione le hanno fatto avere l'appellativo di "cometa blu". Una cometa timida che orbita attorno al Sole solo una volta ogni 20.000 anni, il suo passaggio più recente è stato nel maggio 2018. L'immagine è stata scattata mentre il telescopio seguiva il movimento della cometa; le strisce luminose di luce sullo sfondo sono stelle lontane, ma la cometa e la sua chioma gassosa sono a fuoco, una testimonianza del potere di inseguimento di SPECULOOS. Crediti: ESO/SPECULOOS Team/E. Jehin

L’equipe ha utilizzato i dati dello strumento Ultraviolet and Visual Echelle Spectrograph (UVES) installato sul VLT dell’ESO, che utilizza una tecnica chiamata spettroscopia per analizzare le atmosfere delle comete a diverse distanze dal Sole. Questa tecnica consente agli astronomi di rivelare la composizione chimica degli oggetti cosmici: ogni elemento chimico lascia un’impronta unica – un insieme di linee – nello spettro della luce degli oggetti.

L’equipe belga aveva individuato linee spettrali deboli e non identificate nei dati UVES e, a un esame più attento, ha notato che indicavano la presenza di atomi neutri di ferro e nichel. Un motivo per cui gli elementi pesanti sono stati difficili da identificare è che sono presenti in quantità molto piccole: l’equipe stima che per ogni 100 kg di acqua nell’atmosfera delle comete ci sia solo 1 g di ferro e circa la stessa quantità di nichel.

«Di solito si trova 10 volte più ferro che nichel, mentre nelle atmosfere cometarie abbiamo trovato circa la stessa quantità di entrambi gli elementi. Siamo giunti alla conclusione che potrebbero provenire da un tipo speciale di materiale sulla superficie del nucleo della cometa, che sublima a una temperatura piuttosto bassa e rilascia ferro e nichel all’incirca nelle stesse proporzioni», spiega Damien Hutsemékers, un altro membro dell’equipe belga dell’Università di Liegi.

Sebbene il team non sia ancora sicuro di quale materiale si tratti, i progressi nel campo dell’astronomia – come l’imager e lo spettrografo ELT per il medio infrarosso (METIS) che verranno installati sull’Extremely Large Telescope (ELT) dell’ESO ora in costruzione – consentiranno ai ricercatori di confermare la fonte degli atomi di ferro e nichel trovati nell’atmosfere di queste comete.

L’equipe belga spera che il loro studio spianerà la strada a future ricerche. «Ora si cercheranno quelle righe nei dati d’archivio da altri telescopi», conclude Jehin. «Riteniamo che questo innescherà anche nuovi lavori sull’argomento».

Metalli pesanti interstellari

Un altro notevole studio pubblicato sempre il 19 maggio su Nature mostra che i metalli pesanti sono presenti anche nell’atmosfera della cometa interstellare 2I/Borisov. Un’equipe in Polonia ha osservato questo oggetto, la prima cometa aliena a visitare il nostro Sistema Solare, utilizzando lo spettrografo X-shooter sul VLT dell’ESO quando la cometa ci è passata vicino circa un anno e mezzo fa. Hanno scoperto che la fredda atmosfera di 2I/Borisov contiene nichel gassoso.

Nell'immagine viene illustrata la scoperta di nickel nell'atmosfera della cometa interstellare 2I/Borisov. Nello spettro, analogamente all'immagine precedente, sono indicate in arancione le righe dell'elemento. Sullo sfondo un'immagine reale della cometa ripresa dal Very Large Telescope (VLT) dell'ESO a fine 2019. Lo spettro è stato ripreso in questo caso dallo strumento X-shooter del Unit Telescope 2 (UT2, Kueyen) del VLT dell'ESO. Crediti: ESO/L. Calçada/O. Hainaut, P. Guzik and M. Drahus

«All’inizio abbiamo avuto difficoltà a credere che il nichel atomico potesse davvero essere presente in 2I/Borisov così lontano dal Sole. Ci sono voluti numerosi test e controlli prima che potessimo finalmente convincerci», afferma l’autore dello studio Piotr Guzik dell’Università Jagellonica in Polonia.

Lo speciale dedicato in occasione del passaggio della cometa. Clicca e leggi.

La scoperta è sorprendente perché, prima dei due studi pubblicati oggi, i gas con atomi di metalli pesanti erano stati osservati solo in ambienti caldi, come nell’atmosfera di esopianeti ultra caldi o in comete in evaporazione che passavano troppo vicino al Sole. 2I/Borisov è stata invece osservata quando si trovava a circa 300 milioni di chilometri dal Sole, circa il doppio della distanza Terra-Sole.

Studiare i corpi interstellari in dettaglio è fondamentale per la scienza perché trasportano informazioni inestimabili sui sistemi planetari alieni da cui provengono. «All’improvviso abbiamo capito che il nichel gassoso è presente nell’atmosfera delle comete in altri luoghi della galassia», afferma il coautore Michał Drahus, anche lui dell’Università Jagellonica.

Lo studio polacco e quello belga mostrano che 2I/Borisov e le comete del Sistema Solare hanno ancora più cose in comune di quanto si pensasse in precedenza. «Provate a immaginare che le comete del Sistema Solare abbiano i loro veri analoghi in altri sistemi planetari – ma quanto è bello?», conclude Drahus.

Ulteriori Informazioni

Questo studio è stato presentato in due articoli che verranno pubblicati dalla rivista Nature.

L’equipe che ha svolto lo studio “Iron and nickel atoms in cometary atmospheres even far from the Sun è composta da J. Manfroid, D. Hutsemékers & E. Jehin (STAR Institute, University of Liège, Belgio).

L’equipe che ha svolto lo studio “Gaseous atomic nickel in the coma of interstellar comet 2I/Borisov” è composta da Piotr Guzik e Michał Drahus (Astronomical Observatory, Jagiellonian University, Kraków, Polonia).


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