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Por que o cometa NEOWISE tem duas caudas?

Esta excelente composição mostra a cauda de íons azul e a cauda de poeira cinza/branca do cometa NEOWISE quando se aproxima de sua maior aproximação à Terra. A cauda de poeira é curva e difusa, enquanto a cauda de íons é reta e altamente colimada. Ambos são causados ​​por processos físicos extremamente diferentes. (DAMIAN PEACH / IAN SHARP)

Pela primeira vez em muitos anos, existe atualmente um cometa visível a olho nu no céu noturno da Terra: o cometa NEOWISE.

Pela primeira vez em muitos anos, existe atualmente um cometa visível a olho nu no céu noturno da Terra: o cometa NEOWISE. É visível para a maioria da população mundial, atualmente posicionado logo abaixo e ligeiramente a leste da concha da Ursa Maior. Se você olhar a olho nu, pode parecer uma nuvem fraca e difusa: identificável como um cometa se você souber onde procurá-lo, mas sem muitos detalhes visíveis.

Através de binóculos, um telescópio ou com fotografias de longa exposição, no entanto, um incrível conjunto de fenômenos pode ser visto de repente. O núcleo principal do cometa pode ser visto brilhando: por si só, é tão brilhante quanto as 100 principais estrelas do céu. A cauda principal do cometa pode ser vista estendendo-se por mais de 10° de distância do núcleo, larga, difusa e curva. Mas ao lado dela, estreita, reta e tênue, uma segunda cauda azulada também pode ser vista. Essas duas caudas acompanham muitos cometas, incluindo o cometa NEOWISE, e podem nos mostrar coisas que nunca poderíamos ver por nós mesmos sobre nosso Sistema Solar. Veja por que existem dois deles.

Quando um cometa se aproxima do Sol, duas caudas independentes podem ser vistas, uma cauda de poeira feita de partículas de cor cinza e uma cauda de íons que exibe um brilho azulado. Enquanto a própria cauda de poeira é sempre curva, a cauda de íons aponta apenas para longe do Sol. Embora seja rotulado como uma cauda de gás, as partículas que o compõem são todas ionizadas. (SERGEY PROKUDIN-GORSKY; ЮКАТАН / WIKIMEDIA COMMONS)

Desde antes mesmo da invenção do telescópio, os grandes cometas que agraciaram os céus da Terra mostraram esse fenômeno de duas caudas. Famosamente documentado no final dos anos 1500 por Tycho Brahe, a cauda principal e brilhante sempre parece curvar, mas uma segunda cauda, ​​não importa onde o cometa esteja localizado nos céus da Terra, sempre parece apontar perfeitamente, diretamente para longe do Sol.

Além disso, a cauda principal sempre parece ser uma cor cinza/branca: ela reflete a luz do sol razoavelmente bem em todos os comprimentos de onda. Seja qual for a cor do material de que o cometa é feito, a cauda principal também é sempre dessa cor: a mesma cor do corpo pai que dá origem à cauda. Mas a cauda secundária nunca é da mesma cor que o próprio cometa, e sim azul, fraca e sempre faz uma linha perfeitamente reta, apontando para longe do Sol em uma configuração de raio.

Esta foto de 1997 do último grande cometa da Terra, Hale-Bopp, mostra claramente a cauda de poeira curva e a cauda de íons azul mais fraca, mas muito mais reta, comum a praticamente todos os cometas. (Grupo de Imagens de Educação/Imagens Universais via Getty Images)

No final de 1600, quase um século depois, começamos a identificar alguns dos cometas como periódicos: originários do Sistema Solar externo e mantendo uma órbita elíptica muito excêntrica. De vez em quando, esses cometas passam pelo interior do Sistema Solar – alguns deles retornando depois de décadas, séculos ou milênios – e experimentam todos os tipos de mudanças quando o fazem.

Quando estão muito longe do Sol, esses corpos permanecem completamente congelados, pois a radiação do Sol é muito fraca a distâncias tão grandes para causar efeitos notáveis. Mas à medida que o cometa se aproxima cada vez mais do Sol, sua radiação se torna cada vez mais intensa. Bem na época em que um cometa mergulha na órbita de Júpiter, os gelos voláteis em sua superfície começam a aquecer e sublimar, expelindo pequenos fragmentos do cometa e criando dois efeitos:

1. um coma, ou halo, ao redor do nariz do cometa,
2. e uma cauda de poeira, onde esses pequenos fragmentos são ejetados do próprio cometa.

Como muitos cometas, o C/2014 Q2 (Lovejoy) exibiu um coma verde brilhante em sua cabeça, seguido por uma enorme cauda de poeira e uma cauda de íons muito mais estreita. Embora as caudas de poeira dos cometas geralmente pareçam curvas, é sempre uma questão de perspectiva, pois só as vemos de nossa posição particular no espaço. (JOHN VERMETTE / WIKIMEDIA COMMONS)

Mesmo que a cauda de um cometa pareça curva, só podemos vê-la em duas dimensões, não nas três completas. O que acaba acontecendo fisicamente é que a cauda sempre se curva fora a elipse que o caminho do cometa traça, e podemos entender por que se dermos uma olhada na física. Quando uma partícula de poeira é ejetada do próprio cometa, ela pode vir de uma variedade de processos.

Ele pode ser ejetado porque uma pequena fissura se forma no cometa, empurrando o material aquecido para fora. Ele pode ser ejetado porque as moléculas abaixo dele sublimam, fazendo com que ele fique livre das forças eletromagnéticas que unem o núcleo do cometa. Ou pode ser ejetado porque o calor faz com que pequenos fragmentos de cometas se separem do corpo principal. Independentemente da causa, partículas de poeira se separam do corpo principal do próprio cometa e criam uma cauda de poeira: o que normalmente identificamos como a cauda principal de um cometa.

A evolução de um cometa à medida que se aproxima, passa e sai do Sistema Solar interior. O coma de gás e a cauda de íons se formam bem antes da cauda de poeira, mas quando ela chega ao interior do Sistema Solar, a cauda de poeira domina nossa visão dela. (LABORATÓRIO DE CIÊNCIAS ATMOSFÉRICAS E ESPACIAIS/ NASA)

Uma vez que uma partícula de poeira deixa de estar ligada ao próprio núcleo cometário principal, ela começa a experimentar uma combinação de três forças:

1. a força gravitacional do Sol sobre ela,
2. a força gravitacional sobre ele do corpo principal do cometa,
3. e a força da radiação do Sol – a própria luz – sobre essas partículas de poeira.

Em cada ponto ao longo da órbita de um cometa, a poeira parece se afastar do Sol, mas a posição do cometa muda com o tempo; seu caminho é curvo. A poeira que você vê na extremidade da cauda foi emitida mais cedo na órbita do cometa do que a poeira em direção ao núcleo do cometa, e o caminho só parece curvo devido ao fato de que essas forças relativas mudam de importância com o tempo, com o movimento do cometa , e com a sua distância do Sol.

Cometa McNaught, como fotografado em 2006 de Victoria, Austrália. A cauda de poeira é branca e difusa (e curva), enquanto a cauda de íons muito mais fraca é fina, estreita, azul e aponta diretamente para longe do Sol. As propriedades específicas da cauda de poeira se devem a muitos fatores complicados envolvendo a atmosfera estendida do Sol e o vento solar. (SOERFM / WIKIMEDIA COMMONS)

Mas há uma cauda totalmente diferente e independente que se torna proeminente ainda mais cedo que a cauda de poeira: a cauda de íons azuis. Há um limiar crítico – dependente principalmente da distância do cometa ao Sol – onde a quantidade de luz solar ultravioleta que atinge o cometa se torna forte o suficiente para que ele possa começar a ionizar a molécula mais fraca à base de gelo da qual os cometas são feitos: monóxido de carbono ( CO).

Quando afirmamos que os cometas são feitos de gelos violáteis, não queremos dizer apenas gelo à base de água (H2O), mas também gelo seco (CO2 sólido), metano (CH4), amônia (NH3) e monóxido de carbono (CO ), que compõem os cinco grandes. O monóxido de carbono é o mais fácil de ionizar, e essa radiação ultravioleta cria um íon monóxido de carbono positivo (CO+), que anuncia o primeiro sinal de uma cauda cometária. Se você observar as primeiras fotos de cometas, quando eles estão a distâncias bastante grandes do Sol, essa cauda de íons azul é a única que pode ser vista.

Quando o cometa ISON estava à mesma distância do Sol que Júpiter, cerca de cinco vezes a distância Terra-Sol, havia apenas um coma e uma cauda de íons (em azul) presentes. À medida que se aproximava mais do Sol, recursos adicionais se desenvolveram, incluindo uma enorme cauda de poeira. O cometa ISON foi posteriormente destruído por seu encontro com o Sol. (NASA, ESA, J.-Y. LI (PLANETARY SCIENCE INSTITUTE) E A EQUIPE DE CIÊNCIAS DE IMAGENS HUBBLE COMET ISON)

Quando você compara essas duas caudas diferentes uma com a outra - a cauda de poeira e a cauda de íons - a cor é apenas uma das muitas diferenças. Uma discrepância notável entre os dois é a largura da cauda. A cauda de poeira é extremamente difusa, ocupando uma área muito grande no céu e um volume ainda maior no espaço. Por outro lado, a cauda do íon é sempre estreita, independentemente da distância do cometa do Sol.

Por que é que?

Quando um cometa emite grãos de poeira, esses grãos vêm em uma ampla variedade de tamanhos. Como resultado, embora a aceleração gravitacional em cada grão seja a mesma, a quantidade de pressão que recebem da radiação solar varia muito, com grãos menores desproporcionalmente afetados pela luz solar em comparação com os maiores. Com íons, por outro lado, eles são simplesmente moléculas únicas ou até mesmo elétrons livres com a mesma massa um do outro. Como resultado, as forças em cada partícula de íon são idênticas, então todas seguem o mesmo caminho.

Capturada por Patrick Knaup na Alemanha, esta imagem do cometa NEOWISE ilustra sua grande e brilhante cauda de poeira e a cauda de íons mais fraca e estreita ao lado dele. A olho nu, apenas a cauda de poeira é claramente visível, mas binóculos, um telescópio ou fotografia de longa exposição também podem revelar os detalhes da cauda de íons. (PATRICK KNAUP)

A maior causa de propagação na cauda iônica é devido ao fato de que o coma do cometa, feito de uma mistura de gás, poeira e íons, é difuso, e o próprio Sol é uma esfera e não uma fonte pontual verdadeira. A luz solar que interage com o coma libera material em uma forma levemente cônica, levando a uma cauda com um ângulo de abertura pequeno, mas não desprezível. A cauda de poeira, por outro lado, se difunde descontroladamente, em grande parte devido aos grãos serem de vários tamanhos e se moverem em uma variedade de velocidades.

Mas há ainda mais na história, quando você percebe que a cauda de íons, apesar de ser criada em vários pontos ao longo da órbita do cometa, não é curvada. Por que a cauda de íons seria perfeitamente reta enquanto a cauda de poeira é curva? Mesmo que todos os grãos de poeira fossem de alguma forma do mesmo tamanho e massa exatos uns dos outros, as forças que atuam na cauda de poeira ainda fariam com que ela mostrasse uma curva. No entanto, de alguma forma, a cauda do íon nunca se curva: um fenômeno observado por Brahe há mais de 400 anos.

Embora a cauda de poeira cinza/branca nunca pareça perfeitamente reta, a cauda de íons sempre aparece, pois a esteira magnética criada atrás de um cometa sempre aponta diretamente para longe do Sol devido à interação de várias partículas carregadas, o vento solar e o campo magnético do Sol. campo. A cauda iônica é fraca, mas ainda presente. (LIEM BAHNEMAN)

A razão pela qual a cauda do íon é reta, neste caso, é precisamente porque são partículas carregadas. O próprio Sol pode ser incrivelmente massivo, mas também possui propriedades eletromagnéticas que podem – particularmente para partículas carregadas – dominar seus efeitos gravitacionais. Em particular, o Sol não é apenas uma bola de gás e plasma confinada a uma região do espaço de cerca de 700.000 quilômetros de raio no centro do nosso Sistema Solar.

Em vez disso, tem uma atmosfera grande e estendida que atinge todo o Sistema Solar, povoada por partículas de vento solar, serpentinas coronais e um campo magnético de grande escala. Em um sentido muito real, a própria Terra reside na atmosfera externa do Sol, assim como os cometas que passam pelo nosso Sistema Solar.

As partículas ionizadas do cometa, em movimento, formam um plasma que cria uma magnetosfera ao redor do cometa, que por sua vez interage com o vento solar: partículas carregadas sendo emitidas pelo Sol. Uma combinação de íons cometários e solares seguindo essas linhas de campo magnético é responsável pelas características observadas na cauda de íons azuis: um caso espetacular de concordância entre simulações e observações.

Esta animação retrata um cometa à medida que se aproxima do sistema solar interno. À medida que o cometa se aproxima do Sol, o núcleo aquece e cria um coma, que se ioniza e cria um plasma, que interage com o campo magnético do Sol e com o vento solar. Isso cria a cauda de íons azul e reta; a cauda de poeira só chega depois. (NASA/JPL-CALTECH)

Em 23 de julho de 2020, o cometa NEOWISE fará sua maior aproximação do planeta Terra, onde aparecerá logo abaixo da concha da Ursa Maior para todos os observadores nas latitudes norte e equatorial. Uma vez que o Sol mergulha o suficiente abaixo do horizonte para que o céu escureça o suficiente, mais observadores do que nunca poderão vê-lo. Embora já tenhamos ultrapassado o pico de brilho do cometa, ele permanecerá altamente visível até o final do mês, parecendo particularmente espetacular em vistas fotográficas binoculares, telescópicas e de longa exposição.

Mas uma característica a ser procurada é a presença dessas duas caudas muito diferentes: a cauda de poeira, que parece brilhante, cinza/branca, larga e curva, bem como a cauda de íons, que parece comparativamente fraca, azul, estreita e reta. A cauda de poeira é feita de pequenos fragmentos do próprio cometa, com uma ampla variedade de tamanhos e massas de grãos, enquanto a cauda de íons é feita apenas de partículas de massa extremamente baixa, traçando o campo magnético combinado criado pelo Sol e pelo cometa. junto. É o melhor cometa para enfeitar nosso céu noturno em mais de uma década, e o restante deste mês é sua melhor chance de experimentá-lo por si mesmo.

Começa com um estrondo é agora na Forbes , e republicado no Medium com um atraso de 7 dias. Ethan é autor de dois livros, Além da Galáxia , e Treknology: A ciência de Star Trek de Tricorders a Warp Drive .

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