| |||
|
Týdeník věnovaný aktualitám a novinkám z fyziky a astronomie. | |||
|
Překvapení z Pluta
Jakub Rozehnal
Tento týden byl pro planetární astronomy i ostatní příznivce astronomie a kosmonautiky velkým svátkem. Po cestě trvající 9,5 roku dorazila ke svému primárnímu cíli sonda New HorizonsNew Horizons – americká sonda, která se vydala na cestu k Plutu v lednu 2006. Sonda byla vynesena raketou Atlas V551. Opuštění Zeměkoule bylo propočteno tak, aby sonda letěla nejprve k Jupiteru, který ji urychlil na cestu k Plutu. Po průletu kolem Pluta a Charónu v červenci 2015 mise pokračuje do oblasti dalších transneptunických těles v Kuiperově pásu.. Při průletu kolem trpasličí planetyTrpasličí planeta – nebeské těleso, které: 1) obíhá okolo Slunce. 2) má dostatečnou hmotnost, aby jeho gravitace překonala vnitřní síly pevného tělesa (dosáhne přibližně kulatého tvaru odpovídajícího hydrostatické rovnováze). 3) není satelitem jiného tělesa. 4) nevyčistí okolí své dráhy od drobných těles (na rozdíl od planety). K typickým trpasličím planetám patří velká tělesa Kuiperova pásu, z nichž nejznámější je Pluto. Pluto sonda pořídila přes stovku snímků s úžasným rozlišením až 250 m na pixel. Pluto byl v době startu sondy ještě „oficiálně“ považován za planetuPlaneta – nebeské těleso, které: 1) obíhá okolo Slunce. 2) má dostatečnou hmotnost, aby jeho gravitace překonala vnitřní síly pevného tělesa (dosáhne kulového tvaru odpovídajícího hydrostatické rovnováze). 3) vyčistí okolí své dráhy od drobnějších těles. Planetami jsou Merkur, Venuše, Země, Mars, Jupiter, Saturn, Uran a Neptun. V poslední době se název planeta vžil i pro exoplanety obíhající kolem jiných hvězd, než je naše Slunce., poslední, kterou člověk zblízka nezkoumal. Vášně, které planuly a tu a tam stále doutnají kolem nově zavedeného pojmu trpasličí planety, a tím pádem i „vyškrtnutí“ Pluta ze seznamu planet, udělaly z předmětu výzkumu sondy atraktivní cíl i pro nejširší veřejnost.
Globální snímek Pluta ze vzdálenosti 768 000 km. Jedná se o složení černobílého snímku s vysokým rozlišením, který byl pořízen přístrojem LORRI (Long Range Reconnaissance Imager), a barevného snímku s nižším rozlišením, který pořídil přístroj Ralph. Bílá pláň ve tvaru srdce, pojmenovaná po objeviteli Pluta Clyde Tombaughovi, je tvořena dusíkovým a metanovým sněhem. Zdroj: NASA/APL/SwRI.
|
Pluto – spolu s Charonem tvoří trpasličí dvojplanetu v Kuiperově pásu, která patří do rodiny plutoidů. Do roku 2006 byl Pluto řazen konvenčně mezi planety. V blízkosti jsou čtyři menší měsíce Nix, Hydra, Kerberos a Styx. Pluto oběhne Slunce jednou za 248 pozemských let po protáhlé, eliptické dráze. Kolem vlastní osy se otáčí v opačném smyslu, než obíhá. Jeho povrch, kde je nejvíce zastoupen dusíkový a metanový led, dobře odráží světlo. Dráha Pluta je mimořádně excentrická, v některých obdobích je blíže ke Slunci než Neptun (1979–1999). Sklon dráhy k rovině ekliptiky je 17,1°. Sklon rotační osy od kolmice na rovinu dráhy je 122,5°. Pluto se, podobně jako Uran, odvaluje v rovině dráhy. Planeta – nebeské těleso, které: 1) obíhá okolo Slunce. 2) má dostatečnou hmotnost, aby jeho gravitace překonala vnitřní síly pevného tělesa (dosáhne kulového tvaru odpovídajícího hydrostatické rovnováze). 3) vyčistí okolí své dráhy od drobnějších těles. Planetami jsou Merkur, Venuše, Země, Mars, Jupiter, Saturn, Uran a Neptun. V poslední době se název planeta vžil i pro exoplanety obíhající kolem jiných hvězd, než je naše Slunce. Trpasličí planeta – nebeské těleso, které: 1) obíhá okolo Slunce. 2) má dostatečnou hmotnost, aby jeho gravitace překonala vnitřní síly pevného tělesa (dosáhne přibližně kulatého tvaru odpovídajícího hydrostatické rovnováze). 3) není satelitem jiného tělesa. 4) nevyčistí okolí své dráhy od drobných těles (na rozdíl od planety). K typickým trpasličím planetám patří velká tělesa Kuiperova pásu, z nichž nejznámější je Pluto. New Horizons – americká sonda, která se vydala na cestu k Plutu v lednu 2006. Sonda byla vynesena raketou Atlas V551. Opuštění Zeměkoule bylo propočteno tak, aby sonda letěla nejprve k Jupiteru, který ji urychlil na cestu k Plutu. Po průletu kolem Pluta a Charónu v červenci 2015 mise pokračuje do oblasti dalších transneptunických těles v Kuiperově pásu. NASA – National Aeronautics and Space Administration, americký Národní úřad pro letectví a kosmonautiku, byl založen prezidentem Eisenhowerem 29. července 1958. Jde o instituci zodpovědnou za kosmický program USA a dlouhodobý civilní i vojenský výzkum vesmíru. K nejznámějším projektům patří mise Apollo, která v roce 1969 vyvrcholila přistáním člověka na Měsíci, mise Pioneer, Voyager, Mars Global Surveyor a dlouhá řada dalších. |
Tento bulletin zveřejňujeme ve chvíli, kdy je 99 % dat stále uloženo v počítači na palubě sondy. Maximální přenosová rychlost dat je zhruba 4 kb za sekundu (momentálně dosahuje asi 1 kbps), takže obrovské nekomprimované snímky povrchu se budou na Zemi přenášet následujících 16 měsíců. To, co zatím bylo uveřejněno, jsou pouze komprimované snímky pořízené během letových fází předcházejících maximálnímu přiblížení. Co lze na základě těchto dosud relativně kusých informací o systému Pluta říci?
Pro astronomy, kteří se zabývají vznikem a vývojem sluneční soustavy, mohou být první snímky trochu čarou přes rozpočet. Ne snad proto, že by nebyly úžasné. Ale proto, že odhalují fakta, se kterými se příliš nepočítalo. Vezměme to popořádku.
PlutoPluto – spolu s Charonem tvoří trpasličí dvojplanetu v Kuiperově pásu, která patří do rodiny plutoidů. Do roku 2006 byl Pluto řazen konvenčně mezi planety. V blízkosti jsou čtyři menší měsíce Nix, Hydra, Kerberos a Styx. Pluto oběhne Slunce jednou za 248 pozemských let po protáhlé, eliptické dráze. Kolem vlastní osy se otáčí v opačném smyslu, než obíhá. Jeho povrch, kde je nejvíce zastoupen dusíkový a metanový led, dobře odráží světlo. Dráha Pluta je mimořádně excentrická, v některých obdobích je blíže ke Slunci než Neptun (1979–1999). Sklon dráhy k rovině ekliptiky je 17,1°. Sklon rotační osy od kolmice na rovinu dráhy je 122,5°. Pluto se, podobně jako Uran, odvaluje v rovině dráhy. podle současných teorií vznikl v době před 4,2 až 4,4 miliardami let v transneptunickém disku, který se tehdy rozprostíral ve vzdálenostech od 20 do 40 auAU – astronomická jednotka (Astronomical Unit), původně střední vzdálenost Země od Slunce, v roce 2012 ji IAU definovala jako 149 597 870 700 m přesně a změnila zkratku z AU na au. Astronomická jednotka se používá především pro určování vzdáleností ve sluneční soustavě, pro přibližné odhady postačí hodnota 150 milionů kilometrů., tedy výrazně blíže (zhruba dvakrát), než je jeho současná poloha. Tento disk byl relativně hmotný, jeho hmotnost odhadujeme na 30–50 násobek hmotnosti ZeměZemě – největší z planet zemského typu. Je jedinou planetou v celém vesmíru, o které víme, že na ní existuje život. Má dostatečně hustou atmosféru, dostatek kapalné vody v povrchových oceánech. Kolem Země obíhá jediný měsíc s vázanou rotací. Při pozorování Země z kosmu vidíme hlavně modrou barvu oceánů. 70 % povrchu Země je pokryto oceány, 30 % tvoří kontinenty. Země sestává z těchto vrstev: jádro, plášť, kůra, troposféra, stratosféra, mezosféra, termosféra. Plášť a kůra jsou odděleny tzv. Mohorovičiæovým rozhraním. Kůra se posouvá a „plave“ na polotekutém plášti. Teplota v centru Země je 5 100 °C, tlak 360 GPa. Magnetické pole Země má přibližně dipólový charakter, je deformováno slunečním větrem do typického tvaru., což by stačilo ještě na jednu planetu velikosti UranuUran – jedna ze čtyř obřích planet, sedmá planeta sluneční soustavy má charakteristický modrozelený nádech. Průměrná hvězdná velikost 5,5m je na hranici viditelnosti lidským okem. Planeta má soustavu prstenců a kolem krouží rozsáhlý systém měsíců podobně jako u ostatních obřích planet. Kromě vodíku a helia obsahuje atmosféra také metan, způsobující namodralé zbarvení. Ve středu Uranu je jádro z hornin a železa. Rotační osa Uranu je vzhledem k rovině oběhu stočená na bok (98°), patrně díky střetu s jinou velkou planetou při vzniku sluneční soustavy. Rotace je diferenciální s periodou 16÷17 hodin. Rychlost větrů v atmosféře dosahuje až 600 km/h. Magnetická osa svírá s osou rotace úhel 59° a je značně excentrická (prochází 8 000 km od středu planety). Magnetosféra je výrazná, intenzita pole je srovnatelná s intenzitou pole Země, ohon je zkroucen do tvaru vývrtky díky vlastní rotaci planety. nebo NeptunuNeptun – poslední z obřích planet. Podobně jako ostatní obří planety má prstence, rozsáhlou soustavu měsíců a pásovitou strukturu atmosféry s obřími víry – skvrnami. Neptun je téměř stejně velký jako Uran. Průměrná hvězdná velikost je 7,8m, a proto nemůže být pozorován okem. Atmosféra má pásovitou strukturu, rotace je diferenciální s průměrnou periodou 19 hodin. Vlastní rotační perioda planety je 16 hodin, atmosféra tedy vzhledem k povrchu rotuje retrográdně. V atmosféře se nachází obří anticyklóny, například Malá a Velká temná skvrna. Atmosféra má zelenomodrou barvu, v horních vrstvách převládá vodík a helium. Modrozelené zabarvení je způsobeno stopami metanu. Rychlosti větru naměřené sondou Voyager 2 přesahují 2 000 km/h. Magnetické pole má dipólový charakter, osa je skloněna 47° vzhledem k rotační ose a posunutá od středu o 0,55 poloměru.! Plošná hustota protoplanetárního disku, která přirozeně klesala se vzdálenstí od SlunceSlunce – nám nejbližší hvězda, tzv. hvězda hlavní posloupnosti, která se nachází ve vzdálenosti 149,6×106 km od Země. Jde o žhavou plazmatickou kouli s průměrem 1,392×106 km, teplotou na povrchu 5 780 K, teplotou v centru přibližně 15×106 K a zářivým výkonem 3,846×1026 W. Zdrojem energie je jaderná syntéza, při které se za každou sekundu sloučí v jádru Slunce 700 milionů tun vodíku na hélium., však již byla příliš nízká na to, aby zde došlo k akreci větších planetárních embryí, jež by na sebe mohla nabalit okolní plyn, a stát se tak plnohodnotnou planetou.
Pluto se tedy podle našich představ stal v raných fázích vzniku sluneční soustavy největším představitelem transneptunických tělesTNO (Trans Neptunian Objects) – tělesa nacházející se za oběžnou drahou Neptunu, jiný název objektů Kuiperova pásu. Historicky se dělila na plutina, objekty s oběžnou drahou podobnou Plutu a Charonu, která rezonuje s drahou Neptunu 2:3; klasické objekty Kuiperova pásu s drahou za drahou Pluta a rozptýlené objekty Kuiperova pásu. Novými TNO objekty jsou od roku 2006 trpasličí planety, mezi které patří velká TNO tělesa, například Pluto, Charon a Xena., která se do dnešního dne zachovala. Čekal ho však velmi zajímavý osud. V období nestability sluneční soustavy, následované prudkou migrací ledových obrů směrem do transneptunického disku, byl zachycen v rezonanciRezonance – vlastnost pohybu dvou těles ve Sluneční soustavě, při které jsou jejich doby oběhu v poměru malých celých čísel. V takovém případě nastává mezi tělesy gravitační vazba (rezonance), která ovlivňuje stabilitu tohoto uspořádání. Rezonance může také nastat v rámci dvou různých pohybů jediného tělesa, zpravidla jeho oběhu kolem Slunce a rotace kolem osy. Pak hovoříme o spinorbitální rezonanci. středních pohybů 2:3 s NeptunemNeptun – poslední z obřích planet. Podobně jako ostatní obří planety má prstence, rozsáhlou soustavu měsíců a pásovitou strukturu atmosféry s obřími víry – skvrnami. Neptun je téměř stejně velký jako Uran. Průměrná hvězdná velikost je 7,8m, a proto nemůže být pozorován okem. Atmosféra má pásovitou strukturu, rotace je diferenciální s průměrnou periodou 19 hodin. Vlastní rotační perioda planety je 16 hodin, atmosféra tedy vzhledem k povrchu rotuje retrográdně. V atmosféře se nachází obří anticyklóny, například Malá a Velká temná skvrna. Atmosféra má zelenomodrou barvu, v horních vrstvách převládá vodík a helium. Modrozelené zabarvení je způsobeno stopami metanu. Rychlosti větru naměřené sondou Voyager 2 přesahují 2 000 km/h. Magnetické pole má dipólový charakter, osa je skloněna 47° vzhledem k rotační ose a posunutá od středu o 0,55 poloměru.. Tato planeta, tlačící se do planetesimálního disku, před sebou vytvořila na hranici rezonance jakousi past, podobnou lžíci bagru, do které při své migraci „chytala“ malá tělesa původního disku planetesimál. Vznikla tak skupina plutinPlutina – objekty s oběžnou drahou podobnou Plutu a Charonu, která rezonuje s Neptunovou v poměru 2:3 (na dva oběhy plutin připadnou 3 oběhy Neptunu). Odhaduje se, že objektů s průměrem větším než 100 km je zhruba 1 400. Největšími zástupci jsou pochopitelně Pluto a Charon., početné populace těles zachycených v rezonanci, jež časem z rezonance „čerpaly energii“ v podobě zvyšující se excentricityExcentricita – výstřednost, poměr vzdálenosti ohniska od středu elipsy k délce hlavní poloosy. U pohybu těles v gravitačním poli jde o jeden ze základních dráhových elementů.. Tak si vysvětlujeme velkou excentricitu Pluta a těles jemu podobných. Jejich dráha je natolik excentrická, že se v perihleiu přibližují ke Slunci více než Neptun, ale nikdy se s touto planetou díky rezonanci nesrazí. Populace plutin tak vytváří jakousi přirozenou vnitřní hranici dnešního Kuiperova pásuKuiperův pás – oblast malých těles za drahou Neptunu. Vnitřní okraj pásu se nachází ve vzdálenosti asi 30 a vnější asi ve vzdálenosti 500 astronomických jednotek od Slunce. Je „položen“; do roviny ekliptiky. Dnes známe tisíce objektů Kupierova pásu a předpokládá se, že existuje přes 100 000 objektů s velikostí větší než 100 kilometrů. Průměry těles nepřesahují (až na ojedinělé výjimky) 400 km. Celková hmotnost všech těles se odhaduje na 0,1 hmotnosti Země. Nejznámějším tělesem Kuiperova pásu je Pluto..
Povrch Pluta v oblasti rovníku ze vzdálenosti 77 000 km. Snímek ukazuje pohoří o výšce 3,5 km nad povrchem. Stáří pohoří je maximálně 100 milionů let a geologická aktivita, vedoucí k jeho vzniku, možná pokračuje i v dnešní době. Zdroj: NASA/JHUAPL/SwRI.
O malých tělesech obíhajících za drahou Neptunu jsme očekávali, že nebudou příliš geologicky aktivní – tedy že jejich povrch bude velmi starý. To by pro nás bylo přínosné v tom, že v četnosti a stáří kráterů by byla zaznamenána celá 4 miliardy let stará historie nejzazších končin sluneční soustavy. A právě v tomto ohledu nás snímky ze sondy New HorizonsNew Horizons – americká sonda, která se vydala na cestu k Plutu v lednu 2006. Sonda byla vynesena raketou Atlas V551. Opuštění Zeměkoule bylo propočteno tak, aby sonda letěla nejprve k Jupiteru, který ji urychlil na cestu k Plutu. Po průletu kolem Pluta a Charónu v červenci 2015 mise pokračuje do oblasti dalších transneptunických těles v Kuiperově pásu., jak naznačují první dva podrobnější snímky povrchu Pluta, velmi překvapily. Místo nudného zaprášeného povrchu posetého krátery jsme objevili aktivní svět s horami vysokými přes 3 kilometry, rozsáhlými ledovými pláněmi poprášenými dusíkovýmDusík – Nitrogenium, plynný chemický prvek tvořící hlavní složku zemské atmosféry. Patří mezi biogenní prvky, které jsou základními stavebními kameny živé hmoty. Tento plyn popsal jako první Němec Carl Wilhelm Scheele v roce 1777. Poté co bylo zjištěno, že je kyselina dusičná odvozena od dusíku, pro něj Chaptal navrhl název nitrogéne, což znamená ledkotvorný, který se udržel v latinském označení nitrogenium. a metanovýmMetan – nejjednodušší uhlovodík, CH4. Patří mezi tzv. alkany. Při pokojové teplotě je to netoxický plyn bez barvy a zápachu, lehčí než vzduch. Hlavním zdrojem metanu je přírodní surovina, zemní plyn. sněhem, v případě měsíce Charonu i obrovský kaňon s hloubkou kolem 9 km. Stáří povrchu geologové předběžně odhadli na pouhých 100 milionů let, což je z astronomického i geologického hlediska pouhý okamžik. Geologická aktivita má zřejmě podobu kryovulkanizmuKryovulkanizmus – druh sopečné činnosti, při které dochází k výronům chladné hmoty. Na rozdíl od vulkanizmu při kryovulkanizmu sopky chrlí látku při velice nízkých teplotách., štíty hor jsou tvořeny ledem, který je při teplotě −230 °C pevný jako skála.
K tomu, aby byl kryovulkanický mechanismus aktivní, potřebuje těleso vnitřní zdroj tepla, které je s to roztavit led na tekutou fázi, která vyvěrá v aktivních místech na povrch. Kryovulkanickou aktivitu pozorujeme na větších i menších tělesech, než je Pluto. Kryovulkány najdeme jak na Jupiterově měsíci Ganymedu, který je dvakrát větší, tak na SaturnověSaturn – druhá největší planeta Sluneční soustavy. Je charakteristická dobře viditelným prstencem. Saturn je od Slunce desetkrát dále než Země, a proto je jeho teplota velmi nízká (−150 °C). Průměrná hustota planety 0,7 g·cm−3 je nejnižší z celé sluneční soustavy, dokonce nižší než hustota vody. Saturn patří k obřím planetám. Oběhne Slunce za 30 let, kolem vlastní osy se otočí za pouhých 10 hodin. Rychlá rotace způsobuje vznik pásů. V atmosféře jsou pozorovány velké žluté či bílé skvrny. Atmosféra je tvořena oblaky čpavku, vodíkem a heliem. V nitru je snad malé jádro z křemičitanů obklopené kovovým vodíkem. Vítr v atmosféře dosahuje rychlosti až 1 800 km/h. Magnetické pole má dipólový charakter s osou téměř rovnoběžnou s rotační osou. měsíci Enceladu, který je bezmála pětkrát menší. Kryovulkanickou aktivitu možná vykazuje i Uranův měsíček Mab, přestože jeho velikost odhadujeme na pohých 24 km! Z hlediska velikosti tedy není kryovulkanizmus nijak omezen. Ve všech uvedených případech se však jedná o měsíce velkých planet, které jsou zahřívány slapovýmSlapová síla – rozdíl gravitačních sil působících na různé části tělesa. Například Země působí na naše nohy větší gravitační silou než na hlavu, rozdíl je ale zanedbatelný. Slapové síly Měsíce působící na Zemi jsou příčinou přílivu a odlivu a také příčinou výměny momentu hybnosti mezi Měsícem a Zemí, která vede k postupnému vzdalování Měsíce. Obdobná slapová vazba existuje mezi Zemí a Sluncem a je pravděpodobně hlavní příčinou současného vzdalování Země od Slunce. Ve větších měřítkách působí slapové síly například při prolínání dvou galaxií. „hnětením“. V případě Jupiterova měsíce Ganymedes nám to může připadat podivné, když Ganymedes obíhá s vázanou rotací. Pokud si však uvědomíme, že dráha tohoto galileovského satelitu je díky rezonancím s ostatními velkými měsíci Jupiteru mírně excentrická, měsíc librujeLibrace – malé periodické výkyvy v rotaci měsíce nebo planety způsobené nejrůznějšími vlivy. (jako by se „kýval“), takže gravitace Jupiteru na něj působí střídavě v odlišných směrech. Podobné slapové zahřívání se projevuje i u měsíce Enceladu. V případě Pluta však máme problém. Je zde sice velký satelit, Charon, ovšem systém je ve vzájemně vázaném stavu – obě tělesa obíhají s vázanou rotací kolem společného těžiště po prakticky kruhových drahách (excentricita dráhy Charonu je 0,00). Kde se tedy bere teplo nutné k vybuzení kryovulkanické aktivityKryovulkanizmus – druh sopečné činnosti, při které dochází k výronům chladné hmoty. Na rozdíl od vulkanizmu při kryovulkanizmu sopky chrlí látku při velice nízkých teplotách.? Zatím nevíme. Jednou z možností je teplo uvolňované rozpadem radionuklidů, ale kde se jich dostatečné množství vzalo v tak vzdálených končinách? Protoplanetární disk byl díky působení slunečního větru v raných fázích chemicky diferencován, takže těžké netěkavé prvky, mezi které radionuklidy patří, zůstaly ve vnitřních částech disku, zatímco lehké a těkavé látky se dostaly do jeho vnějších částí. A právě zde podle našich představ vznikl Pluto. Záhada kryovulkanizmu je tedy prozatím nevyřešena.
Různá pozorování Pluta v průběhu několika posledních desetiletí z Hubbleova
dalekohledu a New Horizons. Zdroj:
NASA/JHUAPL/SwRI.
Snímek povrchu Plutova měsíce Charonu, pořízený ze vzdálenosti 79 000 km, ukazuje zajímavý útvar – horu posazenou uprostřed velkého příkopu. To je další známka geologické aktivity, která geology takřka omráčila. Zdroj: NASA/APL/SwRI.
Co dalšího nám přinesla první data zaslaná sondou New Horizons? Atmosféra Pluta je v tomto období tvořena prakticky výhradně dusíkem, metan z ní již při vzdalování od Slunce vymrzl. Dusík z atmosféry sněží, takže zde zřejmě existuje atmosférický cyklus – tedy projevy počasí. Přeměření velikosti vrátilo Pluto s průměrem 2 370 km na první místo mezi trpaslíky, ze kterého jej pomyslně sesadila planetka Eris (její průměr je ovšem dosud změřen nepřímo, pomocí pozorování zákrytu hvězdy). Jedná se zatím jen o střípky z veliké skládačky, jejíž kousky nám teď zasílá sonda New Horizons prostřednictvím Sítě dálkového spojení (DSN)DSN – Deep Space Network. Jde o mezinárodní komunikační síť antén sloužící podpoře meziplanetárních letů a radioastronomických pozorování. Síť začala budovat NASA a dnes ji tvoří tři sedmdesátimetrové antény umístěné na Zemi v přibližných rozestupech 120°: Goldstone (poušť Mojave v Kalifornii), v blízkosti Madridu (Španělsko) a v blízkosti Canberry (Austrálie).. Doufejme, že bude hodně bohatá.
Odkazy
