Nota: Este artículo fue publicado en Cuentos Cuánticos como una colaboración mía hace una semana.

Tendemos a interpretar la astronomía con una base física especial, como si pudiéramos entender la inmensidad del Universo a partir de una única disciplina. Poco a poco hemos ido avanzando en esta concepción, si antes el cine era mudo ahora le añadimos sonido. ¿Qué os parece juntar Química y Física para salir a buscar fuera de nuestro planeta? El resultado puede ser un espectáculo para todos los sentidos y lo vamos a comprobar a continuación.

Uno de los fenómenos más curiosos de explicar y observar son los cometas. Lejos del estudio de su trayectoria u órbita, impacto y período, los cometas son un sistema termodinámico digno de contar.

En una forma estática y alejada del Sol (u otro cuerpo que orbiten) consideramos el cometa como un objeto rocoso formado de hielo sin ninguna morfología especial. A medida que el cuerpo se acerca a la fuente luminosa que orbita la morfología cambia, es decir, hay una polaridad celeste. El cometa se puede diseccionar en núcleo, coma y colas.

Como se aprecia en la imagen anterior, el aspecto de cualquier cometa varía considerablemente según su posición en el espacio. El núcleo es el cuerpo principal del cometa, aquella parte que se mantiene invariable morfológicamente a lo largo de su trayectoria pero varía en masa. La zona principal donde se hallan todos los componentes va sublimándose poco a poco mientras dura su recorrido periorbital al Sol. El conjunto de elementos y compuestos sublimados forma la coma. Es una especie de cola central, el producto de la sublimación dibuja la trayectoria del cuerpo. Por último las colas, que pueden ser de iones y polvo, proviene de la expulsión de materia más interna del núcleo.

El movimiento:

Siguiendo con la premisa de la introducción, el movimiento de un cometa puede ser estudiado físicamente pero el reto actual que se presenta es analizar químicamente la sopa de compuestos que varían y las reacciones que se dan en él durante sus etapas cercanas al Sol.

El movimiento del cometa al aproximar-se al Sol produce la sublimación de parte de éste y sus elementos se diferencian en la trayectoria según el tipo, es decir, tenemos diferentes colas. Cabe añadir que la consecuencia directa de que poco a poco vaya perdiendo masa es que el cuerpo adopta diferentes órbitas, generalmente elípticas, alrededor del cuerpo de mayor masa.

Una vez el cuerpo rocoso se acerca a la fuente de luz comienzan a formarse dos colas. La primera es la cola de polvo, que proviene de todo aquel material que se desprende de la superficie o de la parte interna del núcleo a la que se halla fuertemente unida y como hemos dicho anteriormente, recorre la trayectoria. La segunda cola en cambio sigue la dirección y sentido opuestos al Sol y está formada por gases. Éstos no proviene de una sublimación directa de materia sólida sino que se constituye en base a partículas cargadas positiva o negativamente que rompe su unión con las moléculas adyacentes y pasan a reaccionar en una cola secundaria que poco a poco se desvanece según el cometa va alejándose del Sol (interacciones débiles entre ellas).

Algunos de los cometas más famosos son el cometa Halley debido a su período de 75 años aproximadamente y por sus famosas visitas cerca de nuestro planeta (es el ejemplar más documentado a lo largo de la Historia). También los Tuttle por ser precursores de lluvias de meteoros ejemplares y visibles desde la Tierra. Por último tenemos el Shoemaker-Levy 9, que es el que tomamos a continuación como ejemplo a analizar.

Cometa Shoemaker-Levy 9:

El cometa descubierto por el matrimonio de los Shoemaker y su amigo Levy se hallaba de vuelta en su trayectoria alrededor del Sol cuando se  aproximó demasiado a Júpiter. Inesperadamente, rompió en más de 22 pedazos de 2km de diámetro. Éstos impactaron con el planeta entre el 16 i 22 de julio de 1994. A continuación adjuntamos una simulación con el programa “Universe Sandbox”.

Pero ahora nos preguntamos, ¿cómo se produjo la rotura aparente de tal cometa? Para explicarlo solo debemos recurrir a un par de conceptos termodinámicos, un diagrama de fases y un par de fórmulas como mucho.

En el diagrama anterior tenemos la división de los tres estados elementales del H2O según las coordenadas de presión y temperatura. El área comprendida por el estado sólido (hielo) se divide en diferentes tipos según unas coordenadas determinadas.  Ésto es lo que llamamos formas alotrópicas o alótropos. Podemos variar presión generalmente o temperatura y cambiamos de forma siempre manteniéndonos en estado sólido. La única diferencia principal  es la ordenación de los cristales y su forma. Teniendo en cuenta que el hielo común es el hielo tipo I, vemos que diferentes estados de cristalización podemos encontrar.

Lo que sucedió en el cometa Shoemaker-Levy 9 para romperse fue lo siguiente. Sabemos que estaba formado por un núcleo rocoso de hielo (tipo I), al acercarse al límite de Roche experimentó las fuerzas de marea. A resumidas cuentas, indicamos que la presión producida a efectos gravitatorios sobre el cuerpo del Shoemaker provocó un cambio de Hielo I a Hielo VI (aumentó hasta un GPa) de forma que la ordenación de los cristales disgregó el núcleo en hasta 22 fragmentos diferentes que finalmente impactaron en la superficie de Júpiter.

Como puede apreciarse en la simulación, provocaron brechas visibles desde telescopio mucho más significativas  a la vista que la Gran Mancha Roja. Durante el impacto, las capas más bajas de la atmosfera del planeta fueron proyectadas hacia la superficie de manera que permitió un estudio más exhaustivo desde grandes telescopios como el Hubble. Analizando los elementos según el espectro de absorción se determinó que la composición de las capas más profundas contenía desde H2S hasta S2, pasando por CS2 y NH3. Fue sorpresa la ausencia de cualquier compuesto oxigenado. Las nuevas nubes que se formaron también fueron analizadas pero al contener trazas del cometa se consideran espectros contaminados de manera que no se puede detallar con exactitud que serie de elementos pertenecen a Júpiter o al cometa.

Como siempre, podemos hacernos muchas preguntas al respecto. ¿Puede suceder tal fenómeno en otro cuerpo? ¿Era el caso Shoemaker predictible o fue una excepción? ¿Con qué frecuencia ocurren estos cambios alotrópicos? ¿Actúa Júpiter como un imán gravitacional sobre otros cuerpos menores?

Además, explicado grosso modo, no solo el agua en estado sólido tiene formas alotrópicas, sino muchos más elementos y metales. Pero eso es otra historia y deberá ser contada en otro momento …

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