There are more things in heaven and earth, Horatio,
Than are dreamt of in your philosophy.
Shakespeare  (Hamlet, Act I Scene V)

As Missões aos cometas P/Giacobini-Zinner e ao P/Halley

O primeiro encontro de uma sonda com um cometa ocorreu a 11 de Setembro de 1985, quando a ISEE-3 spacecraft, depois de ter monitorizado as cinturas de radiação da Terra e ter adoptado o novo nome de International Cometary Explorer (ICE), passou através da cauda do cometa P/Giacobini-Zinner, a cerca de 8000 Km do núcleo. Os resultados principais passaram pela confirmação do modelo da cauda de plasma, indicações sobre a composição dos iões e a detecção de uma interface de corrente neutra, no centro da cauda, que corresponde a uma estreita faixa em que o campo magnético altera a sua polaridade. A ICE também passou entre o Sol e o Halley nos finais de Março de 1986 e tornou-se a primeiro engenho humano a investigar directamente dois cometas.

O esforço da comunidade internacional para estudar o cometa Halley resultou, no início de 1986, no envio de mais cinco sondas: O Japão lançou duas naves, a Sakigake ("pioneiro” em Japonês) e a Saisei ("cometa” em Japonês). A passagem mais próxima da Sakigake deu-se a sete milhões de quilómetros, no dia 11 de Março. Transportou três instrumentos para medir os espectros das ondas de plasma, os iões do vento solar e os campos magnéticos interplanetários. A Suisei passou a 150 000 Km no dia 8 de Março. O seu objectivo principal consistiu em tirar, durante 30 dias, imagens no ultravioleta da coroa de hidrogénio, antes e depois do Halley passar pelo plano da eclíptica. Foram medidos os parâmetros do vento solar durante um período de tempo mais longo. As duas naves russas, Vega 1 e Vega 2, idênticas, foram lançadas a 15 e a 21 de Dezembro de 1984, respectivamente. Depois de terem transportado sondas para estudar Vénus, as naves foram redireccionadas e usaram o campo gravítico de Vénus para passarem perto do Halley, em 1986. As sondas passaram pelo cometa a uma velocidade relativa de 77 Km/s. Apesar da incerteza dos encontros poder ser monitorizada com uma precisão de 100 Km, as posições relativas das naves em relação ao núcleo do Halley só se conhecem com uma precisão da ordem do milhar de quilómetros. A Vega 1 passou a 6 de Março a cerca de 10 000 Km de distância do cometa e a Vega 2 a 9 de Março a cerca de 3000 Km.

A Giotto (nome de um pintor florentino do séc.XIII) foi concebida para estudar o Halley e também o cometa P/Grigg-Skjellerup, no decurso da extensão da sua missão. Foi transportada pelo foguetão Ariane 1 V14, da ESA, a 2 de Julho de 1985, com os seguintes objectivos: obter fotografias a cores do núcleo; determinar quais os componentes voláteis presentes na coma e as suas proporções, em particular, conhecer quais as moléculas progenitoras; caracterizar os processos físicos e químicos que ocorrem na atmosfera e ionosfera do cometa; determinar a composição das partículas de poeira; medir a taxa de produção e fluxo de gás e a distribuição tamanho/massa para calcular a relação poeiras/gás; por fim, investigar os sistemas macroscópicos dos fluxos de plasma, resultantes da interacção entre o cometa e o vento solar.

A sonda passou mais próximo do Halley no dia 13 de Março de 1986, a uma distância de 596 Km do núcleo e a uma distância de 0.89 U.A. do Sol, a 0.98 U.A. da Terra e com um ângulo de 107º da linha cometa-Sol em relação à linha Terra-Sol. O objectivo era passar a menos de 500 Km, mesmo assim, deu-se o encontro mais próximo, até àquela data, de uma sonda com um cometa. Devido à enorme velocidade relativa, o encontro durou poucas horas e algumas das principais medições tiveram que ser feitas em poucos minutos. Isso exigiu um grande esforço dos cientistas, na determinação em tempo útil e com grande precisão, das posições relativas do cometa, da Terra e da sonda, para garantir que a Giotto corrigia a sua trajectória e passava pelo cometa à distância pretendida e no lado iluminado, senão, nada poderia ser visto ou fotografado. À distância de 500 Km, a Giotto teria uma resolução de 30 metros. A nave estava equipada com uma protecção exterior especial que lhe permitia enfrentar ambientes turbulentos, como nuvens de detritos que podiam rodear o cometa e chocar com a sonda, danificando-a. Mesmo assim, catorze segundos antes da maior aproximação, a Giotto foi atingida por uma partícula de poeira "grande” provocando um desvio de 0.9º no vector momento angular. Os dados foram recebidos nos 32 minutos seguintes, de forma intermitente. Apesar de tudo, a Giotto cumpriu plenamente a sua missão.

O resultado, talvez, mais importante destas missões ao Halley, é a confirmação do modelo de Whipple do núcleo. A primeira imagem do núcleo de um cometa, feita pela Giotto, em 1986, convenceu os últimos cépticos de que o modelo do conglomerado de gelos estava correcto. Descobriu-se, também, que o núcleo era maior (com um raio em torno dos 5.5 Km) e mais escuro (albedo em torno dos 4%) que o esperado. Foram observadas as características da superfície (crateras, cumes, montanhas, etc.) e os "emitting vents”, lugares discretos de onde saem as boforadas de gás. Descobriram-se as estruturas da coma (jactos, invólucros, correntes de iões, etc.) e foram analisadas as componentes gasosas (moléculas progenitoras, radicais, iões e as espécies atómicas) in situ; Confirmou-se que a água (H₂O) é, de longe, o constituinte mais abundante (cerca de 85%) na fase gasosa. Foram analisadas as poeiras por tamanho e composição: há uma grande fracção, inesperada, de grãos muito pequenos, até ao limite da sensibilidade (em torno dos 10^-19 Kg). Para além dessas partículas com composição condrítica típica, foram observadas, pela primeira vez, partículas carbonáceas (tendo por base os elementos, C, H, O e N) podendo constituir, também, fontes de gás. Entre muitos outros resultados, foram observadas diversas desconexões na cauda iónica e a sua ligação suspeita com as inversões do campo magnético foi parcialmente confirmada.

O envio de satélites orbitais, sondas espaciais complementado com a instrumentação técnica a bordo e com as observações a partir de aviões e a partir da Terra, feita por astrónomos profissionais e amadores repartidos por todo o globo, foram coordenadas pela International Halley Watchs (IHW), em conjunção com outras organizações que assumiram o compromisso de colocar os resultados à disposição dos cientistas de todo o mundo. As observações foram concertadas e tomadas em todos os comprimentos de onda desde os 120 nm no UV até à banda rádio, nos 18 cm. As missões foram planeadas conjuntamente, procurando-se não apenas que os vários instrumentos científicos se complementassem uns aos outros mas também que os resultados obtidos por uma missão pudessem ser utilizados por outras. No total, estiveram envolvidos, nesta missão, 20 países. Os resultados da extraordinária campanha do Halley, durante os anos de 1985-86 facultaram imensos dados que foram reduzidos e interpretados nos anos seguintes.

Na década de noventa observaram-se, a partir da Terra, outros cometas brilhantes, o Wilson (1987 VII), o Austin (1990 V), o P/Brorsen-Metcalf (1989 X) e o Levy (1990 XX), que serviram de comparação, em particular, com os resultados obtidos nas investigações ao Halley, e de onde resultaram descobertas importantes como algumas moléculas progenitoras novas, de que são exemplos o H₂CO, o H₂S e o CH₃OH. Graças à melhoria tecnológica da instrumentação e da redução dos dados, tornou-se possível observar cometas mais débeis e mais distantes do que antes. Com alguma surpresa descobriu-se que alguns cometas continuam activos muitos anos depois de terem passado no periélio, nalguns casos a actividade permanece para além das 10 U.A, facto que tem implicações para os modelos dos núcleos.

Os anos entre 1994 e 1997 permitiram a observação e estudo do impacto do cometa Shoemaker-Levy IX com Júpiter, em 1994, o aparecimento do cometa Hyakutake que passou a apenas 15 milhões de quilómetros da Terra, em 1996, e as observações feitas ao cometa Hale-Bopp, descoberto em 1995 e do qual se fizeram belíssimas imagens quando passou no periélio, no início de 1997.

As Missões Espaciais : Stardust, Countour e Deep Impact

Stardust

A sonda Stardust, lançada em 1999, passou com sucesso pela coma do cometa P/Wild II, a 2 de Janeiro de 2004, encontrando-se a cerca de 250 Km do núcleo no ponto de maior aproximação e recolheu milhares de partículas de poeiras que tinham sido libertadas do núcleo, apenas, algumas horas antes. Neste momento, a sonda já está de regresso à Terra e prevê-se que chegue em Janeiro de 2006. O primeiro objectivo da sonda é, precisamente, a recolha de, pelo menos, um milhar de partículas de poeiras e de voláteis da coma com diâmetros superiores a 15 mícrons. O segundo objectivo consiste na captura de, pelo menos, 100 partículas interestelares com diâmetros maiores que 0.1 mícrons. Quando as partículas forem recolhidas teremos à nossa disposição o material original de que se formou o Sistema Solar, há 4.6 mil milhões de anos, isto porque, os cometas formaram-se precisamente na mesma altura em que se formou o Sistema Solar primitivo. São constituídos por grãos e condensados da nebulosa primordial que se mantiveram praticamente inalterados desde a formação. Realizar-se-ão análises detalhadas das propriedades dos elementos detectados, nomeadamente, isotópicas, mineralógicas, químicas e biogénicas. As amostras de poeira interestelar, material externo ao Sistema Solar, serão estudadas em termos de composição, tamanho e de distribuição de velocidades. Nesta missão foram realizadas as melhores imagens de sempre, em termos de resolução, ao núcleo de um cometa.

O cometa P/Wild II tem um diâmetro de 5.4 Km, é "novo” no Sistema Solar interior, e por isso pode representar material "fresco” que ainda não foi muito sublimado pelo Sol. Originalmente, o cometa tinha uma órbita entre Júpiter e Urano (4.9 a 25 U.A.) mas a sua órbita foi alterada por uma passagem próxima de Júpiter, a 10 de Setembro de 1974. O cometa orbita, agora, entre Marte e Júpiter (1.58 a 5.2 U.A.).

Contour ou Comet Nucleus Tour

A 3 de Julho de 2002, a NASA lançou a sonda CONTOUR. A missão tinha como objectivo a aproximação aos núcleos dos cometas Encke, em 2003 e do cometa Schwassmann–Wachmann 3, em 2006. O terceiro alvo era o D’Arrest. Infelizmente, seis semanas depois do lançamento perdeu-se o contacto com a sonda, no momento em que esta se preparava para realizar a manobra de saída da órbita terrestre. As observações realizadas indicam que a sonda se destruiu.

Deep Impact

A NASA tem previsto lançar a 30 de Dezembro de 2004, ao encontro do cometa P/Tempel 1, a missão Deep Impact. A missão é constituida por duas sondas. A principal tomará imagens no visível e no espectro infra-vermelho desse cometa. A segunda sonda é um "impactador” que será dirigido contra a parte do núcleo virada para o Sol, a 4 de Julho de 2005. A uma velocidade relativa de 10.2 m/s, estima-se que o impacto produzirá no núcleo uma cratera do tamanho de um campo de futebol, ainda que os efeitos dependam de como é a estrutura do cometa, que é justamente o que se pretende conhecer. A nave-mãe encontrar-se-á, na altura do impacto, a cerca de 10 000 Km do núcleo e começará a tirar imagens 60 s antes do impacto; 600 s depois do impacto, a nave estará a 4000 Km do cometa e realizar-se-ão imagens da cratera formada, até que a sonda se encontre a uma distância de 500 Km do núcleo. A partir daí o estudo reorienta-se para a investigação da coma interior do cometa; aos 3000 segundos depois do impacto, a sonda começa a enviar para a Terra as imagens, espectros e dados recolhidos. O final da missão está previsto para Agosto de 2005.

A Sonda Rosetta

O foguetão Ariane 5 G transportou para o espaço, na madrugada do dia 2 de Março de 2004 o primeiro engenho humano que irá pousar num cometa. Depois de duas tentativas, a Rosetta iniciou, finalmente, uma viagem de 10 anos ao encontro do cometa 67P/Churyumov-Gerasimenko. O foguetão que a transporta foi lançado às 4h17m da base espacial de Kourou na Guiana Francesa. Foram necessárias duas horas para o andar superior do foguetão libertar a sonda no espaço, a cerca de 1300 Km de altitude. A partida da missão já tinha sido adiada devido a ventos de altitude elevada e a um problema de isolamento térmico no foguetão. Já em Janeiro de 2003, a explosão de uma nova versão do Ariane 5 levou a ESA e a Arianespace, a empresa que faz os lançamentos destes foguetões, a adiarem a partida da Rosetta por um ano, para se ter a certeza de que todos os Ariane 5 são seguros. O alvo era, naquela altura, o núcleo do cometa 46P/Wirtanen. Foi necessário escolher um novo alvo para a abordagem, uma vez que o Wirtanen já ficava fora do alcance. Pouco depois do lançamento, o centro de operações da ESA em Darmstadt, na Alemanha, entrou em contacto com a Rosetta.

O cometa 67P/Churyumov–Gerasimenko foi descoberto em 1969, por Klim Churyumov, da Universidade de Kiev em imagens tiradas por Svetlana Gerasimenko, do Instituto de Astrofísica de Duchambe (Tajiquistão). Completa uma órbita ao Sol em 6.6 anos, tendo a sua órbita entre Júpiter e a Terra. Tem cerca de 2 Km de raio e é um cometa da família de Júpiter. O periélio está a 186 milhões de quilómetros do Sol e o afélio está a 857 milhões de quilómetros do Sol. A órbita deste cometa tem variado no tempo. Antes de 1840, o cometa tinha um afélio ainda mais distante mas a gravidade de Júpiter modificou-a, a partir de 1840 e voltou a fazê-lo em 1959. O telescópio espacial Hubble ajudou na escolha do novo alvo, tirando 60 imagens ao 67P/Churyumov Gerasimenko, em Março do ano passado. Este cometa está suficientemente longe do Sol para não ter ainda actividade o que permite uma aterragem com menos riscos e o acompanhamento da parte importante do percurso do cometa em direcção ao periélio.

A sonda Rosetta é o resultado de uma cooperação de 50 empresas europeias lideradas pela alemã EADS Astrium. Pesa três toneladas na Terra, tem três metros de altura e leva a bordo onze instrumentos científicos. O módulo Philae, transportado pela Rosetta e que pousará no cometa é constituído por uma caixa com um metro de lado, pesa cerca de 100 Kg na Terra e leva mais nove instrumentos científicos. Os instrumentos serão utilizados em muitas áreas, desde imagem e espectroscopia até à magnetometria, análise de poeiras, sondas rádio, propriedades eléctricas da superfície, etc.

O Instituto de Astrofísica de Andalucía (IAA, Granada, Espanha) participou nas tarefas de apoio científico à missão e no desenvolvimento de dois dos instrumentos da sonda: OSIRIS e GIADA. O instrumento OSIRIS é o sistema de imagem destinado a cumprir os principais objectivos científicos da missão. O instrumento consta de duas câmaras CCD que permitirão ver a superfície do núcleo com uma resolução de 2 e 10 cm quando a sonda se encontrar a 1 Km de distância. A OSIRIS permite efectuar determinações da topografia, morfologia, estrutura e composição da superfície do núcleo e localizar a região de onde provém o gás. A OSIRIS permitirá, não apenas observar o cometa com uma resolução 1000 vezes superior aquela com que a câmara Multicolor da Giotto observou o Halley, mas também permitirá estudar o cometa num período de tempo mais longo, durante vários meses, e com uma maior resolução espectral.

O instrumento GIADA é destinado ao estudo das propriedades da poeira dos cometas e é constituído por três tipos de sensores que são concebidos para medir, basicamente, a massa e a velocidade das partículas de poeira. Estes parâmetros são fundamentais para interpretar correctamente as observações a partir de Terra e conhecer exactamente que quantidades de poeiras existem nos núcleos dos cometas, quantidades essas que ainda hoje são desconhecidas. Este instrumento foi totalmente construido no IAA e no Observatório da Universidade de Nápoles, sendo o IAA o responsável pela electrónica completa e pelo software de navegação aérea.

Entre os projectos observacionais há a destacar a análise e o estudo de imagens tomadas a partir de diferentes observatórios terrestres para determinar as abundâncias de um grande número de compostos químicos em diferentes cometas. O principal objectivo do estudo é estabelecer que diferenças existem entre as famílias de cometas. Do ponto de vista teórico, desenvolvem-se modelos em computador para estudar o efeito da forma irregular e a topografia do núcleo. Numa outra linha de trabalho estudam-se os efeitos potenciais da força de reacção que produz o gás ao ser libertado, sobre o estado de rotação do núcleo dos cometas. Também de um ponto de vista teórico está a estudar-se a deformação por que passam os núcleos devido à rotação. O IAA está a construir um "laboratório de dispersão de luz” para estudar como se reflecte e dispersa a luz em partículas de poeiras irregulares e porosas, similares às poeiras dos cometas. Até à data, todas as imagens foram analisadas partindo do princípio de que essas partículas são completamente esféricas e esse facto influencia muito a interpretação das observações. A utilização dos resultados obtidos no laboratório e o desenvolvimento paralelo dos modelos teóricos permitirá, entre outras coisas, interpretar correctamente as imagens que tomará o instrumento OSIRIS e analisar novamente as imagens tomadas pelas sondas anteriores.

Portugal é membro da ESA mas não participa na Missão Rosetta.

A Agenda da Rosetta

Pela primeira vez, em 2014, uma sonda irá orbitar o núcleo de um cometa e um módulo descendente, o Philae, irá pousar no núcleo quando o cometa estiver inactivo e longe do Sol. O módulo descendente da sonda está preparado para aterrar com, pelo menos, 35º graus de inclinação (numa escarpa, por exemplo). Não realizará apenas imagens, irá perfurar a superfície do núcleo, medir a sua temperatura e densidade.

Em Março de 2005, a Rosetta estará em sucessivas órbitas da Terra para aproveitar o campo gravítico do nosso planeta e ajustar a trajectória até ao cometa, pois não existe nenhum foguetão capaz de pô-la logo na região do espaço aonde passará o 67P/Churyumov-Gerasimenko. Repetirá estas manobras (passando por Marte em Fevereiro e pela Terra em Novembro) e em Novembro de 2009 (passando só pela Terra). Durante essa parte da missão, a Rosetta vai aproximar-se de um ou mais asteróides na cintura principal, entre Marte e Júpiter, já que passará aí duas vezes no decurso destas manobras, que a vão enviar para o Sistema Solar exterior. A selecção do asteróide que vai ser observado só será feita depois do lançamento.

Em Maio de 2011, depois de um período de fraca actividade, ajusta-se o trajecto da sonda uma última vez. Vão seguir-se dois anos e meio de "hibernação”, em que quase todos os sistemas eléctricos da Rosetta serão desligados para poupar energia. A equipa de cientistas e de engenheiros responsável pela Rosetta não fará qualquer comunicação com a sonda, que passando em Julho a órbita de Júpiter, só contará consigo própria e com o computador de bordo para resolver eventuais problemas. Nesta situação, cada comunicação com a Rosetta demora cinquenta minutos a chegar à sonda porque esta estará a mais de 800 milhões de quilómetros do Sol.

Em Janeiro de 2014, a Rosetta é reactivada para, em Maio, se proceder a manobras de aproximação ao cometa e se obterem as primeiras imagens, que permitirão melhorar os cálculos sobre a posição, a órbita, o tamanho, a forma e a rotação do cometa.

Em Agosto de 2014, a sonda já está a menos de 200 Km do núcleo do cometa e vai começar a orbitar em torno dele, a apenas 25 Km de distância do núcleo. A velocidade relativa entre os dois é agora de apenas alguns centímetros por segundo. A Rosetta começa então a fazer, em grande pormenor, mapas do núcleo para se escolherem cinco locais candidatos à aterragem pelo Philae. Ao fim de dez anos a sonda e o cometa encontram-se a uma distância de 675 milhões de quilómetros de distância do Sol.

Em Novembro de 2014, escolhido o local de aterragem, o Philae é libertado da Rosetta a uma altitude de um quilómetro em relação ao cometa e vai pousar com suavidade à velocidade de um metro por segundo. Dispara logo dois arpões para não fugir para o espaço, uma vez que, a atracção por gravidade exercida pelo cometa, com apenas quatro quilómetros de diâmetro, é muito fraca. Por outro lado, as três patas do Philae também estão equipadas com amortecedores. O módulo inicia, então, o envio de imagens de elevada resolução da superfície do cometa. Enviará, também, informações sobre os gelos e a composição da crosta. Os dados são enviados e armazenados na Rosetta, que os transmitirá depois para duas estações na Terra, um já existente, na Austrália e outra que entretanto será construída em Espanha.

Até Dezembro de 2015, a Rosetta escolta o cometa até ao Sistema Solar interior, a 135 mil milhões de quilómetros por hora e passará perto da órbita da Terra. Espera-se que o acompanhe até que este passe no periélio, a 186 milhões de quilómetros do Sol e provavelmente seja ejectada pela actividade do cometa.