Les acceleracions no-gravitacionals del cometa interestel·lar 3I/ATLAS

Astrometria: El passat 29 d’octubre el cometa interestel·lar 3I/ATLAS va fer el pas pel periheli, quedant a una distància de 1,4 UA del Sol. Aquesta setmana 3I/ATLAS farà la màxima aproximació a la Terra, a una distància de 1,8 UA. L’objecte ha pogut ésser estudiat des de la Terra i des de diferents cosmonaus. T. Marshall Eubanks et al. publiquen un article a Research Notes of the ASS en el que ens venen a dir que la trajectòria d’aquest cometa entra dins del rang típic. Ho fan a partir de sis observacions de dues cosmonaus interplanetàries. Recordem que 3I/ATLAS, com el seu nom indica, és el tercer objecte interestel·lar conegut. Com passa amb qualsevol objecte astronòmic en la seva trajectòria hi participen les interaccions gravitatòries i fenòmens no-gravitatoris. L’ús d’observacions terrestres des de maig a desembre serien prou suficients per donar-nos una idea de les primeres, però per descriure l’acceleració no-gravitacional amb prou precisió resulten fonamentals les observacions realitzades per cosmonaus allunyades de la Terra. Eubanks et al. redueixen d’aquesta manera els errors formals d’aquests paràmetres en un 20-40%. L’acceleració no-gravitacional juga un paper significatiu en la trajectòria de 3I/ATLAS, amb una magnitud vectorial a 1 UA de 89,3±4.6·10^-9 UA·dia^-2 i una diferència temporal (ΔT) de -34,60±2,62 dies. Aquesta acceleració no-gravitatòria fa un pic un mes abans del periheli. Eubanks et al. estimen així que la massa de 3I/ATLAS és de 44 milions de tones a principi d’agost del 2025, la qual cosa equivaldria a un radi de nucli dominat per neu carbònica (CO₂) de 374 m.

J. Miller & M. Rodriguez (International Gemini Observatory/NSF NOIRLab), T.A. Rector (University of Alaska Anchorage/NSF NOIRLab), M. Zamani (NSF NOIRLab) van aconseguir aquesta imatge de 3I/ATLAS el 26 de novembre amb el telescopi Gemini North, de Hawaii

3I/ATLAS, un objecte interestel·lar

La determinació de l’òrbita d’objectes interestel·lars (ISO) ens informa del seu origen, de la seva cinemàtica i de les seves propietats nuclears. L’acceleració n’és el paràmetre clau. En l’actualitat la determinació de l’òrbita d’ISOs no depèn exclusivament d’observacions preses a la superfície de la Terra o en l’òrbita baixa terrestre, sinó que també hem de recórrer a les sondes interplanetàries que segueixen òrbites heliocèntriques.

L’acceleració no-gravitacional

Els cometes es defineixen per una activitat consistent en l’emissió de gasos (CO, CO₂, H₂O) per sublimació que, juntament, amb partícules de pols, integren la coma o cabellera, i la cua, i poden acabar formant eixams de meteors. Aquest procés de pèrdua de material del nucli cometari pot provocar acceleracions de la trajectòria que no obeeixen a les interaccions gravitatòries. L’acceleració no-gravitatòria d’un cometa es pot modelar amb paràmetres constants i un terme escalant g(r) que depèn de la distància heliocèntrica r(t), assumint que g(1 UA) = 1. Els paràmetres que cal resoldre són Ai, on i = 1, 2, 3 fan referència a les acceleracions radial, transversal i perpendicular respecte del pla orbital.

La coma de 3I/ATLAS es troba dominada pel diòxid de carboni (CO₂), i cal pensar que aquest és el material predominant del nucli. Això fa pensar que g(r) seria propera a l’invers del quadrat de la distància heliocèntrica (1/r²). El valor de ΔT dependria de g(r(t)), de manera que g’(r(t)) = g(r(t+ΔT). El pic d’emissions de gasos tindria lloc al voltant del periheli, abans o després segons quin sigui el signe de ΔT.

En el cas de 1I/’Oumuamua, hom disposa de 111 observacions preses entre el 18 d’octubre del 2017 i el 2 de gener del 2018. El cas de 2I/Borisov hom disposa de 2117 observacions preses entre el 17 de març del 2019 i el 28 d’abril del 2020.

Per a 3I/ATLAS hom disposa de 4836 observacions entre el 8 de maig del 2025 i l’1 de desembre. Eubanks et al. empren 4194 observacions per fer les seves estimacions. El conjunt E d’observacions inclou totes les dades òptiques preses per observatoris terrestres així com astrometries dels satèl·lits TESS i HST (Telescopi Hubble). El conjunt P afegeix a E dos observacions per la sonda Psyche, realitzades el 8 de setembre i el 29 d’octubre. El conjunt TGO afegeix a E quatre observacions del Trace Gas Orbiter fetes el 3 d’octubre.

L’estimació de la massa de 3I/ATLAS

Com que hi ha acceleració no-gravitacional significativa, Eubanks et al. s’animen a fer una estimació de la massa de 3I/ATLAS a partir de la fórmula:
Ma = (dM/dt)·v.
a és la magnitud de l’acceleració no-gravitacional. dM/dt és la taxa total de pèrdua de massa degut a l’emissió de gasos. v és la velocitat d’aquests gasos.

La velocitat v dels gasos emesos depèn de la massa molecular d’aquests gasos:
v=ζ(8kT/πm)^1/2.
on k és la constant de Boltzmann, T és la temperatura, m és la massa molecular (7,38·10^-26 en el cas del CO₂) i ζ és una constant 0,5-0,6.
de forma que v seria aproximadament de 155 m·s^-1.

Les observacions del JWST de principi d’agost oferien un valor de dM/dt de 150 kg·s^-1 quan el cometa es trobava a 3,3 UA del Sol. A 1,8 UA, el 24 de setembre, el valor d’a era de 8,9·10^-9 UA·dia^-2.

Així la massa de 3I/ATLAS seria de 4,4·10¹⁰ kg (44 milions de tones mètriques). Si assumim que el nucli cometari té una densitat entre 200 i 600 kg·m^-3, el radi seria entre 260 i 374 metres.

La natura de 3I/ATLAS

El radi del nucli cometari 3I/ATLAS es trobaria entre 260 i 374 metres. L’estimació del nucli cometari 2I/Borisov era entre 200 i 500 metres.

L’astrometria indica que 3I/ATLAS pateix una acceleració no-gravitacional en els tres components (radial, transversal i perpendicular). Hi ha un desplaçament significatiu en el pic d’acceleració respecte del periheli. Eubanks et al. confien que l’addició de cinc conjunts de dades d’altres sondes interplanetàries afinarà una mica més l’estimació de massa i de radi.

Lligams:

- Astrometry with Interplanetary Spacecraft: Determination of the Non-gravitational Accelerations of the Interstellar Object 3I/ATLAS. T. Marshall Eubanks, Adam Hibberd, Bruce G. Bills, W. Paul Blase, Andreas M. Hein, Robert G. Kennedy III, Adrien Coffinet, Pierre Kervella. Research Notes of the AAS 9: 329 (2025).