Mit rejt a Plútó fagyos birodalma?

Első alkalommal érkezik emberkéz készítette űreszköz a Plútó rendszeréhez. A közel tíz éve úton lévő New Horizons 2015. július 14-én száguld el a törpebolygóvá lefokozott égitest és holdjai mellett. Vajon mit rejt a Plútó fagyos birodalma, feltárul-e előttünk egy új világ a képeken? Kereszturi Ákos, a MTA Csillagászati és Földtudományi Kutatóközpont Konkoly Thege Miklós Csillagászati Intézete munkatársának összefoglalója. 

Űrhajósok zakóban: Kereszturi Ákos és Sik András a nem túl sikeres lebegés-imitáció közben

A Plútót sokáig a Naprendszer legtávolabbi bolygójaként tartották nyilván, ám az elmúlt két évtized felfedezései rámutattak, hogy számos hasonló égitest kering a Neptunusz pályáján túl. Ez az ún. Kuiper-öv (pontosabban Edgeworth-Kuiper-öv), amelyben jelenleg közel kétezer égitestet ismerünk. Bár közöttük az egyik legnagyobb a Plútó, a Nemzetközi Csillagászati Unió 2006-ban „visszaminősítette” törpebolygóvá. Szakmai körökben még ezt a státuszt sem várják hosszú életűnek: valószínű, hogy a Plútó idővel egyike lesz a Naprendszerben azonosított apró égitesteknek (már 134340-es sorszámú kisbolygóként is megtalálható a katalógusokban).

A New Horizons űrszonda

A NASA New Horizons űrszondája 2006. január 19-én indult a Földtől, minden korábbi szondánál nagyobb sebességgel (45 km/s). A Jupiter melletti elhaladása után az űreszközt hibernálták, majd 4,8 milliárd kilométernyi út megtétele után felébresztették. Megkezdődött a műszerek tesztelése, a felkészülés a Plútóval és holdjaival való találkozóra. A tesztek hibátlanok voltak, ennek megfelelően egy sikeres és gyors randevú várható a bolygó melletti elhaladás időpontjában, 2015. július 14-én.

A New Horizons startja

A Plútó rendszerét az űrszonda a LORRI és Alice (képfelvevő), SWAP és PEPSSI (töltött részecskéket elemző), SDP (pormérő) és REX (kommunikációs) műszerekkel vizsgálja. A radioaktív energiaforrással ellátott, 478 kg-os űreszköz műszereire komoly feladat vár, mivel a találkozó nagy sebességgel történik, és rövid idő alatt kell a célpontokat elemezni. A közelítés során az űreszköz teljesen „néma” marad, ez idő alatt semmilyen adatot nem továbbít a Földre. Bár a tervek szerint néhány felvételt már nem sokkal a közelítés után elküld a szonda, és közöl a NASA, a legtöbb adat csak szeptembertől kezd érkezni a Földre. Ekkor további megfigyelési feladat a Plútó rendszerénél már nincs, és a szondát nagy parabolaantennájával a Föld felé lehet fordítani az adattovábbításhoz – e térbeli helyzet viszont nem előnyös a műszerek megfigyeléseihez.

A találkozó geometriája, forrás: Wikimedia Commons

A Plútó helyzete a Naprendszerben

A Plútó több szempontból is különleges égitest. 1930-as felfedezése után nem sokkal a nagybolygók közé sorolták, noha kilógott a társai közül. A mi holdunknál is kisebb égitest napközelben a Neptunusznál is beljebb jár, míg elnyúlt pályája legnagyobb részét a Neptunuszon túl teszi meg. Mozgása erős pályarezonanciában áll a Neptunusszal: mialatt az háromszor kerüli meg a napot, addig a Plútó kétszer. Ezért a két égitest nem ütközhet össze. Emellett egyéb dinamikai kapcsolat is van közöttük: ugyan a Plútó nem holdja a Neptunusznak, szoros a gravitációs kapcsolatuk. A Plútó 248 földi év alatt kerüli meg a Napot, elnyúlt pályájának síkja közel 17 fokos szöget zár be a Naprendszer fősíkjával, illetve a többi bolygó keringési síkjával.

Az égitest tengelyforgási ideje 6,4 nap, forgástengelye 120 fokos szöget zár be a pályasíkjára állított merőlegessel – ezért, valamint a változó naptávolság miatt az égitesten igen erős az évszakok közti ingadozás (területileg nagy különbségek mutatkoznak a felszíni besugárzási viszonyok között). Legnagyobb holdját, a Charont 1977-ben fedezték fel, majd az elmúlt években még négy apró kísérőt azonosítottak körülötte.

Az ismert Kuiper-objetumok közül az Eris törpebolygó nagyobb nála, amelynek tömege mintegy 27%-kal haladja meg a Plútóét. Az Eris helyzete kissé különbözik a Plútóétól, mivel nem áll olyan szoros kapcsolatban a Neptunusszal – ugyanakkor sok, a Plútóhoz hasonló pályán mozgó, kisebb égitest létezik, ezeket együttesen plutinóknak nevezik. Fizikai paramétereinek hasonlósága nyomán a Neptunusz Triton nevű holdja tekinthető még a Plútóhoz hasonló égitestnek, amely feltehetőleg egy befogott és azóta holdként keringő, egykori Kuiper-objektum.

A Plútó és holdjai, illetve néhány egyéb Kuiper-objektum méretét összehasonlító ábra

Forrás: Wikimedia Commons

A Plútó felszíne és belső szerkezete 

A Plútó felszínét főleg nitrogén- és metánjég borítja, amit a -200 Celsius-fok alatti hőmérséklet tart szilárd állapotban. A nitrogén- és metánjég területi eloszlása nem egyenletes, és nem is korrelál az optikai albedó változásával. Emellett etánjeget is azonosítottak rajta, aminek szintén nem egyenletes az eloszlása, továbbá szén-monoxid-jégre utaló jelek is mutatkoznak. A forgástengely sajátos térbeli pozíciója miatt napközelben az egyik sarkvidék igen erős besugárzást kaphat, míg a másiknak alig jut napfény.

A Plútón a nagy naptávolság miatt kis becsapódási sebességek, jellegzetesen közel 2 km/s értékek várhatóak, eszerint becsapódáskor kevesebb olvadék keletkezik, és kissé más kráteralakra lehet számítani, mint a Naprendszer belsőbb részein lévő égitesteknél. A modellek alapján a Plútó kráterei közül kb. a 70 km-nél nagyobbak mutathatnak központi csúcsot, emellett a 200 km-nél nagyobb, idős kráterek talán enyhén ellapultak – ez arra utalhat, mennyire melegedett fel egykor az égitest belseje. A belső térfogatváltozások miatt a felszínen sok repedés várható. A közeledő szonda felvételei alapján a Plútó legvilágosabb részei szürkés, a legsötétebbek vöröses árnyalatúak – utóbbi szín oka egyelőre nem ismert, de sokan a Nap ultraibolya sugárzásának hatására átalakult, széntartalmú, részben szerves anyagot feltételeznek a hátterében.

Animáció a forgó Plútó felszíni alakzatairól. Balra a LORRI kamera fekete-fehér képei, jobbra színes fotók, középen pedig a két típus kombinációjával összeállított, a színeket és a fényvisszaverő képességet egyaránt mutató állapot látható.

Forrás: NASA

A közel 2 g/cm³ átlagsűrűségű (a Földé 5,5 g/cm³), 2300 km átmérőjű Plútó anyagának 65%-át víz, a maradékot kőzet alkothatja. Elképzelhető, hogy belsejében, a felszín alatt jelenleg is óceán található. A kérdésre az égitest alakjának és felszíni tektonikus mintázatának elemzése adhat választ. Ha ilyen mélységi, folyékony víztest létezett, vagy még mindig létezik, akkor térfogata a Föld teljes vízkészletééhez közelíthet(ett).

A Plútó légköre

A felszíni jegekből főleg nitrogén szublimál, az így keletkező ritka légkör a Plútó átmérőjének többszöröse. A folyamat révén a keletkezésétől napjainkig (tehát nagyjából 4,5 milliárd év alatt) közel fél-egy km vastag nitrogénjég tűnhetett el az égitestről. A jég szublimálása miatt a felszín valós koránál fiatalabbnak is mutatkozhat. A bolygó sajátos pályaelemei révén a légkörben élénk évszakos változások lépnek fel. Naptávolban a légkör nagyobb része kifagyhat a felszínre, és a forgástengely helyzete miatt sajátos a jég szublimációjának és kicsapódásának térbeli viszonya. Noha egyes régebbi modellek alapján a New Horizons látogatásának idejére alig vártak már légkört a Plútó körül, az új megfigyelések szerint jelenleg is számottevő atmoszféra övezi, amelynek felszíni légnyomása 1-3 Pa (mikrobar) körül lehet a találkozó idején.

Gazdag holdrendszer

A Plútónak sokáig csak egy holdját, a Charont ismerték. A Charon körülbelül feleakkora, mint a Plútó, tömege pedig nagyjából a 12%-a – ezért együtt kettős égitestnek is tekinthetők. A Charon felszínén vízjég is van, és a színképi mérések alapján mintha hidratált ammónia is akadna rajta. A Plútó és a Charon tengelyforgása kölcsönösen kötött („farkasszemet néznek egymással”), egymás egén nem változik a látszó helyzetük. A többi négy kísérő sokkal kisebb: a Nix, a Hydra, a Kerberos és a Styx méretüket tekintve 10 és 130 km közöttiek, és 20-40 nap közötti periódussal, azonos pályasíkban járják körbe a Plútót – pontosabban a Plútó-Charon rendszer közös tömegközéppontját. A Hubble űrtávcső megfigyelései alapján a Nix és a Hydra holdak tengelyforgása kaotikus. Feltehetőleg elnyúlt alakúak, hossztengelyük térbeli helyzete pedig a Plútó és a Charon együttesen változó irányú és erejű gravitációs hatása miatt kaotikusan módosul.

A Plútó és holdjai a rendszer közös tömegközéppontja körül keringenek. Ezt szemlélteti az alábbi két animáció: a első a Plútót helyezi a középpontba, míg a rendszer valódi centruma az égitestek tömegközéppontja. Ez látható a második animáción, érdemes megfigyelni, hogy a közös tömegközéppont körül a Plútó is jól láthatóan kering.

1. animáció (centrum: Plútó)

Forrás: JHUAPL

2. animáció

A Plútó legtöbb kísérője kisméretű, és öt ilyen objektum is kering körülötte. Ez önmagában nem rendkívüli az apró égitesteknél, sok kisbolygónak szintén van holdja. Esetünkben az összes hold azonos pályasíkban kering, és rezonanciák is fellépnek közöttük: a Styx, a Nix, a Kerberos és a Hydra 3:1, 4:1, 5:1 és 6:1 arányban áll a Charon keringési idejével. A modellek alapján a holdak felszínéről a becsapódásoktól kirepülő anyag jó része feltehetőleg elhagyja a Plútó környezetét, kisebb része viszont felhalmozódhat, főleg a Plútó és a Charon felszínén. A Kerberos a többi fényesebb holddal ellentétben nagyon sötétnek mutatkozik- miközben a becsapódásoktól kirepülő pornak idővel egymáshoz hasonlóvá kellett volna festenie az összes égitest felszínét a rendszerben. 

A holdak anyaga feltehetőleg egy ősi ütközés során robbant ki a Plútóból. A legnagyobb darabból keletkezett a Charon, a kisebbek pedig a többi kísérőt hozták létre. A rendszer megfigyelése annak jobb megértésében is segíthet, hogy miként született a Föld Holdja, és mi történt az anyag kirobbanása után – ugyanis a mi kísérőnk szintén becsapódástól kilökött anyagból keletkezett.

A Plútó négy kisebb holdjának keringéséről készült sorozatfelvétel

Forrás: NASA

Elhaladás a Plútó mellett

A New Horizons az öt hold pályájánál közelebb halad el a Plútó mellett, a törpebolygó felszínétől 12 500 km-es távolságban, méghozzá az eddigi megfigyelések alapján a Plútó legváltozatosabbnak mutatkozó oldala felett. Néhány órával a közelítés után a szonda „visszatekintve” a Plútó légkörén áthaladó napfényt is megfigyeli, ami pontos összetétel-becslésre ad lehetőséget.

A randevúra a Földtől 7,5 milliárd kilométer távolságban kerül sor. Az eddigi műszeres megfigyelések igazolták a felszíni metánjég létezését a Plútón, az egyenlítői vidékén pedig 500-600 km átmérőjű foltokat sikerült azonosítani. A szonda jelenleg tökéletes állapotban van, egyetlen probléma merült fel az elmúlt hónapokban: az űreszköz július 4-én elvesztette a kapcsolatot a Földdel. A kapcsolat azóta helyreállt.

A Plútó öt apró holdján túl további holdak is lehetnek a rendszerben. Korábban felmerült, hogy a holdak pályasíkjában egy egész porkorong van, amelynek anyaga a holdak felszínéről származik. Egy ilyen porfelhőn történő, nagy sebességű áthaladás nem veszélytelen, ezért az elmúlt hónapokban a LORRI kamerával poranyagot kerestek, de nem akadtak a nyomára. Nem mutatkozott további kísérő sem a legkisebb ismert holdénál, a Styxénél 15-ször halványabb fényességig – így az eredeti útvonal biztonságosnak tűnik. Hasonlóan megnyugtató eredményt kapott a Kiss Csaba (MTA CSFK) vezette kutatócsoport is, amely a Herschel űrtávcső mérései alapján zárta ki számottevő poranyag előfordulását a rendszerben.

Felszíni különbségek a Plútón a LORRI kamera képei alapján

Forrás: JHUAPL

Mit várnak a szakemberek?

A legrészletesebb mérések természetesen a Plútóról készülnek, főleg a törpebolygó felszíni és légköri jellemzőiről.  Mivel a Plútó lassan forog, a nagy felbontású képek ugyanazt az oldalát fogják majd mutatni, a becslések alapján maximálisan 0,5-1 km-es felbontással. Ez az oldal egyébként az északi félteke, mivel a Plútó forgástengelye majdnem a pályasíkjában fekszik – az északi sarkvidék tehát most a legerősebben besugárzott terület az égitesten. Kérdés, van-e, és ha igen, hol lehet ilyenkor pólussapka. (A „túloldalt” mutató legrészletesebb felvételt július 11-én rögzítették 38 km-es felbontással.  lesz. Emellett az űrszonda felvételeket készített a törpebolygó Charon, Nix és Hydra nevű holdjairól is.

A New Horizons utolsó képe a Plútó “túlsó” oldaláról.

Forrás: NASA

Érdekesnek ígérkezik a vizsgálat abból a szempontból is, hogy vajon van-e máig fennmaradt nyoma az ősi, holdakat kiszakító becsapódásnak. Arra is sokan kíváncsiak, mennyiben különbözik a Plútó a Neptunusz Triton holdjától – utóbbi ugyanis a Plútóhoz hasonló méretű és eredetű égitest. Nem volna meglepő, ha a fagyos Plútón nitrogéngázt pöfékelő „gejzírekre” bukkannának, az ezek által felkapott por a szélárnyékos irányban sávban rakódik le a felszínre. Sokan arra számítanak, hogy az égitest változatos tektonikus mintázatot mutat majd, mivel felszíne alatt egykor talán óceán volt, emellett a közeli Charon holddal fennálló árapálykapcsolat is deformálhatta az alakját. Ez lesz az első alkalom, hogy egy Kuiper-objektumot közelről figyelnek meg – a találkozó a tekintetben is hasznos információval szolgál, hogy milyen képződmények találhatóak általában a távoli jeges égitesteken. Az első eredményekre azonban a „szokásosnál” kicsit tovább kell várni, a nagy távolság miatt ugyanis igen lassú a kommunikáció – az összes mérés a közelítés után kilenc hónappal érkezik meg a Földre.

Az eredmények a Naprendszer egyéb objektumairól szerzett tudásunkat is gyarapítják majd. A becsapódásos krátereknek a Plútó felszínén megfigyelt méreteloszlása a Kuiper-öv objektumainak méreteloszlására utal, utóbbi pedig a Naprendszer peremvidékének fejlődéstörténetéről árulkodik. A mérések arra is rámutathatnak, milyen dinamika jellemzi a két hasonló méretkategóriájú objektum (Plútó és Charon) körüli apró holdak rendszerét, ami pedig az egyedi felépítésű, kettős exobolygó-rendszerek dinamikai viselkedésének megértésében segíthet. Emellett a Plútó forgástengelyének sajátos helyzete is hasznos felismerésekhez segíthet hozzá – sok Naprendszeren kívüli planéta ugyanis annyira közel kering csillagához, hogy annak fénye mindig csak az egyik oldalát világítja meg. A fő kérdés ezekben az esetekben az, hogy ilyenkor az illékony felszíni anyagok mind az árnyékos oldalra vándorolnak-e, vagy sem. A két rendszer között természetesen sok a különbség, a Plútó jelenlegi állapota mégis érdekes példával szolgálhat a hasonló „aszimmetrikus” égitestek megértéséhez.

Az eredeti terv szerint a New Horizons egy további égitestet is meglátogathatott volna. Egy „útba eső”, ideális helyzetű Kuiper-objektum azonosítására célzott kereséseket is végeztek a Hubble űrtávcsővel, valamint a Gemini-, a Keck- és a VLT távcsövekkel. Három ilyen potenciális égitestet azonosítottak 20-50 km körüli átmérővel, de sajnos egyik sem esik közvetlenül a szonda útvonalába. Ennek megfelelően csak olyan egyszerű mérések végezhetők majd velük kapcsolatban, mint például a fényességmérés alapján a tengelyforgás pontos meghatározása – azonban ez is pontosabb lesz, mint ami a Földről kivitelezhető.

A küldetés honlapja itt érhető el.

Forrás: mta.hu