Kom dansen kometen

Momenteel mogen we ‘s nachts genieten van het aanzicht van Neowise. Deze komeet komt tot 23 juli steeds dichter bij de aarde. Daarna trekt Neowise weer dieper ons zonnestelsel in. Vanaf de aarde gezien, maken kometen een merkwaardige dans waarbij de helderheid alsmaar op en neer gaat.

Hoe mooi is het dat wij ons nog altijd kunnen verwonderen over dit zeldzame verschijnsel? In prehistorische tijden zal het aanzien van een komeet overweldigend zijn geweest. De zon, de maan en de sterren zijn dagelijkse fenomenen aan de hemel. En dan ineens is er een nieuw stipje aan de hemel zichtbaar. Een stipje met een staart. Gedurende enkele weken danst de komeet eigenzinnig voor de sterren langs. En dan wordt het stipje langzaam weer zwakker. De staart verdwijnt. Er blijft niets over, behalve het mysterie.

Inmiddels verhullen kometen nog maar weinig geheimen. We weten nu dat het een soort vuile sneeuwballen zijn. Ze bestaan uit ijs, gas en stof en ze hebben een staart die wel miljoenen kilometers lang kan worden. We zijn zelfs een keer op een komeet geland. Het ruimteschip Philae heeft in 2014 prachtige plaatjes gemaakt. Die kunnen we allemaal bewonderen op de website van de Europese Ruimtevaartorganisatie ESA. Zie comet-viewer. Onze kennis van kometen doet echter niets af aan het enthousiasme dat ook niet-wetenschappers ertoe drijft om tot diep in de nacht op te blijven en een glimp van Neowise op te vangen. Of om er prachtige foto’s van te maken, zoals die van Karin Rozeboom hieronder. Maar hoe zit het met de baan van kometen? En waarom bewegen ze zich anders dan de sterren en planeten? Welk verhaal verschuilt zich achter die eigenaardige dans?

Figuur 1: Foto van Neowise, gemaakt op 15 juli 2020 door Karin Rozeboom

Als ik even kritisch mag zijn: de sterren bewegen maar saai. Ik heb het hier over de schijnbare beweging aan de hemel. Sterren staan altijd op dezelfde afstand van elkaar en draaien eindeloos cirkeltjes rond de Poolster. Planeten zijn al iets leuker. Ze bewegen schijnbaar tussen de sterren door. Dat komt omdat ze veel dichterbij staan. Planeten draaien rondjes rond de zon. Daardoor verandert de plek die ze aan de hemel innemen. Vanuit de aarde gezien, bewegen ze in zogenaamde epicykels. Dat zijn cirkelbanen bovenop cirkelbanen (zie epicykel). Leuk, maar kometen weten pas echt hoe ze de hemelse dansvloer moeten veroveren. Het geheim zit ‘m in de wetten van Kepler.

Johannes Kepler was een Duitse astronoom. In 1609 publiceerde hij twee wetten. Alle hemelse lichamen binnen ons zonnestelsel gehoorzamen deze wetten. De eerste wet stelt dat ieder object in ons zonnestelsel in een baan om de zon beweegt. Zo’n baan heeft de vorm van een ellips. Een ellips heeft twee brandpunten (zie brandpunt). De zon staat in een van de twee brandpunten van dit wiskundig figuur. Figuur 2 toont een voorbeeld van zo’n ellips en de brandpunten. De brandpunten kunnen ver uit elkaar liggen. De ellips is dan heel lang en plat. De brandpunten kunnen ook heel dicht bij elkaar liggen. Wanneer de twee brandpunten vlak bij elkaar liggen, is de ellips bijna gelijk aan een cirkel. Dit is het geval bij de banen van planeten. Daarom zeggen we vaak dat de aarde in een cirkel rond de zon draait. Dit klopt bijna, maar net niet helemaal. Dat heeft een bijzonder gevolg. Hier kom ik in een latere blog nog op terug.

Figuur 2: Illustratie van de eerste wet van Kepler. De blauwe ellips toont de baan van een object dat rond de zon draait (in dit geval een planeet). Het stipje rechts is een brandpunt van de ellips. De zon staat in het andere brandpunt.
Bron: Arpad Horvath en Rubber Duck; CC BY-SA 3.0.

De banen van zichtbare kometen zijn juist heel uitgerekt, precies het tegengestelde van de banen van planeten die bijna cirkels zijn. Dat komt omdat de meeste kometen lang geleden gevormd zijn op tientallen miljarden kilometers afstand van de zon. Ze zijn veel verder van de zon verwijderd dan de planeten. In eerste instantie hebben kometen – net zoals de planeten – een cirkelbaan rond de zon. Wanneer een ster in de buurt komt van ons zonnestelsel dan verstoort de zwaartekracht van deze ster de banen van kometen. Kometen kunnen dan naar de zon toe vallen. (Het gaat hier over tijdschalen van miljarden jaren.) Het ijs aan de oppervlakte van de komeet verdampt als deze dicht bij de zon komt. Waterdamp en stofdeeltjes vloeien daarbij de ruimte in en vormen de staart van de komeet. Tijdens de val naar de zon neemt de snelheid van de komeet toe. Het slingert rond de zon en vertrekt weer naar de plek waar het vandaan kwam. Deze verandering in snelheid wordt beschreven door de tweede wet van Kepler. Om deze wet te visualiseren trekken we een denkbeeldige lijn van de komeet naar de zon toe. Nu wachten we een dag en houden in de gaten hoe deze lijn een oppervlak in de ruimte traceert. Dit oppervlak is altijd gelijk, ongeacht waar op de ellips de komeet zich bevindt. De onderstaande animatie laat dit zien.

Figuur 3: Animatie van de tweede wet van Kepler. Het blauwe oppervlakte blijft altijd even groot.
Bron: Gonfer; CC BY-SA 3.0.

De baan van de komeet is dus extreem uitgerekt. Daarnaast beweegt de komeet ook nog eens heel langzaam wanneer het ver van de zon (en van de aarde) af staat. Het merendeel van de tijd staan kometen dus heel ver weg. Dat zorgt ervoor dat kometen zeldzame verschijnselen zijn die we maar heel eventjes mogen bewonderen.

Er volgde ook een derde wet van Kepler. Deze vertelt ons dat de omlooptijd van een hemellichaam rond de zon louter bepaald wordt door de omvang van de baan. Hiermee kunnen we de banen van kometen en alle hemellichamen in ons zonnestelsel beschrijven. Zo moeilijk is de dans dus niet. Maar de dans van kometen is wel heel sierlijk. Dat komt omdat niet alleen de komeet beweegt, maar ook de aarde. De aarde draait immers haar eigen rondje rond de zon en draait ook om haar eigen as. Het lijkt wel een kermisattractie. Wij staan op een tol die een grote cirkel om de zon maakt en we kijken naar dat hemellichaam met een staart dat in een ellips naar de zon toe valt en als een katapult weer de ruimte in geslingerd wordt.

En zo danst Neowise de aarde voorbij, vrij als een vogel, over de muur, over het IJzeren gordijn.

Meer sterrenkunde lees je in mijn boek ‘Telescopen en Tijdmachines‘.

Leave a Reply

Your email address will not be published. Required fields are marked *