Tähtitiede

Pluto ei ole kuu, mutta keskustelemme siitä täällä, koska sen koko ja koostumus muistuttavat monia ulomman aurinkokunnan kuita. Käsityksemme Plutosta (ja sen suuresta kuusta Charonista) on muuttunut dramaattisesti New Horizonsin ohilennon seurauksena vuonna 2015.

onko Pluto planeetta?

Pluto löydettiin huolellisen, systemaattisen etsinnän avulla, toisin kuin Neptunus, jonka sijainti laskettiin gravitaatioteorian perusteella. Pluton etsinnän historia alkoi kuitenkin viittaamalla siihen, että Uranus poikkesi hieman ennustetusta radastaan, mikä saattoi johtua löytämättömän ”Planeetta X: n” vetovoimasta.”Kahdennenkymmenennen vuosisadan alkupuolella useat tähtitieteilijät, joista huomattavin oli Percival Lowell, joka oli tuolloin maineensa huipulla Marsin älyllisen elämän puolestapuhujana, kiinnostuivat etsimään tätä yhdeksättä planeettaa.

Lowell ja hänen aikalaisensa perustivat laskelmansa pääasiassa pieniin selittämättömiin epäsäännöllisyyksiin Uranuksen liikkeessä. Lowellin laskelmat osoittivat kaksi mahdollista paikkaa häiritsevälle Planeetta X: lle; todennäköisempää näistä kahdesta oli kaksosten tähdistössä. Hän ennusti planeetan massan maan ja Neptunuksen massojen väliin (hänen laskelmansa antoivat noin 6 Maan massaa). Toiset tähtitieteilijät saivat kuitenkin pieniä kiertoradan epäsäännöllisyyksiä koskevia muita ratkaisuja, mukaan lukien yhden mallin, joka osoitti kaksi Neptunuksen takaista planeettaa.

Arizonan observatoriossaan Lowell etsi tuloksetta tuntematonta planeettaa vuodesta 1906 kuolemaansa 1916 asti, ja etsinnät jatkuivat vasta 1929. Helmikuussa 1930 nuori tarkkailuapulainen nimeltä Clyde Tombaugh (katso Clyde Tombaugh: From the Farm to Fame alla), vertaamalla valokuvia hän teki tammikuun 23 ja 29, että vuosi, löytyi heikko esine, jonka liike näytti olevan noin oikea planeetta kaukana kiertoradalla Neptunus (Kuva 1). Uusi planeetta sai nimensä Plutosta, roomalaisesta manalan Jumalasta, joka asui uuden planeetan tavoin kaukaisessa pimeydessä. Tämän nimen valintaa satojen ehdotettujen joukosta auttoi se, että kaksi ensimmäistä kirjainta olivat Percival Lowellin nimikirjaimia.

kuva 1: Pluton liike. Osia kahdesta valokuvasta, joiden avulla Clyde Tombaugh löysi Pluton vuonna 1930. Vasen otettiin 23. tammikuuta ja oikea 29.tammikuuta. Huomaa, että nuolen osoittama Pluto on liikkunut tähtien joukossa noiden kuuden yön aikana. Jos emme olisi laittaneet nuolta sen viereen, et luultavasti olisi koskaan huomannut sitä pistettä, joka liikkui. (luotto: modification of work by the Lowell Observatory Archives)

vaikka löytö Pluto näytti aluksi olevan vindication gravitaatiovakiolla teoriassa samanlainen kuin aiemmin triumph Adams ja Le Verrier ennustamaan kannan Neptune, nyt tiedämme, että Lowell n laskelmat olivat väärässä. Kun sen massa ja koko lopulta mitattiin, huomattiin, ettei Pluto olisi mitenkään voinut tehdä mitattavaa vetoa Uranukseen tai Neptunukseen. Tähtitieteilijät ovat nyt vakuuttuneita siitä, että ilmoitetut pienet poikkeamat Uranuksen liikkeissä eivät ole, eivätkä koskaan olleet, todellisia.

sen löytöhetkestä lähtien oli selvää, ettei Pluto ollut jättiläinen kuten neljä muuta ulompaa aurinkokunnan planeettaa. Pitkään ajateltiin, että Pluton massa olisi samanlainen kuin maan, niin että se luokiteltiin viidenneksi maanpäälliseksi planeetaksi, joka on jotenkin sijoitettu väärin aurinkokunnan kaukaisille äärialueille. Poikkeamia oli kuitenkin muitakin, sillä Pluton rata oli eksentrisempi ja taipuvaisempi aurinkokuntamme tasoon kuin minkään muun planeetan. Pluton massa voitiin mitata vasta sen kuun Kharonin löytymisen jälkeen vuonna 1978, ja se osoittautui huomattavasti Maan massaa pienemmäksi.

kuva 2: Pluton ja sen kuun Kharonin koon vertailu maahan. Tämä havainnekuva osoittaa elävästi, miten pieni Pluto on suhteessa maan kaltaiseen maanpäälliseen planeettaan. Tämä on ensisijainen peruste Pluton sijoittamiselle kääpiöplaneettojen luokkaan maanpäällisten planeettojen sijaan. (kredit: modification of work by NASA)

Kharonin lisäksi Plutolla on neljä pientä kuuta. Myöhemmät havainnot Kharonista osoittivat, että tämä kuu on retrogradisella radalla ja sen läpimitta on noin 1200 kilometriä, yli puolet Pluton koosta (kuva 2). Tämä tekee Kharonista Kuun, jonka koko on suurin murto-osa emoplaneetastaan. Voisimme jopa ajatella Plutoa ja Kharonia kaksoismaailmana. Plutosta katsottuna Kharon olisi jopa kahdeksan täyden kuun kokoinen maapallolla.

monien tähtitieteilijöiden mielestä Pluto vaikutti siltä kummalliselta serkulta, jonka kaikki toivovat olevan poissa seuraavasta sukukokouksesta. Sen kiertotie Auringon ympäri ja koko eivät muistuta jättiläisplaneettoja eivätkä maanpäällisiä planeettoja. 1990-luvulla tähtitieteilijät alkoivat löytää uusia pieniä kohteita kaukaisesta aurinkokunnasta, mikä osoitti, ettei Pluto ollut ainutlaatuinen. Keskustelemme näistä transneptunisista kappaleista myöhemmin muiden pienten kappaleiden kanssa luvussa Comets and Asteroids: Debris of the Solar System. Yksi niistä (nimeltään Eris) on lähes samankokoinen kuin Pluto, ja toinen (Makemake) on huomattavasti pienempi. Tähtitieteilijöille kävi selväksi, että Pluto oli niin erilainen kuin muut planeetat, että se tarvitsi uuden luokituksen. Siksi sitä kutsuttiin kääpiöplaneetaksi, joka tarkoittaa maanpäällisiä planeettoja huomattavasti pienempää planeettaa. Pluton lähistöltä tiedetään nyt monia pieniä kohteita, ja olemme luokitelleet useita kääpiöplaneetoiksi.

samanlainen historia liittyi asteroidien löytämiseen. Kun ensimmäinen asteroidi (Ceres) löydettiin 1800-luvun alussa, sitä tervehdittiin uutena planeettana. Seuraavina vuosina löydettiin kuitenkin muitakin kohteita, joilla oli samanlaiset kiertoradat kuin Cereksellä. Tähtitieteilijät päättivät, ettei näitä kaikkia tulisi pitää planeettoina, joten he keksivät uuden luokan kappaleita, joita kutsutaan pikkuplaneetoiksi tai asteroideiksi. Nykyään Cerestä kutsutaan myös kääpiöplaneetaksi. Sekä pikkuplaneetat että kääpiöplaneetat ovat osa kokonaista vyöhykettä tai samankaltaisten kohteiden vyöhykkeitä (kuten tulemme keskustelemaan Comets and Asteroids: roskia aurinkokunnan).

siis, onko Pluto planeetta? Vastauksemme on kyllä, mutta se on kääpiöplaneetta, joka ei selvästikään ole samassa sarjassa kahdeksan suuren planeetan (neljä jättiläistä ja neljä terrestrialia) kanssa. Vaikka jotkut ihmiset olivat järkyttyneitä, kun Pluto luokiteltiin uudelleen, voimme huomauttaa, että kääpiöpuu on edelleen eräänlainen puu ja (kuten tulemme näkemään) kääpiögalaksi on edelleen eräänlainen galaksi.

Clyde Tombaugh: From the Farm to Fame

Clyde Tombaugh löysi Pluton ollessaan 24-vuotias, ja hänen asemansa Lowellin observatorion henkilökunnan assistenttina oli hänen ensimmäinen palkkatyönsä. Tombaugh oli syntynyt maatilalla Illinoisissa, mutta hänen ollessaan 16-vuotias hänen perheensä muutti Kansasiin. Siellä hän setänsä kannustamana tarkkaili taivasta kaukoputkella, jonka perhe oli tilannut Searsin kuvastosta. Tombaugh myöhemmin rakennettu suurempi teleskooppi omasta ja omistettu hänen yöt (kun hän ei ollut liian väsynyt maatilan työstä) tehdä yksityiskohtaisia luonnoksia planeetat (kuva 3).

kuva 3: Clyde Tombaugh (1906-1997). a) Tombaugh on kuvattu perheensä maatilalla vuonna 1928 rakentamallaan 9-tuumaisella kaukoputkella. b) Tässä Tombaugh katselee Lowellin observatorion okulaaria. (credit b: modification of work by NASA)

vuonna 1928, kun raekuuro pilasi sadon, Tombaugh päätti, että hän tarvitsi työpaikan elättääkseen perheensä. Vaikka hänellä oli vain Lukiokoulutus, hän ajatteli ryhtyä kaukoputken rakentajaksi. Hän lähetti planet-luonnoksiaan Lowellin observatorioon pyytäen neuvoja siitä, oliko tällainen uravalinta realistinen. Kohtalon oikusta hänen kysymyksensä saapui juuri, kun Lowellin tähtitieteilijät tajusivat, että yhdeksännen planeetan uudelleenetsintä vaatisi hyvin kärsivällisen ja omistautuneen tarkkailijan.

suuret Valokuvauslevyt (lasinpalat, joissa oli valokuvausemulsio), joita Tombaugh palkattiin ottamaan yöllä ja etsimään päivisin, sisälsivät keskimäärin noin 160 000 tähtikuvaa kukin. Miten löytää Pluto joukossa? Tekniikkaan kuului kahden valokuvan ottaminen noin viikon välein. Tuon viikon aikana planeetta liikkui pikkuisen tähtien pysyessä samassa paikassa toisiinsa nähden. Uusi laite nimeltään ”blink comparator” voisi nopeasti vuorotella kaksi kuvaa okulaarissa. Tähdet, jotka ovat samassa asennossa kahdessa kilvessä, eivät näyttäisi muuttuvan, koska kaksi kuvaa ” räpyttelivät.”Mutta liikkuva esine näytti heiluvan edestakaisin, kun levyt vuorottelivat.

tutkittuaan yli 2 miljoonaa tähteä (ja monia vääriä hälytyksiä) Tombaugh löysi planeettansa 18.helmikuuta 1930. Observatorion tähtitieteilijät tarkistivat hänen tuloksensa huolellisesti, ja löytö julkistettiin 13.maaliskuuta, Uranuksen löytymisen 149. vuosipäivänä. Onnitteluja ja haastattelupyyntöjä sateli ympäri maailmaa. Vierailijat laskeutuivat observatoriolle joukoittain ja halusivat nähdä paikan, josta ensimmäinen uusi planeetta lähes vuosisataan oli löydetty, sekä henkilön, joka oli löytänyt sen.

vuonna 1932 Tombaugh otti lomaa Lowellista, jossa hän oli jatkanut etsintää ja räpyttelyä saadakseen yliopistotutkinnon. Lopulta hän sai maisterin arvon tähtitieteessä ja opetti navigointia laivastossa toisen maailmansodan aikana. vuonna 1955 työskenneltyään rakettiteleskoopin kehittämiseksi hänestä tuli professori New Mexicon osavaltionyliopistoon, jossa hän auttoi tähtitieteen laitoksen löytämisessä. Hän kuoli vuonna 1997; osa hänen tuhkistaan sijoitettiin New Horizons-luotaimen Plutoon.

Pluton luonne

New Horizons-luotaimen tietojen avulla tähtitieteilijät ovat mitanneet Pluton läpimitaksi 2370 kilometriä, joka on vain 60 perentin kokoinen kuin kuumme. Läpimitasta ja massasta päätellen tiheys on 1,9 g/cm3, mikä viittaa siihen, että Pluto on kivisten materiaalien ja vesijään seos suunnilleen samassa suhteessa kuin monet ulkoplaneetan kuut.

Pluton pinnan osat ovat hyvin heijastavia, ja sen spektri osoittaa, että sen pinnalla on jäätynyttä metaania, hiilimonoksidia ja typpeä. Suurin pintalämpötila vaihtelee noin 50 K: sta, kun Pluto on kauimpana auringosta, 60 K: hon, kun se on lähimmillään. Jo tämä pieni ero riittää aiheuttamaan metaani-ja typpijään osittaisen sublimaation (muuttuen kiinteästä kaasuksi). Näin syntyy ilmakehä Pluton ollessa lähellä Aurinkoa, ja se jäätyy Pluton ollessa kauempana. Ohuen ilmakehän läpi nähdyistä kaukaisista tähdistä tehdyt havainnot osoittavat, että pintapaine on noin kymmenestuhannesosa maan paineesta. koska Pluto on muutaman asteen lämpimämpi kuin Triton, sen ilmanpaine on noin kymmenen kertaa suurempi. Ilmakehässä on useita erillisiä sameuskerroksia, jotka johtuvat oletettavasti valokemiallisista reaktioista, kuten Titanin kaasukehässä (Kuva 4).

kuva 4: Usvakerrokset Pluton kaasukehässä. Tämä on yksi Korkearesoluutioisimmista kuvista, jotka New Horizons-luotain otti Plutosta 15 minuuttia sen lähimmän lähestymisen jälkeen. Siinä näkyy 12 usvakerrosta. Huomaa myös vuoriston korkeus jopa 3500 metriä. (luotto: modification of work by NASA/Johns Hopkins University Applied Physics Laboratory/Southwest Research Institute)

Pluton saavuttaminen avaruusaluksella oli suuri haaste, varsinkin aikana, jolloin Nasan pienennetyillä budjeteilla ei voitu tukea Galileon ja Cassinin kaltaisia suuria, kalliita lentoja. Galileon ja Cassinin tavoin Pluto-lento vaatisi kuitenkin ydinsähköjärjestelmän, joka käyttäisi plutoniumin lämpöä tuottaakseen välineille energiaa ja pitääkseen ne toiminnassa kaukana auringon lämmöstä. NASA antoi käyttöön yhden viimeisistä ydingeneraattoreistaan tällaista tehtävää varten. Olettaen, että edullinen, mutta erittäin kyvykäs avaruusalus voitaisiin rakentaa, oli vielä ongelma päästä Plutoon, lähes 5 miljardin kilometrin päähän Maasta, odottamatta vuosikymmeniä. Vastaus oli Jupiterin painovoiman avulla ritsata avaruusalus kohti Plutoa.

vuonna 2006 laukaistu New Horizons aloitti tehtävän suurella nopeudella, ja Jupiterin ohilento vain vuotta myöhemmin antoi sille tarvittavan lisäpontta. New Horizons-luotain saapui Plutoon heinäkuussa 2015 kulkien suhteellista nopeutta 14 kilometriä sekunnissa (eli noin 50 000 kilometriä tunnissa). Näin suurella nopeudella koko ohilento tiivistyi vain yhteen päivään. Suurin osa lähietäisyydeltä tallennetuista tiedoista voitiin siirtää maahan vasta kuukausia myöhemmin, mutta kun se lopulta saapui, tähtitieteilijät saivat palkinnoksi aarreaitta kuvia ja dataa.

ensimmäiset lähikuvat Plutosta

kuva 5: Maailmanlaajuinen värikuva Plutosta. Tässä New Horizons-kuvassa näkyy selvästi Pluton maastojen kirjo. Tumma alue vasemmassa alalaidassa on törmäyskraatterien peitossa, kun taas suuri vaalea alue keskellä ja alaoikealla on tasainen allas, josta kraatterit puuttuvat. Värit, joita näet, ovat hieman paranneltuja tuomaan esiin hienovaraisia eroja. (kredit: modification of work by NASA/Johns Hopkins University Applied Physics Laboratory/Southwest Research Institute)

Pluto ei ole geologisesti kuollut maailma, jota monet odottivat näin pienelle kohteelle—kaukana siitä. Pinnan jakautuminen alueisiin, joilla on erilainen koostumus ja pintarakenne, näkyy kuvassa 5 esitetyssä globaalissa värivalokuvassa. Punertava väri korostuu tässä kuvassa, jotta värierot tulevat selvemmin esiin. Pinnan tummemmat osat näyttävät kraatteroituneilta,mutta niiden vieressä on lähes piirteetön vaalea alue tämän kuvan oikeassa alakulmassa. Tummilla alueilla näkyy valokemiallisen sameuden tai savusumun värit, jotka muistuttavat Titanin kaasukehää. Näitä vanhoja pintoja värjäävä tumma materiaali voisi olla peräisin Pluton ilmakehän usvasta tai pinnalla tapahtuvista kemiallisista reaktioista auringonvalon vaikutuksesta.

kuvan vaaleat alueet ovat alankoaltaita. Meret ovat ilmeisesti jäätynyttä typpeä, ehkä monen kilometrin syvyydessä. Sekä typpi-että metaanikaasut pystyvät pakenemaan Plutolta sen ollessa kiertoratansa osassa lähellä Aurinkoa, mutta vain hyvin hitaasti, joten ei ole mitään syytä, etteikö valtava kulhollinen jäätynyttä typpeä voisi säilyä pitkään.

kuvassa 6 näkyy joitakin niistä huomattavista pinnan piirteiden moninaisuuksista, joita uudet näköalat paljastavat. Tämän kuvan oikealla puolella näemme ”rantaviivan” valtavasta typpijään kulhosta, jonka näimme kuvan 5 tasaisena alueena. Tämä pyöreä alue, joka sai väliaikaisen lempinimen” Sputnikin tasangot ” ensimmäisen avaruuteen päässeen ihmisen esineen mukaan, on noin tuhat kilometriä leveä ja siinä näkyy kiehtovia soluja tai monikulmioita, joiden keskimääräinen leveys on yli 30 kilometriä. Keskellä olevat vuoret ovat suuria jäätyneen vesijään lohkoja, joista osa kohoaa 2-3 kilometrin korkeuteen.

kuva 6: maaston monimuotoisuus Plutolla. Tässä tehostetussa värinäkymässä Pluton pinnasta noin 80 kilometriä pitkällä kaistaleella näkyy useita erilaisia pinnan piirteitä. Vasemmalta oikealle ylitämme ensin ”Badlandsin” alueen, jossa näkyy joitakin kraattereita, ja sitten siirrymme vesijäästä tehtyjen ja edellisessä kuvassa nähdyllä punaisemmalla materiaalilla päällystettyjen vuorten yli. Sitten saavumme oikealle sen suuren jäätyneen typpimeren ”rantaviivalle”, jota lähetystiedemiehet ovat antaneet lempinimekseen ” Sputnikin tasangot.”Tämä typpimeri on jakautunut salaperäisiin soluihin tai lohkoihin, joiden läpimitta on useita kilometrejä. (luotto: modification of work by NASA/Johns Hopkins University Applied Physics Laboratory/Southwest Research Institute)

kuva 7 esittää toisen näkemyksen eri geologian tyyppien välisestä rajasta. Kuvan leveys on 250 kilometriä, ja siinä näkyy tumma, muinainen, voimakkaasti kraatteroitunut maasto; tumma, kraatteroimaton maasto, jossa on mäkinen pinta; sileä, geologisesti nuori maasto; ja pieni yli 3000 metriä korkea vuorijono. Parhaissa kuvissa typpijään vaaleat alueet näyttävät virranneen paljolti maan jäätiköiden tavoin peittäen osan niiden alla olevasta vanhemmasta maastosta.

tasaisten typpitasankojen keskellä sijaitsevat eristyneet vuoret koostuvat todennäköisesti myös vesijäästä, joka on hyvin kovaa Pluton lämpötiloissa ja voi kellua jäätyneen typen päällä. Muita vuoria ja mäkistä maastoa, joka muistutti lähetystieteilijöitä käärmeennahasta, on nähtävissä osassa (B) Kuvassa 7. Nämä ovat alustavia tulkintoja vain ensimmäisistä New Horizonsin tiedoista vuodelta 2015 ja alkuvuodesta 2016. Ajan myötä tutkijat saavat paremman käsityksen Pluton ainutlaatuisesta geologiasta.

kuva 7: Pluton maaston monimuotoisuus. a) tässä noin 250 kilometrin läpimittaisessa kuvassa näkyy monenlaista maastoa. Alareunassa ovat vanhemmat, kraatteroidut ylängöt; V: n muotoinen alue kukkuloita ilman kraatterointia osoittaa kohti kuvan pohjaa. V: n muotoisen tumman alueen ympärillä on sileä, kirkkaampi jäätynyt typpitasanko, joka toimii maan jäätiköiden tavoin. Eräät jäätyneestä vesijäästä muodostuneet syrjäiset vuoret kelluvat typessä lähellä kuvan huippua. b) tämän näkymän läpimitta on noin 390 kilometriä. Pyöristyneet vuoret, jotka ovat aivan erilaisia kuin maapallolla tuntemamme vuoret, on nimetty Tartarus Dorsaksi. Toistuvista harjanteista tehtyjä kuvioita, joiden välissä on punertavampaa maastoa, ei vielä ymmärretä. (luotto a, b: modification of work by NASA/Johns Hopkins University Applied Physics Laboratory/Southwest Research Institute)

A Quick Look at Charon

to adding to the mysteries of Pluto, we show in Figure 8 one of the best New Horizons images of Pluto ’ s large moon Charon. Muista aiemmasta, että Charon on suunnilleen puolet Pluton koosta (sen halkaisija on noin Texasin kokoinen). Kharonilla on sama puoli Plutoa kohti, aivan kuten Kuullamme on sama puoli maata kohti. Erikoista Pluton ja Charonin järjestelmässä on kuitenkin se, että Pluto säilyttää samat kasvonsa myös Kharonia kohti. Kuin kaksi syleilevää tanssijaa, nämä kaksi kohtaavat jatkuvasti pyörähtäessään taivaallisen tanssilattian poikki. Tähtitieteilijät kutsuvat tätä kaksinkertaiseksi vuorovesilukoksi.

kuva 8: Pluton suuri kuu Kharon. a) tässä New Horizons-kuvassa väriä on tehostettu tuomaan esiin Kuun oudon punaisen napalakin väri. Charonin halkaisija on 1214 kilometriä, ja tämän kuvan resoluutio on 3 kilometriä. B) Tässä näemme Kuun hieman eri kulmasta, tosi värisenä. Pikkukuva näyttää alueen noin 390 kilometriä ylhäältä alas. Ylhäällä vasemmalla on kiinnostava piirre: se näyttää vuorelta keskellä painaumaa tai vallihautaa. (luotto a, b: modification of work by NASA/JHUAPL/SwRI)

What New Horizons showed was another complex world. Kuvan alaosassa on hajanaisia kraattereita, mutta suuri osa muusta pinnasta näyttää sileältä. Kuvan keskipisteen poikki kulkee vuorijono, johon kuuluu myös tektonisilta vaikuttavia laaksoja, ikään kuin jotkut voimat olisivat yrittäneet halkaista Kharonin erilleen. Tämän oudon kuvan päällä on selvästi punainen napalakki, jonka koostumus on tuntematon. Kharonin monia piirteitä ei ole vielä ymmärretty, muun muassa se, mikä näyttää vuorelta keskellä matalaa aluetta.