Asteroides y cometas: montones de piedras

Al comienzo de la conquista espacial, nadie había oído hablar de asteroides. Los astrónomos no conocían bien estos pequeños cuerpos celestes. Hoy, apenas estamos comenzando a entender de qué están hechos y cómo se formaron. Sin embargo, su comportamiento sigue siendo enigmático.

Aunque ninguna sonda ha observado un asteroide de cerca, se cree que las más grandes son las versiones en miniatura y abolladas de la Luna. La gravedad se reduce allí: cuando el diámetro es inferior a unas pocas decenas de kilómetros, es demasiado pequeño para darles una forma esférica, y luego parecen un frijol seco, un molar, un maní…

Debido a esta irregularidad, los objetos pueden incluso dibujarse en direcciones distintas a la del centro de masa. Además, su rotación a veces compleja contribuye a producir efectos contrarios a la experiencia diaria: en ciertos asteroides, la parte inferior ya no es la parte inferior, a veces te «caes» a la cima de una montaña, y saltos demasiado vigorosos conducirían al espacio infinito, ya sea en una órbita caótica que, después de varios días, vuelve a un lugar completamente impredecible en la superficie.

Un guijarro que se arroja frente a ti puede caer sobre tu cabeza. Un pequeño salto a veces conduce a 100 metros desde la posición inicial, o incluso cambia la forma del asteroide. El más discreto de los visitantes dejaría una nube de polvo en su camino que permanecería durante varios días, incluso varias semanas.

Las sondas espaciales, como cerca ( Near Earth Asteroid Rendezvous , o «reunirse con un asteroide cerca de la Tierra»), se ponen en órbita alrededor de un asteroide, mejoran nuestra comprensión de estos objetos confusos. Sin embargo, a pesar de algunas observaciones durante el paso ocasional de tales objetos cerca de la Tierra, conocemos los asteroides (y los cometas, sus primos) menos de lo que conocíamos la Luna en los albores de la exploración espacial. Estos pequeños cuerpos son escenario de interacciones sutiles entre fuerzas menores, ninguna de las cuales es insignificante o fácil de simular en la Tierra. ¿Son sólidos o están formados por piedras aglomeradas?? ¿Cuál es su composición?? ¿Cómo sobreviven a las colisiones con otros cuerpos pequeños?? ¿Podría una sonda o un astronauta aterrizar allí??

Tortas incocidas

A fines de la década de 1980, los asteroides todavía eran solo puntos brillantes (alrededor de mil) formando un cinturón entre Marte y Júpiter; conocíamos a algunos de ellos más cerca de la Tierra y conocíamos su relación con los cometas, provenientes de los límites del Sistema Solar. Como su color y brillo variaban periódicamente, se había deducido que estos cuerpos tenían formas irregulares y un tamaño entre el de una casa y el de un país, con un período de unas pocas horas a unos pocos días.

Los análisis y observaciones de las últimas décadas han aclarado las ideas. En general, Los asteroides cercanos a Marte y la Tierra están hechos de rocas y hierro, mientras que los asteroides cerca de Júpiter, oscuro y rojo, parece tener una composición más «primitiva», es decir, análogo al de la nebulosa a partir de la cual se formaron los planetas, Hace 4.560 millones de años. La fecha de esta coalescencia de los planetas, anteriormente incierta, se especificó mediante el análisis de los isótopos de plomo (los productos de desintegración radiactiva del uranio) en los meteoritos más antiguos. De hecho, durante mucho tiempo se pensó que estas rocas caídas del cielo eran fragmentos de asteroides; La comparación del espectro de luz emitido por meteoritos y asteroides confirmó esta intuición.

Como resultado, muchos astrónomos pensaron que la historia del Sistema Solar se aclararía si se observaran asteroides en el telescopio y si se analizaran los meteoritos. La implementación de este programa fue difícil, pero condujo a una teoría bien aceptada de la historia del Sol y su procesión de cuerpos. La formación de planetas a partir de una nebulosa de gas y polvo comenzó con la agregación de pequeños granos en «planetesimales», los ladrillos elementales de los planetas. Más allá de Marte, la atracción ejercida por Júpiter bloqueó el crecimiento de estos cuerpos, cuyo diámetro se mantuvo por debajo de los 1,000 kilómetros. Los fragmentos que no se han aglomerado se han convertido en asteroides.

El más grande de estos planetas «perdidos» ha acumulado suficiente calor interno para «diferenciar»: los metales, más densos que las rocas, se han arrastrado hacia adentro, tal vez formando un núcleo, en algunos casos. Las rocas se han derretido y se han producido erupciones volcánicas en algunos cuerpos. Ningún asteroide es lo suficientemente grande como para contener una atmósfera, pero los minerales hidratados de algunos meteoritos revelan que han transportado agua líquida.

Entonces Júpiter perturbó las trayectorias de los planetesimales, modificando tanto la elipticidad como la orientación del eje principal de la órbita; Las colisiones entre planetesimales se han vuelto cada vez más violentas, por lo que estos cuerpos han dejado de crecer (perdieron piezas o se hicieron añicos). A menudo, los escombros continuaron girando alrededor del Sol, formando familias con órbitas vecinas y espectros similares. La mayoría de los asteroides y meteoritos son piezas rocosas o metálicas de planetesimal dislocado. Otros, la mayoría de los cometas, son cuerpos más primitivos, que nunca han diferenciado, reliquias de la prehistoria de los planetas.

El cielo está cayendo sobre nuestras cabezas

Hace solo diez años, la espectroscopía de asteroides había progresado, pero los astrónomos aún no tenían una imagen detallada de un asteroide. El primero de los que habían sido descubiertos, a principios del siglo X, había recibido nombres mitológicos, de acuerdo con la tradición astronómica, pero el panteón rápidamente se volvió insuficiente: cuando comenzamos a detectar los asteroides en grandes cantidades, tuvimos que recurrir a los nombres de sus descubridores, luego sobre los de sus esposas, benefactores, colegas … Olvidados durante casi un siglo, hoy son apasionados, porque las sondas espaciales nos han traído imágenes: también aparecen como débiles parpadeando en el cielo, pero como objetos con relieves narcóticos.

Este renacimiento se debe en parte a Daniel Goldin, administrador de la NASA, que quería hacer «más rápido, mejor, más barato». Qué bendición para los especialistas en asteroides: estos cuerpos son más accesibles que los planetas principales del Sistema Solar. Además, los planetólogos y paleontólogos han estado muy interesados en los asteroides, ya que uno de ellos parece haber exterminado a los dinosaurios hace 65 millones de años (ver Un impacto de origen extraterrestre?, por Walter Alvarez y Frank Asaro, For Science , diciembre de 1990).

Tal impacto ciertamente volverá a suceder algún día, pero cuándo? Hasta que identifiquemos los grandes asteroides que pastan la Tierra, no lo sabremos. En cuanto a los cometas potencialmente peligrosos, nunca los identificaremos a todos tampoco, porque su paso en el Sistema Solar es extremadamente raro. La probabilidad de que la caída de un cuerpo celeste cause un desastre natural que perturbe a todo el Globo, en un año determinado, sigue siendo extremadamente baja: es lo mismo que la probabilidad de tener una escalera real en el póker. Sin embargo, algunos de mis colegas caracterizan los asteroides por su potencial explosivo expresado en megatones, en lugar de por su diámetro. A los astrónomos les gustaría que los asteroides sean de interés para lo que son, pero este es el aspecto espectacular que le gusta al público.

Su curiosidad también determinó las recientes exploraciones de cometas y asteroides. Hoy tenemos imágenes de una docena de estos objetos y cada vez nos sorprenden sus nuevas características.

Muchas piedras

Se pensó que los pequeños asteroides eran duros y rocosos, porque se suponía que las piedras de su superficie que salieron durante las colisiones (el regolito) escaparon, siendo la gravedad demasiado débil para retenerlos. También se pensó que los cuerpos pequeños nunca eran agregados, porque el más mínimo movimiento rotativo sostenido habría separado sus fragmentos. Observaciones y simulaciones recientes han obligado a los astrónomos a revisar sus teorías, y ahora se considera que la mayoría de los asteroides de más de un kilómetro de diámetro son conjuntos de varias piezas.

Las imágenes indican la presencia de regolito, a pesar de la baja gravedad. La mayoría de estos asteroides tienen uno o más cráteres grandes: algunos tienen un radio mayor que el asteroide mismo. Los impactos lo suficientemente violentos como para formar tales cráteres tienen asteroides fragmentados? Las mediciones de densidad promedio parecen confirmar esto: los valores medidos son sorprendentemente bajos, lo que indica que estos cuerpos tienen cavidades.

Por lo tanto, los asteroides de más de un kilómetro de ancho son probablemente agregados sin ningún núcleo rocoso. Esta hipótesis del «montón de piedras» se remonta a veinte años, pero no se imaginó que se aplicaría a escalas tan pequeñas.

Hace tres años, cuando la sonda cercana voló sobre el asteroide Mathilde, El planetólogo Eugene Shoemaker entendió que los inmensos cráteres y la muy baja densidad observada se explicaron entre sí: una pila de piedras soporta los golpes mucho mejor que un objeto en una sola pieza ; absorbe y disipa energía, para que la cara opuesta al choque permanezca sin cambios. Los asteroides se comportan más como sacos de arena golpeados por una bala revólver que como jarrones de cristal.

¿Por qué la mayoría de los asteroides tienen una forma tan irregular?? Parece ser prerrogativa de los cuerpos sólidos, contrario a la hipótesis anterior. Sin embargo, la intuición tiene sus límites. Según las imágenes que tenemos, la superficie de los asteroides nunca está muy inclinada, por lo que los escombros encontrados allí no ruedan. En las áreas más inclinadas, vemos rastros de deslizamiento. Pequeños planetas formados por rocas, o incluso arena, pueden mantener una forma irregular (la arena del desierto forma muchas dunas, sin ser monolíticas); La rotación rápida ayudaría a alargarlos.

En 1992, La observación del cometa Shoemaker-Levy 9 corroboró la hipótesis del montón de piedras: acercándose demasiado a Júpiter, Este cometa se ha dislocado en más de veinte piezas ; entonces, dos años después, El «collar de perlas» que se había formado golpeó el planeta gigante (ver Cometa Shoemaker-Levy 9 por David Levy, Eugene Shoemaker y Caroline Shoemaker, Por la ciencia Octubre de 1995). Con Willy Benz, de la Universidad de Berna, calculamos que la fragmentación se explica por la constitución inicial del cometa, que debía estar compuesta por cientos de granos; Estos han sufrido una especie de deslizamiento de tierra cósmico. Júpiter alargó el cometa porque atrajo más las partes más cercanas a él, creando una marea sólida; sin embargo, los fragmentos que se atrajeron se reunieron en pequeños grupos, al igual que las gotas de agua de una fuente. En total, la disociación de Shoemaker-Levy 9 parece mostrar que los cometas son agregados cuya densidad promedio es dos tercios de la del hielo. Los asteroides probablemente tienen una constitución similar.

Cuando nada es importante, todo es importante

A pesar de los argumentos a su favor, la hipótesis de un montón de piedras plantea problemas. La resistencia mecánica de un asteroide es casi cero y la gravedad es extremadamente baja, pero ninguna es insignificante. La gravedad, de hecho, asegura la cohesión de las piezas. Además, los niños que hacen castillos de arena saben que las fuerzas de cohesión muy débiles son suficientes para mantener edificios. Sin embargo, las fuerzas que generalmente descuidamos se vuelven importantes: fricción durante los turnos, enlaces químicos, disipación de energía cinética, atracción electrostática … Estamos empezando a entender cómo interactúan.

El tipo de fuerzas predominantes en los asteroides depende del tamaño de estos últimos. Se estudia analizando la velocidad de rotación de los asteroides. Algunas colisiones rotan los asteroides más rápido, otras más lentamente. Sin embargo, si los asteroides estuvieran formados por un solo bloque, el gráfico de la distribución de los cuerpos de acuerdo con su velocidad debería ser una curva de Gauss (una curva de campana) cuya «cola», a la derecha de la curva, correspondería a los asteroides. girando muy rápidamente sobre sí mismos. Por otro lado, si los asteroides están bien formados a partir de varios fragmentos aglomerados, la cola de la curva debe estar ausente: los asteroides que giran sobre sí mismos en menos de tres horas se desintegrarían bajo el efecto de las fuerzas centrífugas. Petr Pravec, de la Academia de Ciencias de la República Checa, Alan Harris, en Pasadena, y sus colegas descubrieron que todos los asteroides, excepto cinco, giran más lento que una vuelta en 2 horas y 12 minutos (ver Figura 2) ]. Los asteroides excepcionales tienen un diámetro inferior a unos 200 metros.

La conclusión es obvia: los asteroides de más de 200 metros de diámetro son montones de piedras. Simulaciones de colisión recientes confirman la existencia de un umbral de velocidad de rotación para este diámetro. Las colisiones detonan asteroides grandes, pero los escombros generalmente tienen una velocidad menor que la «velocidad de liberación» (de la que escaparían en el espacio), aproximadamente un metro por segundo y por kilómetro de asteroide de radio. En unas pocas horas, la gravedad reúne los fragmentos (excepto el más rápido) en un montón aglomerado (ver Figura 5) . Como las colisiones entre asteroides son comunes, la mayoría de los objetos grandes ya los han sufrido. Los asteroides pequeños son probablemente monolíticos, ya que los fragmentos de impacto son menos retenidos por la gravedad (que es muy baja).

Entonces, los asteroides pequeños tienen formas espectaculares, porque no retienen los escombros formados durante las colisiones. Los asteroides grandes son conjuntos de piezas más pequeñas, a las cuales la gravedad y las colisiones aleatorias han dado una forma redondeada o, si giran sobre sí mismas, una forma alargada. Sus cráteres tienen paredes empinadas y contienen escombros expulsados por los impactos, luego redepositados, mientras que su superficie está cubierta de regolito. Obviamente, todos los intermediarios son posibles. En particular, de acuerdo con estos criterios, el asteroide Mathilde sería pequeño y grande, porque sus enormes cráteres no tienen bordes visibles ni escombros en el interior, pero su forma esferoidal. El pequeño asteroide Dactyl sería «grande» porque es esferoidal y sus cráteres están limpios. Obviamente, la teoría de los asteroides sigue siendo incompleta.

Estado de shock

Esta observación no es sorprendente: incluso en la Tierra, los físicos aún no entienden el comportamiento de montones de arena o deslizamientos de tierra. En contraste, dos tipos de estudios están comenzando a arrojar luz sobre el comportamiento de los asteroides durante las colisiones.

Derek Richardson y sus colegas de la Universidad de Washington simulan asteroides con montones de esferas discretas. Al igual que las bolas de billar cósmicas en una mesa tambaleante (este defecto corresponde a la gravedad), estas esferas chocan, rebotan y disminuyen debido a la fricción y otras formas de disipación de energía. Cuando los golpes le dan a las bolas suficiente energía, se dispersan, pero, en general, finalmente se reagrupan. Las simulaciones de D. Richardson se aplican al estudio de colisiones menores que condujeron a la acumulación de asteroides en el Sistema Solar primitivo, antes de que la velocidad de los cuerpos pequeños aumentara bajo la influencia gravitacional del planeta Júpiter, y luego emergiera. Sin embargo, en este modelo, vemos que la acumulación de equipos en planetesimales es difícil, incluso después de las colisiones menos violentas.

La descripción de las colisiones de alta velocidad, tal como tuvieron lugar en los últimos cuatro mil millones de años, es más complicada, porque muchos fenómenos jugaron un papel: la cohesión de los asteroides, su friabilidad, cambios en la fase, generación y propagación de ondas de choque…

Con W. Benz, busqué nuevas técnicas de cálculo para tratar este tipo de casos. En lugar de considerar los asteroides como conjuntos de esferas, los tratamos como cuerpos continuos hechos de varias capas, con grietas y cavidades.

En particular, simulamos el impacto de un objeto de 6,000 toneladas en el asteroide Castalie (masa igual a mil millones de toneladas), a una velocidad de cinco kilómetros por segundo. Esta colisión libera energía igual a 17 kilotones, tanto como la explosión de Hiroshima. Eso es suficiente para romper Castalie, compuesta, en nuestra simulación, de dos piezas soldadas por gravedad. También observamos que el proyectil, así como parte de Castalia de la misma masa que el proyectil, se vaporizan en unos pocos milisegundos, generando una poderosa onda de choque. Como este último no se extiende en el vacío, rebota en las superficies del asteroide, incluso en la fractura entre sus dos partes. Como resultado, la pieza del asteroide que no fue golpeada directamente no se ve perturbada por la onda de choque, mientras que la pieza golpeada se divide en varias decenas de fragmentos grandes, que tardan horas en dispersarse; El mayor final se está reuniendo.

Al cambiar la configuración inicial o los parámetros del asteroide, que además son poco conocidos, obtenemos resultados completamente diferentes. En particular, si definimos los asteroides como montones de piedras, apenas explotan.

Reúnase con Éros

Al comparar las imágenes de asteroides con simulaciones basadas en diferentes hipótesis iniciales, buscamos comprender las características más extrañas de estos cuerpos. Con Peter Thomas, de la Universidad de Cornell, hemos analizado la colisión que formó el cráter más grande del asteroide Mathilde: obtenemos un diámetro, una forma y un depósito de escombros similares a los observados.

Cuando suponemos que Mathilde estaba inicialmente en una sola pieza, debemos concluir que el asteroide se habría roto en varias decenas de piezas, en contra de las observaciones. Con la hipótesis del montón de piedras, la simulación está de acuerdo con las observaciones. Kevin Housen, del Laboratorio de Física de Colisión de Boeing, también cree que Mathilde es un montón de piedras, pero considera que los cráteres son pozos de compactación, como huecos en una bolsa de granos, en lugar del resultado de colisiones.

Estos estudios preparan futuras misiones. Dependiendo de si los asteroides son aglomerados o monolitos, no se utilizarán los mismos métodos para tomar muestras; a largo plazo, también tendremos que tener en cuenta la constitución de asteroides para construir telescopios, extraer o desviar minerales si amenazan la Tierra. La irregularidad del campo gravitacional ya complica las misiones de exploración de asteroides y cometas: alrededor de estos cuerpos, las sondas a menudo tienen órbitas caóticas, para que corran el riesgo de estrellarse en la superficie de los objetos que visitan ; por las mismas razones, apuntar cámaras y otros instrumentos en la dirección correcta es difícil. Para evitar estos inconvenientes, la sonda cercana observa a Eros, manteniéndose a más de 100 kilómetros de él, de modo que el objeto, en forma de papa irregular, ejerce una atracción similar a la de una esfera. Al medir las desviaciones de cerca de una órbita elíptica, determinaremos la distribución de las masas dentro de Eros.

casi gira alrededor de este asteroide a la velocidad de un ciclista mal presionado. La sonda envía una cantidad considerable de información a la Tierra, que primero debe mostrar la diferencia entre asteroides y meteoritos. Las cámaras mapean Eros con una resolución de unos pocos metros, los espectrómetros analizan su composición y un magnetómetro detectará un posible campo magnético limpio, así como sus interacciones con el campo solar. Las siguientes misiones estudiarán asteroides y cometas con aún más detalle, utilizando módulos que surgirán, perforarán y devolverán muestras. Esto comprenderá mejor la física de los pequeños cuerpos planetarios, donde la cohesión a veces juega un papel tan importante como la gravedad. Lo suficientemente grande como para contener su sustancia, pero demasiado pequeña para darle una forma redonda, ni rocas ni planetas, los asteroides son el cielo y la tierra.

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