Orbita delle comete

Quella che comunemente viene chiamata orbita corrisponde sostanzialmente al cammino che i corpi presenti nell’universo seguono durante il proprio moto. I pianeti si muovono sulla propria orbita così come gli asteroidi e ovviamente le comete. Addirittura anche le stelle possiedono proprie orbite: il nostro Sole per esempio segue, come tutte le altre stelle della galassia, la rotazione del braccio a spirale di cui fa parte che lo porta a compiere una rotazione intorno al centro della galassia (nel nostro caso la Via Lattea) in circa 250 milioni di anni. Ritornando alle orbite queste ultime possono essere di 3 tipi distinti, a seconda del valore dell’eccentricità posseduta. L’eccentricità è comunemente indicata in letteratura con la lettera minuscola e:

• Orbite ellittiche con eccentricità 0 < e < 1
(orbite circolari sono un sottocaso delle orbite ellittiche con eccentricità e = 0)
• Orbite paraboliche con eccentricità = 1
• Orbite iperboliche con eccentricità > 1

Ovviamente queste forme così particolari non derivano dal caso ma sono state studiate e sono note fin dall’antichità, esse si ottengono dall’intersezione di un cono con un piano, per questo vengono catalogate più precisamente come sezioni coniche o semplicemente coniche.

Nel corso della storia moltissimi astronomi avevano intuito il filo comune che lega i movimenti degli astri nell’universo ma la prima formulazione matematicamente accettabile di questa parte della dinamica si deve a Isaac Newton che, nella sua opera fondamentale Philosophiae Naturalis Principia Mathematica pubblicata nel 1685, enunciò per primo la legge della gravitazione universale e con essa riuscì a determinare la traiettoria seguita da due corpi soggetti alla reciproca forza di gravità.

Le comete di corto periodo, medio periodo e lungo periodo si muovono esclusivamente su orbite ellittiche, la dimensione dell’orbita determina il tempo necessario a percorrerla e conseguentemente anche l’appartenenza di un oggetto a una delle suddette tre classi. Mediamente le comete a corto periodo possiedono periodi orbitali di massimo 20 anni, quelle intermedie tra 20 e 200 anni e, infine, quelle a lungo periodo possiedono periodi di oltre 200 anni. Tuttavia esistono diverse comete il cui periodo può arrivare fino a svariate decine di milioni di anni, queste comete appartengono alla classe delle cosiddette comete “non periodiche” poiché il tempo di percorrenza dell’orbita è così lungo da far nutrire seri dubbi su un loro possibile ritorno.

Al contrario le comete che si muovono su orbite paraboliche o iperboliche, cioè con eccentricità maggiore o uguale a 1, appartengono alla classe delle cosiddette “comete nuove” in quanto non faranno mai più ritorno nel sistema solare da cui verranno usciranno per viaggiare nello spazio profondo. Le comete nuove sono statisticamente più rare rispetto alle altre classi di comete.

Tutte le orbite cometarie hanno una caratteristica comune: la presenza di un punto più vicino al Sole chiamato perielio. Le comete periodiche posseggono anche un punto, chiamato afelio, che rappresenta l’estremo punto dell’orbita caratterizzato dalla massima distanza dal Sole. Il perielio e l’afelio sono presenti implicitamente nelle orbite chiuse di tutti i corpi dell’universo quali pianeti, asteroidi, ecc. Dal disegno presente in alto si evince che l’orbita di una comete dovrebbe necessariamente intersecare le orbite dei pianeti interni e transitare “dietro” al Sole ma ciò non è del tutto corretto in quanto numerose comete posseggono un’orbita e di conseguenza il proprio perielio in regioni che non si spingono oltre l’orbita di Giove o più in generale oltre l’orbita dei pianeti “esterni”. Per quanto riguarda il limite estremo possiamo dire che esso dipende fortemente del periodo della cometa: le comete a corto periodo presentano un afelio che si spinge massimo fin all’orbita di Giove, quelle intermedie possono arrivare a lambire le orbite dei pianeti esterni ma anche oltre e infine, quelle a lungo periodo, possono spingersi fino alla fascia di Edgeworth-Kuiper o addirittura fino ai bordi della nube di Öpik-Oort.

Accurati studi hanno inoltre evidenziato un fatto assai curioso: le orbite delle comete periodiche sono tutte mediamente concentrate su piani che hanno un’inclinazione che si discosta pochissimo dal piano fondamentale di riferimento del Sistema Solare (ossia il piano su cui giacciono le orbite dei pianeti). Al contrario le comete nuove, cioè quelle che si muovono su orbite paraboliche o iperboliche, presentano angolazioni del tutto casuali distribuite abbastanza uniformemente sulla totalità dei possibili angoli.

Alterazioni orbitali

Le orbite delle comete, data l’esigua massa di questi corpi, sono quelle più soggette ad alterazioni nel tempo dovute alle cause più svariate. Uno dei meccanismi più comuni che determina alterazioni o veri e propri sconvolgimenti nelle orbite cometarie è l’incontro con un pianeta, un asteroide o comunque un altro corpo con cui possa avvenire un’interazione di tipo gravitazionale.

Nel corso degli ultimi decenni, anche grazie all’utilizzo di moderni satelliti per osservazioni scientifiche, sono stati osservati numerosi casi di alterazione orbitale da parte dei pianeti gassosi. Il pianeta più “temuto” dalle comete è sicuramente Giove, che con la sua enorme massa, riesce a influenzare le traiettorie dei corpi che transitano anche a distanza considerevole. La sua enorme forza gravitazionale è capace di modificare o in alcuni casi anche di sconvolgere le orbite originarie. Tuttavia non è da trascurare neanche il contributo degli altri giganti gassosi. Inoltre gli influssi gravitazionali possono anche influenzare una cometa al punto tale da farla precipitare su un pianeta. Ne sa qualcosa di ciò la cometa Shoemaker-Levy 9, che nel Luglio 1992 è stata prima catturata dall'attrazione gravitazionale di Giove e successivamente spezzata in più frammenti che, due anni dopo, si sono schiantati sul pianeta. Della fine delle comete parleremo più ampiamente nell'apposita scheda.

Inoltre esistono forti indizi circa l’origine cometaria o asteroidale di alcune delle principali lune di Giove, Saturno, Urano e Nettuno. Si pensa che alcune comete e/o asteroidi siano stati catturati permanentemente dalle enormi forze gravitazionali di questi pianeti andando a formare i complessi “sistemi lunari” dei giganti gassosi.

Un altro meccanismo responsabile dell’alterazione del moto orbitale delle comete, questa volta però in maniera sicuramente meno drastica, è quello che comunemente viene definito effetto Yarkovsky, meglio noto come “effetto razzo”. L’effetto Yarkovsky, dapprima ipotizzato e solo successivamente osservato per la prima volta sull’asteroide 6489 Golevka, influenza considerevolmente anche le comete. Esso consiste nella piccola spinta propulsiva dovuta al rilascio repentino dei gas derivanti dalla sublimazione del ghiaccio che vengono liberati velocità dell’ordine di qualche decina di m/s. A prima vista questo effetto può sembrare trascurabile se paragonato alla velocità delle comete (decine di km/s), tuttavia su percorsi di centinaia di miliardi di kilometri ha un “peso” non indifferente. Per farsi un idea più precisa di questo effetto il lettore può semplicemente immaginare i comuni vettori spaziali, meglio noti come razzi, che, liberando grandi quantità di gas, fanno muovere i veicoli spaziali nello spazio sfruttando il terzo principio della dinamica (o principio di azione e reazione).

L’effetto razzo influenza le comete determinando l’anticipo o il posticipo nel transito al perielio rispetto a quello misurato nel transito precedente. L’effetto si manifesta tuttavia soltanto se il nucleo cometario è soggetto anche ad una rotazione permanente. Analizziamo adesso i due casi possibili:

• se la rotazione del nucleo è concorde con il moto di rivoluzione della cometa, l’effetto razzo spingerà il corpo in avanti sull'orbita, allargandola, determinando un aumento del periodo; Questo comportamento fu osservato chiaramente nel 1986 quando la cometa di Halley ha ritardato di 4.1 giorni il passaggio al perielio su un periodo complessivo di circa 76 anni;
• se, al contrario, il nucleo ruota in direzione opposta rispetto al moto di rivoluzione intorno al Sole, l'effetto razzo causerà una forza frenante che spingerà la cometa verso l'interno dell'orbita, in direzione del Sole, con conseguente diminuzione del periodo e anticipo del passaggio successivo; Questo comportamento fu osservato chiaramente sulla cometa Encke che anticipò il suo passaggio al perielio di 2 ore e 30 minuti su un periodo complessivo di circa 3.3 anni.

Famiglie dinamiche di comete

Nel capitolo precedente abbiamo estesamente parlato delle alterazioni orbitali che subiscono le comete quando interagiscono con le enormi forze gravitazionali dei pianeti gassosi. Tuttavia abbiamo volutamente trascurato un argomento importante: l’esistenza delle cosiddette “famiglie dinamiche cometari”. Nel corso di migliaia e migliaia di anni le numerosissime comete che hanno interagito con i pianeti gassosi, in particolare Giove, hanno subito un vero e proprio sconvolgimento della propria orbita originaria. Si è notato tuttavia che questi sconvolgimenti non sono casuali ma portano quasi sempre le comete su nuove orbite che possiedono, sorprendentemente, valori molto simili di inclinazione e periodo. Sembra quasi che i pianeti gassosi si comportino come dei veri e propri “pastori” che radunano il “gregge” originario estremamente disordinato di comete in un “pascolo” molto molto preciso.

Ciò porta alla creazione delle famiglie dinamiche di comete. Le famiglie più famose che si conoscono sono: la famiglia delle comete di Giove e la famiglia delle comete di Halley, tuttavia ci sono forti indizi che fanno sospettare l’esistenza di piccole altre famiglie legate agli altri tre giganti gassosi. Vediamone adesso brevemente i dettagli:

• famiglia di Giove – Possiede attualmente 353 membri (ma la lista è in continuo aggiornamento). Tutti gli oggetti possiedono periodi orbitali inferiori a 20 anni e semiassi maggiori dell’orbita minori o al massimo uguali al raggio medio dell’orbita di Giove. I loro piani orbitali sono inclinati rispetto al piano fondamentale di riferimento (il piano su cui giace il sistema solare) non più di (±) 40°. E’ opinione diffusa che tutte queste comete erano originariamente oggetti della fascia di Edgeworth-Kuiper.
• famiglia di Halley – Possiede attualmente 51 membri. Tutti gli oggetti possiedono periodi orbitali compresi tra 20 e 200 anni con semiassi maggiori che possono arrivare anche ad intersecare le orbite dei pianeti esterni o addirittura a lambire le fascia di Edgeworth-Kuiper. Quasi tutte le orbite possiedono ampie inclinazioni sul piano fondamentale di riferimento. Si crede che gli oggetti appartenenti a questa famiglia siano originari della nube di Oort.

Alle famiglie dinamiche si aggiunge anche la famiglia delle cosiddette “sun-grazing comets”, che possiamo tradurre letteralmente come “comete che sfiorano il Sole”. Questa famiglia tuttavia non ha nulla a che vedere con l’interazione con i pianeti gassosi infatti essa raduna le comete particolarmente “temerarie”. La peculiarità di questi corpi consiste nello spingersi fino a soli 50.000 km di distanza dal Sole. Questa distanza è talmente esigua che numerosissime di esse sono state distrutte dalle potentissime radiazione e dagli enormi effetti gravitazionali del nostro astro. La prima cometa che ha evidenziato questo comportamento è stata osservata, tra il 1880 e il 1890, dall’astronomo tedesco Heinrich Kreutz (1854-1907). Egli ipotizzò che queste comete provenissero dalla frammentazione di una singola cometa originaria poiché la quasi totalità di esse presentava un periodo di circa 800 anni e la stessa inclinazione orbitale. Si pensa che la cometa originaria sia quella osservata dall’astronomo greco Eforo nel 372 a.C. che asseriva di “[…] averla vista spezzarsi in due […]” dopo aver oltrepassato il Sole. Al giorno d’oggi le comete appartenenti a questa famiglia sono anche chiamate “Kreutz sungrazers comets”. Scoprire queste comete è estremamente difficile in quanto, data l’estrema vicinanza al Sole del punto in cui si rendono visibili, sono sempre “affogate” nell’immenso bagliore solare. Per questo motivo il miglior scopritore di questi oggetti è la sonda SoHO (Solar Heliospheric Observatory) che è equipaggiata con strumenti appositi. In anni e anni di osservazioni la sonda SoHO ha scoperto migliaia di queste comete che si pensa possano far parte di una popolazione totale di circa 200.000 oggetti. Le comete appartenenti a questa famiglia sono inoltre molto piccole, ne sono state scoperte diverse di circa 10 m di diametro.

(nell’immagine qui sopra possiamo notare una classica cometa appartenente alla classe delle cosiddette "sun-grazing comets". L'immagine è stata ripresa dalla sonda SoHO. Le comete si rendono evidenti oscurando l'enorme bagliore solare con un disco fittizio applicato in fase di acquisizione dell'immagine)