Astronomia

Obiettivi di Apprendimento

alla fine di questa sezione, si sarà in grado di:

• Confrontare le caratteristiche orbitali di Plutone con quelle dei pianeti
• Descrivere informazioni su Plutone superficie desunta dai Nuovi Orizzonti immagini
• Nota alcune caratteristiche di Plutone luna Caronte

Figura 1: Movimento di Plutone. Porzioni delle due fotografie con cui Clyde Tombaugh scoprì Plutone nel 1930. Quello di sinistra è stato preso il 23 gennaio e quello di destra il 29 gennaio. Si noti che Plutone, indicato da una freccia, si è spostato tra le stelle durante quelle sei notti. Se non avessimo messo una freccia accanto ad essa, però, probabilmente non avrebbe mai individuato il punto che si muoveva. (credito: Anche se la scoperta di Plutone sembrava inizialmente essere una rivendicazione della teoria gravitazionale simile al precedente trionfo di Adams e Le Verrier nel predire la posizione di Nettuno, ora sappiamo che i calcoli di Lowell erano sbagliati. Quando la sua massa e le sue dimensioni furono finalmente misurate, si scoprì che Plutone non avrebbe potuto esercitare alcuna attrazione misurabile su Urano o Nettuno. Gli astronomi sono ora convinti che le piccole anomalie riportate nei moti di Urano non sono, e non sono mai state, reali.

Dal momento della sua scoperta, era chiaro che Plutone non era un gigante come gli altri quattro pianeti esterni del sistema solare. Per molto tempo, si pensò che la massa di Plutone fosse simile a quella della Terra, così che fu classificata come un quinto pianeta terrestre, in qualche modo fuori luogo nei confini più esterni del sistema solare. C’erano altre anomalie, tuttavia, poiché l’orbita di Plutone era più eccentrica e inclinata rispetto al piano del nostro sistema solare rispetto a quella di qualsiasi altro pianeta. Solo dopo la scoperta della sua luna Caronte nel 1978 è stata possibile misurare la massa di Plutone, e si è rivelata molto inferiore alla massa della Terra.

Figura 2: Confronto delle dimensioni di Plutone e della sua Luna Caronte con la Terra. Questo grafico mostra vividamente quanto sia piccolo Plutone rispetto a un pianeta terrestre come la Terra. Questa è la giustificazione principale per mettere Plutone nella classe dei pianeti nani piuttosto che dei pianeti terrestri. (credito: modifica del lavoro da parte della NASA)

Oltre a Caronte, Plutone ha quattro piccole lune. Osservazioni successive di Caronte hanno mostrato che questa luna si trova in un’orbita retrograda e ha un diametro di circa 1200 chilometri, più della metà delle dimensioni di Plutone stesso (Figura 2). Questo rende Caronte la luna la cui dimensione è la frazione più grande del suo pianeta madre. Potremmo persino pensare a Plutone e Caronte come a un doppio mondo. Visto da Plutone, Caronte sarebbe grande come otto lune piene sulla Terra.

A molti astronomi, Plutone sembrava lo strano cugino che tutti sperano non si presenterà alla prossima riunione di famiglia. Né il suo percorso intorno al Sole né le sue dimensioni assomigliano ai pianeti giganti o ai pianeti terrestri. Negli anni ‘ 90, gli astronomi iniziarono a scoprire ulteriori piccoli oggetti nel sistema solare più esterno, dimostrando che Plutone non era unico. Discuteremo questi oggetti trans-nettuniani più avanti con altri piccoli corpi, nel capitolo su Comete e asteroidi: Detriti del sistema solare. Uno di questi (chiamato Eris) ha quasi le stesse dimensioni di Plutone, e un altro (Makemake) è sostanzialmente più piccolo. Divenne chiaro agli astronomi che Plutone era così diverso dagli altri pianeti che aveva bisogno di una nuova classificazione. Pertanto, è stato chiamato un pianeta nano, che significa un pianeta molto più piccolo dei pianeti terrestri. Ora sappiamo di molti piccoli oggetti nelle vicinanze di Plutone e ne abbiamo classificati diversi come pianeti nani.

Una storia simile è stata associata alla scoperta degli asteroidi. Quando il primo asteroide (Cerere) fu scoperto all’inizio del diciannovesimo secolo, fu salutato come un nuovo pianeta. Negli anni successivi, tuttavia, sono stati trovati altri oggetti con orbite simili a Cerere. Gli astronomi decisero che questi non dovevano essere considerati tutti pianeti, così inventarono una nuova classe di oggetti, chiamati pianeti minori o asteroidi. Oggi, Cerere è anche chiamato un pianeta nano. Sia i pianeti minori che i pianeti nani fanno parte di un’intera cintura o zone di oggetti simili (come discuteremo in Comete e asteroidi: Detriti del Sistema solare).

Quindi, Plutone è un pianeta? La nostra risposta è sì, ma è un pianeta nano, chiaramente non nella stessa lega con gli otto pianeti maggiori (quattro giganti e quattro terrestri). Mentre alcune persone erano sconvolte quando Plutone è stato riclassificato, potremmo sottolineare che un albero nano è ancora un tipo di albero e (come vedremo) una galassia nana è ancora un tipo di galassia.

Clyde Tombaugh: Dalla fattoria alla fama

Clyde Tombaugh scoprì Plutone quando aveva 24 anni, e la sua posizione come assistente personale all’Osservatorio Lowell fu il suo primo lavoro retribuito. Tombaugh era nato in una fattoria in Illinois, ma quando aveva 16 anni, la sua famiglia si trasferì in Kansas. Lì, con l’incoraggiamento di suo zio, osservò il cielo attraverso un telescopio che la famiglia aveva ordinato dal catalogo Sears. Tombaugh in seguito costruì un telescopio più grande da solo e dedicò le sue notti (quando non era troppo stanco dal lavoro agricolo) a fare schizzi dettagliati dei pianeti (Figura 3).

Figura 3: Clyde Tombaugh (1906-1997). (a) Tombaugh è raffigurato nella sua fattoria di famiglia nel 1928 con un telescopio da 9 pollici che ha costruito. (b) Qui Tombaugh sta guardando attraverso un oculare presso l’Osservatorio Lowell. (credito b: modifica del lavoro da parte della NASA)

Nel 1928, dopo una grandinata rovinato il raccolto, Tombaugh ha deciso che aveva bisogno di un lavoro per aiutare a sostenere la sua famiglia. Anche se aveva solo una formazione di scuola superiore, ha pensato di diventare un costruttore di telescopi. Mandò i suoi schizzi di pianeta all’Osservatorio Lowell, chiedendo consiglio se una tale scelta di carriera fosse realistica. Con un meraviglioso colpo di scena del destino, la sua domanda arrivò proprio quando gli astronomi Lowell si resero conto che una rinnovata ricerca di un nono pianeta avrebbe richiesto un osservatore molto paziente e dedicato.

Le grandi lastre fotografiche (pezzi di vetro con emulsione fotografica su di esse) che Tombaugh fu assunto per scattare di notte e cercare durante il giorno contenevano una media di circa 160.000 immagini stellari ciascuna. Come trovare Plutone tra loro? La tecnica prevedeva di scattare due fotografie a circa una settimana di distanza. Durante quella settimana, un pianeta si muoveva un po’, mentre le stelle rimanevano nello stesso posto l’una rispetto all’altra. Un nuovo strumento chiamato “blink comparator” potrebbe alternare rapidamente le due immagini in un oculare. Le stelle, essendo nella stessa posizione sulle due piastre, non sembrerebbe cambiare come le due immagini sono state ” sbattute le palpebre.”Ma un oggetto in movimento sembrerebbe muoversi avanti e indietro mentre le piastre si alternavano.

Dopo aver esaminato più di 2 milioni di stelle (e molti falsi allarmi), Tombaugh trovò il suo pianeta il 18 febbraio 1930. Gli astronomi dell’osservatorio controllarono attentamente i suoi risultati e la scoperta fu annunciata il 13 marzo, il 149 ° anniversario della scoperta di Urano. Congratulazioni e richieste di interviste sono arrivate da tutto il mondo. I visitatori scendevano sull’osservatorio in punteggi, volendo vedere il luogo in cui era stato scoperto il primo nuovo pianeta in quasi un secolo, così come la persona che lo aveva scoperto.

Nel 1932, Tombaugh prese congedo da Lowell, dove aveva continuato a cercare e lampeggiare, per ottenere una laurea. Alla fine, ha conseguito un master in astronomia e ha insegnato navigazione per la Marina durante la seconda guerra mondiale. Nel 1955, dopo aver lavorato per sviluppare un telescopio di tracciamento dei razzi, è diventato professore alla New Mexico State University, dove ha contribuito a fondare il dipartimento di astronomia. Morì nel 1997; alcune delle sue ceneri furono collocate all’interno della navicella spaziale New Horizons a Plutone.

La natura di Plutone

Utilizzando i dati della sonda New Horizons, gli astronomi hanno misurato il diametro di Plutone come 2370 chilometri, solo 60 perent grande come la nostra Luna. Dal diametro e dalla massa, troviamo una densità di 1,9 g/cm3, suggerendo che Plutone è una miscela di materiali rocciosi e ghiaccio d’acqua nelle stesse proporzioni di molte lune del pianeta esterno.

Parti della superficie di Plutone sono altamente riflettenti e il suo spettro dimostra la presenza sulla sua superficie di metano congelato, monossido di carbonio e azoto. La temperatura superficiale massima varia da circa 50 K quando Plutone è più lontano dal Sole a 60 K quando è più vicino. Anche questa piccola differenza è sufficiente a causare una parziale sublimazione (passando dal solido al gas) del ghiaccio di metano e azoto. Questo genera un’atmosfera quando Plutone è vicino al Sole, e si congela quando Plutone è più lontano. Le osservazioni di stelle lontane viste attraverso questa sottile atmosfera indicano che la pressione superficiale è circa un decimillesimo di quella terrestre. Poiché Plutone è di pochi gradi più caldo di Tritone, la sua pressione atmosferica è circa dieci volte maggiore. Questa atmosfera contiene diversi strati di foschia distinti, presumibilmente causati da reazioni fotochimiche, come quelle nell’atmosfera di Titano (Figura 4).

Figura 4: Strati di foschia nell’atmosfera di Plutone. Questa è una delle foto a più alta risoluzione di Plutone, presa dalla navicella spaziale New Horizons 15 minuti dopo il suo approccio più vicino. Mostra 12 strati di foschia. Si noti anche la gamma di montagne con altezze fino a 3500 metri. (credit: modifica del lavoro da parte della NASA/Johns Hopkins University Applied Physics Laboratory/Southwest Research Institute)

Raggiungere Plutone con un veicolo spaziale è stata una sfida importante, soprattutto in un’epoca in cui i budget ridotti della NASA non potevano supportare missioni grandi e costose come Galileo e Cassini. Eppure, come Galileo e Cassini, una missione di Plutone richiederebbe un sistema elettrico nucleare che utilizzasse il calore del plutonio per generare l’energia per alimentare gli strumenti e tenerli in funzione lontano dal calore del Sole. La NASA ha messo a disposizione uno degli ultimi generatori nucleari per tale missione. Supponendo che un veicolo spaziale accessibile ma altamente capace potrebbe essere costruito, c’era ancora il problema di arrivare a Plutone, quasi 5 miliardi di chilometri dalla Terra, senza aspettare decenni. La risposta era usare la gravità di Giove per fiondare la navicella verso Plutone.

Il lancio 2006 di New Horizons ha iniziato la missione ad alta velocità, e il flyby Jupiter solo un anno dopo ha dato la spinta aggiuntiva richiesta. La navicella spaziale New Horizons è arrivata a Plutone nel luglio 2015, viaggiando ad una velocità relativa di 14 chilometri al secondo (o circa 50.000 chilometri all’ora). Con questa alta velocità, l’intera sequenza flyby è stata compressa in un solo giorno. La maggior parte dei dati registrati vicino approccio più vicino non poteva essere trasmesso alla Terra fino a molti mesi più tardi, ma quando finalmente è arrivato, gli astronomi sono stati premiati con un tesoro di immagini e dati.

Prime viste ravvicinate di Plutone

Figura 5: Immagine a colori globale di Plutone. Questa immagine di New Horizons mostra chiaramente la varietà di terreni su Plutone. L’area scura in basso a sinistra è coperta da crateri da impatto, mentre l’ampia area chiara al centro e in basso a destra è un bacino piatto privo di crateri. I colori che vedi sono in qualche modo migliorati per far emergere sottili differenze. (credito: modifica del lavoro da parte della NASA/Johns Hopkins University Applied Physics Laboratory/Southwest Research Institute)

Plutone non è il mondo geologicamente morto che molti previsto per un oggetto così piccolo—lontano da esso. La divisione della superficie in aree con diversa composizione e consistenza superficiale è evidente nella foto a colori globale mostrata in Figura 5. Il colore rossastro è migliorato in questa immagine per evidenziare le differenze di colore più chiaramente. Le parti più scure della superficie sembrano essere crateri, ma adiacente ad essi è una zona di luce quasi senza caratteristiche nel quadrante in basso a destra di questa immagine. Le aree scure mostrano i colori della foschia fotochimica o dello smog simile a quello nell’atmosfera di Titano. Il materiale scuro che sta macchiando queste vecchie superfici potrebbe provenire dalla foschia atmosferica di Plutone o da reazioni chimiche che avvengono sulla superficie a causa dell’azione della luce solare.

Le aree chiare nella foto sono bacini di pianura. Questi sono apparentemente mari di azoto congelato, forse molti chilometri di profondità. Sia l’azoto che il gas metano sono in grado di sfuggire da Plutone quando si trova nella parte della sua orbita vicino al Sole, ma solo molto lentamente, quindi non c’è motivo che una vasta ciotola di azoto congelato non possa persistere a lungo.

La figura 6 mostra alcune delle notevoli varietà di caratteristiche superficiali rivelate da Nuovi Orizzonti. A destra di questa immagine vediamo il “litorale” della vasta ciotola di ghiaccio di azoto che abbiamo visto come la regione liscia in Figura 5. Soprannominata temporaneamente la “Sputnik Plains”, dopo il primo oggetto umano ad entrare nello spazio, questa regione rotonda è larga circa mille chilometri e mostra celle o poligoni intriganti che hanno una larghezza media di oltre 30 chilometri. Le montagne nel mezzo sono grandi blocchi di ghiaccio d’acqua ghiacciato, alcuni raggiungono altezze di 2 o 3 chilometri.

Figura 6: Diversità del terreno su Plutone. Questa vista a colori migliorata di una striscia di superficie di Plutone lunga circa 80 chilometri mostra una varietà di caratteristiche di superficie diverse. Da sinistra a destra, prima attraversiamo una regione di” calanchi ” con alcuni crateri che mostrano, e poi ci spostiamo attraverso una vasta gamma di montagne fatte di ghiaccio d’acqua e rivestite con il materiale più rosso che abbiamo visto nell’immagine precedente. Poi, a destra, arriviamo al ” litorale “del grande mare di azoto congelato che gli scienziati della missione hanno soprannominato le” Pianure dello Sputnik.”Questo mare di azoto è diviso in cellule misteriose o segmenti che sono molti chilometri attraverso. (credito: modifica del lavoro della NASA / Johns Hopkins University Applied Physics Laboratory / Southwest Research Institute)

La figura 7 mostra un’altra visione del confine tra diversi tipi di geologia. La larghezza di questa immagine è di 250 chilometri, e mostra un terreno scuro, antico, pesantemente craterizzato; terreno scuro, uncratered con una superficie collinare; terreno liscio, geologicamente giovane; e un piccolo gruppo di montagne alte più di 3000 metri. Nelle immagini migliori, le aree chiare di ghiaccio di azoto sembrano aver fluito molto simile ghiacciai sulla Terra, che copre alcuni dei terreni più vecchi sotto di loro.

Le montagne isolate in mezzo alle pianure lisce di azoto sono probabilmente fatte anche di ghiaccio d’acqua, che è molto duro alle temperature su Plutone e può galleggiare sull’azoto congelato. Montagne aggiuntive e alcuni terreni collinari che ricordavano agli scienziati della missione la pelle di serpente, sono visibili nella parte (b) della Figura 7. Si tratta di interpretazioni preliminari solo dai primi dati provenienti da New Horizons nel 2015 e all’inizio del 2016. Col passare del tempo, gli scienziati avranno una migliore comprensione della geologia unica di Plutone.

Figura 7: Diversità dei terreni su Plutone. (a) In questa foto, a circa 250 chilometri di distanza, possiamo vedere diversi tipi di terreno. Nella parte inferiore sono più vecchi, crateri highlands; una regione a forma di V di colline senza crateri punti verso la parte inferiore dell ” immagine. Intorno alla regione scura a forma di V c’è la pianura di azoto ghiacciata liscia e più luminosa, che agisce come i ghiacciai sulla Terra. Alcune montagne isolate, fatte di ghiaccio d’acqua ghiacciato, galleggiano nell’azoto vicino alla parte superiore dell’immagine. (b)Questa scena è di circa 390 chilometri. Le montagne arrotondate, molto diverse da quelle che conosciamo sulla Terra, sono chiamate Tartaro Dorsa. I modelli, fatti di creste ripetute con il terreno più rossastro tra loro, non sono ancora compresi. (credito a, b: modifica del lavoro della NASA / Johns Hopkins University Applied Physics Laboratory / Southwest Research Institute)

Un rapido sguardo a Caronte

Per aggiungere ai misteri di Plutone, mostriamo in Figura 8 una delle migliori immagini di New Horizons della grande luna di Plutone Caronte. Ricordiamo da prima che Caronte ha circa la metà delle dimensioni di Plutone (il suo diametro è circa le dimensioni del Texas). Caronte mantiene lo stesso lato verso Plutone, proprio come la nostra Luna mantiene lo stesso lato verso la Terra. Ciò che è unico nel sistema Plutone-Caronte, tuttavia, è che Plutone mantiene anche la sua stessa faccia verso Caronte. Come due ballerini che si abbracciano, questi due si affrontano costantemente mentre girano attraverso la pista da ballo celeste. Gli astronomi chiamano questo un doppio blocco di marea.

Figura 8: La grande Luna di Plutone Caronte. (a) In questa immagine di New Horizons, il colore è stato migliorato per far risaltare il colore della strana calotta polare rossa della luna. Caronte ha un diametro di 1214 chilometri e la risoluzione di questa immagine è di 3 chilometri. (b) Qui vediamo la luna da un’angolazione leggermente diversa, in vero colore. L’inserto mostra un’area di circa 390 chilometri dall’alto verso il basso. Vicino in alto a sinistra è una caratteristica intrigante – quello che sembra essere una montagna nel bel mezzo di una depressione o fossato. (credito a, b: modifica del lavoro da parte della NASA / JHUAPL / SwRI)

Quello che New Horizons ha mostrato era un altro mondo complesso. Ci sono crateri sparsi nella parte inferiore dell’immagine, ma gran parte del resto della superficie appare liscia. Attraversando il centro dell’immagine è una cintura di terreno accidentato, comprese quelle che sembrano essere valli tettoniche, come se alcune forze avessero cercato di dividere Caronte a parte. A completare questa strana immagine è una calotta polare nettamente rossa, di composizione sconosciuta. Molte caratteristiche di Caronte non sono ancora comprese, tra cui quella che sembra essere una montagna nel bel mezzo di una regione a bassa quota.