La Cometa 21P/Giacobini-Zinner ci svela il suo luogo di nascita nel primo sistema solare


Fig. 1: La cometa 21P/Giacobini-Zinner osservata il 22 agosto 2018.

Un team di astronomi dell’Osservatorio Astronomico di Koyama dell’Università Sangyo di Kyoto e del Telescopio Subaru dell’Osservatorio Astronomico Nazionale del Giappone ha scoperto che la cometa 21P/Giacobini-Zinner si è impoverita nell’abbondanza di CO2 rispetto all’acqua confrontandola con altre comete e utilizzando lo spettrografo ad alta dispersione (HDS) sul telescopio Subaru durante l’apparizione della cometa nel 2018. Questo risultato indica che la cometa si è formata in una regione più calda della nebulosa solare rispetto ad altre comete osservate. Questo è coerente con il risultato precedente del Subaru Telescope, che ha dimostrato che la cometa è ricca di molecole organiche complesse che potrebbero formarsi in condizioni di calore.


Circa 4,6 miliardi di anni fa, sono nate le comete nella nebulosa proto-solare che circonda il Sole, che è una nube a forma di disco contenente gas e polvere. Le comete dovrebbero essersi formate in una regione a bassa temperatura nella nebulosa solare dove l’acqua, il principale componente del ghiaccio nei nuclei cometari, può congelare. Pertanto, molte comete 1.

Da studi precedenti, la cometa 21P/Giacobini-Zinner è famosa per essere una cometa particolare per quanto riguarda la sua composizione di grani, gas e polveri. Si è scoperto che la cometa comprende abbondanti composti organici complessi rispetto ad altre comete sulla base dei dati rilevati dal Subaru Telescope (riportati da un team di astronomi dell’Institute of Space and Astronautical Science, Japan Aerospace Exploration Agency (ISAS/JAXA), Kyoto Sangyo University, National Astronomical Observatory of Japan, e Okayama University of Science).

Perché la Cometa 21P/Giacobini-Zinner è ricca di sostanze organiche complesse, a differenza delle altre comete?

È probabile che si formino molecole organiche complesse in ambienti relativamente caldi. Quindi, il team si è trovato di fronte alla domanda

“la cometa si è formata in un ambiente caldo nella nebulosa solare?”

Così un team di astronomi della Kyoto Sangyo University e del Subaru Telescope ha condotto osservazioni spettroscopiche ottiche ad alta risoluzione della cometa 21P/Giacobini-Zinner utilizzando lo spettrografo ad alta dispersione (HDS) in tre epoche: UT 5 settembre 9 e 3 ottobre 2018. Si sono concentrate sull’abbondanza di anidride carbonica (CO2) rispetto all’acqua (H2O) perché la CO2, che è la seconda (o terza) specie più abbondante nei ghiacci cometari dopo l’H2O, sublima a temperature molto più basse (-200℃ o superiore nel vuoto dello spazio) rispetto all’H2O (-120℃ o superiore).

Sebbene la CO2 sia una componente importante dell’atmosfera terrestre e un telescopio spaziale sia indispensabile per osservare direttamente le emissioni di CO2 delle comete, non erano in funzione telescopi spaziali in grado di effettuare osservazioni spettroscopiche a infrarossi. Così il team si è concentrato sugli speciali atomi di ossigeno (eccitati da stati elettronici metastabili più elevati) che sono prodotti da reazioni di fotodissociazione di H2O e CO2 da radiazioni solari UV. Questi atomi di ossigeno eccitati emettono luce a determinate lunghezze d’onda a seconda del loro stato di eccitazione, che sono chiamate “linee di ossigeno proibite” (Figura 2, 3). Il caso più familiare di tale luce ad emissione di ossigeno proibita è l’aurora terrestre. La luce verde dell’aurora è l’emissione proibita di ossigeno e la sua luce rossa proviene dagli atomi di ossigeno allo stesso modo e in parte dalle molecole di azoto tellurico. Gli atomi di ossigeno prodotti dall’H2O attraverso la fotodissociazione tendono ad emettere la linea proibita “rossa”, mentre gli atomi di ossigeno prodotti dalla CO2 tendono ad emettere le linee proibite “verdi” e “rosse” in modo quasi uguale. Così, confrontando il rapporto di intensità delle linee proibite verdi e rosse nelle comete, si può stimare il rapporto di abbondanza della CO2 rispetto all’H2O nel coma cometario.

Fig. 2: Diagramma dell’emissione di linea di ossigeno proibita in un coma cometario. Gli atomi di ossigeno eccitati ad alta energia sono prodotti sia dall’acqua (H2O) che dall’anidride carbonica (CO2) attraverso la fotodissociazione per irraggiamento solare UV. Il rapporto di abbondanza della CO2 rispetto all’H2O può essere stimato dal rapporto di intensità delle linee verdi e rosse di questi atomi di ossigeno.

Fig. 3: Spettri delle linee di ossigeno proibite della Cometa 21P/Giacobini-Zinner (segno di spunta verticale nero). Da sinistra a destra, la linea verde (557,7 nm in lunghezza d’onda), e due linee rosse (630,0 nm e 636,4 nm) sono mostrate. I simboli del pianeta Terra (croce in cerchio) indicano le linee di ossigeno proibite dell’atmosfera tellurica. Queste linee possono essere separate da quelle della cometa.

Sulla base di un’analisi dettagliata degli spettri di alta qualità della cometa Giacobini-Zinner, il team ha scoperto che la cometa ha un rapporto di abbondanza di CO2 inferiore rispetto all’acqua rispetto alle altre comete. Il rapporto di abbondanza di CO2/H2O derivato della cometa è di circa l’1%, mentre quelli della maggior parte delle comete vanno da poche unità percentuali fino al 30%. Questo risultato è coerente con il basso rapporto di abbondanza del monossido di carbonio (CO) nella Cometa Giacobini-Zinner perché la temperatura di sublimazione della CO è inferiore a quella dell’acqua. Dal rapporto di abbondanza più basso di CO2/H2O nella Cometa Giacobini-Zinner (quasi alla fine inferiore) rispetto ad altre comete e dalla temperatura di sublimazione più bassa della CO2 rispetto all’H2O, si può stimare che la temperatura di formazione della Cometa Giacobini-Zinner nella nebulosa solare sia stata nell’intervallo da -200℃ a -120℃.

Dove si trovava esattamente quel luogo?

Il team di astronomi pensa che la Cometa Giacobini-Zinner si sia formata nel “disco circumplanetario” di un grande pianeta come Giove o Saturno nella nebulosa solare (Figura 4). Quando nella nebulosa solare si sono formati grandi pianeti, un piccolo disco con gas e polvere che circonda questi pianeti potrebbe essere stato un luogo di nascita per i satelliti, proprio come una miniatura del Sistema Solare. I materiali (gas e polvere) in questo disco erano più caldi di quelli della nebulosa solare alla stessa distanza dal Sole. Una cometa formatasi in un tale disco può essere ricca di molecole organiche complesse e povera di CO2 come la cometa Giacobini-Zinner.

Fig. 4: Una visione schematica della formazione di comete nel disco circumplanetario di un pianeta gigante nella nebulosa solare.

Il dottor Akito Tajitsu del Subaru Telescope sottolinea l’importanza delle osservazioni HDS, dicendo:

“La cometa 21P/Giacobini-Zinner è una ben nota cometa scoperta più di cento anni fa. Il suo ritorno nel 2018 (una volta ogni 6,6 anni) è stato molto vicino alla terra e la migliore opportunità per noi di cercare la sua composizione dettagliata. Le linee di ossigeno che abbiamo analizzato emettono sia nell’atmosfera terrestre che nella cometa. Quindi, il più alto potere risolutivo di lunghezza d’onda di HDS è davvero importante per distinguerle per le loro piccole differenze di lunghezza d’onda causate dalla velocità di movimento della cometa (effetto Doppler)”.

Il Dr. Yoshiharu Shinnaka della Kyoto Sangyo University, l’autore principale dell’articolo, commenta le prospettive future:

“In questa ricerca, abbiamo rivelato un mistero della cometa Giacobini-Zinner conosciuta come una cometa particolare. Vorremmo chiarire gli ambienti di formazione delle comete nel primo sistema solare, ricercando più dettagliatamente la Cometa Giacobini-Zinner e altre comete e trovando comete peculiari come la Cometa Giacobini-Zinner”.

Questo studio è stato pubblicato su The Astronomical Journal il 13 aprile 2020 (UT) (Shinnaka, Y., Kawakita, H., e Tajitsu, A., 2020, “High-resolution optical spectroscopic observations of comet 21P/Giacobini-Zinner in its 2018 apparition“.

Fonte

  1. Molte comete hanno rapporti di abbondanza di CO e CO2 del 10-20%, e quelle con sostanze organiche più complesse hanno rapporti dell’1-5% o meno).