Astronomia

cele nauki

pod koniec tej sekcji będziesz mógł:

• porównać charakterystykę orbitalną Plutona z charakterystyką Planet
• opisać informacje o powierzchni Plutona wydedukowane z obrazów New Horizons
• zauważ niektóre cechy wyróżniające duży księżyc Plutona Charon

Rysunek 1: Ruch Plutona. Fragmenty dwóch fotografii, na podstawie których Clyde Tombaugh odkrył Plutona w 1930 roku. Lewa została zajęta 23 stycznia, a prawa 29 stycznia. Zauważ, że Pluton, oznaczony strzałką, poruszał się wśród gwiazd podczas tych sześciu nocy. Gdybyśmy nie umieścili strzałki obok, prawdopodobnie nigdy nie zauważylibyście poruszającej się kropki. (kredyt: chociaż odkrycie Plutona początkowo wydawało się być potwierdzeniem teorii grawitacji podobnej do wcześniejszego triumfu Adamsa i Le Verriera w przewidywaniu pozycji Neptuna, teraz wiemy, że obliczenia Lowella były błędne. Kiedy ostatecznie zmierzono jego masę i rozmiar, okazało się, że Pluton nie mógł wywierać żadnego wymiernego nacisku na Urana lub Neptuna. Astronomowie są teraz przekonani, że zgłoszone małe anomalie w ruchu Urana nie są i nigdy nie były prawdziwe.

od momentu odkrycia było jasne, że Pluton nie jest olbrzymem, jak pozostałe cztery zewnętrzne planety Układu Słonecznego. Przez długi czas uważano, że masa Plutona jest podobna do masy Ziemi, więc została sklasyfikowana jako piąta planeta ziemska, w jakiś sposób zagubiona w dalekich krańcach układu słonecznego. Były jednak inne anomalie, ponieważ Orbita Plutona była bardziej ekscentryczna i nachylona do płaszczyzny naszego układu słonecznego niż orbita jakiejkolwiek innej planety. Dopiero po odkryciu jego Księżyca Charon w 1978 roku można było zmierzyć masę Plutona, która okazała się znacznie mniejsza niż masa Ziemi.

Rysunek 2: Porównanie rozmiarów Plutona i jego Księżyca Charon z ziemią. Ta grafika obrazowo pokazuje, jak mały Pluton jest w stosunku do ziemskiej planety, takiej jak Ziemia. Jest to podstawowe uzasadnienie umieszczenia Plutona w klasie planet karłowatych, a nie Planet ziemskich. (źródło: modyfikacja prac NASA)

oprócz Charona Pluton ma cztery małe księżyce. Kolejne obserwacje Charona wykazały, że Księżyc ten znajduje się na orbicie wstecznej i ma średnicę około 1200 KM, ponad połowę wielkości samego Plutona (Rysunek 2). To sprawia, że Charon jest księżycem, którego rozmiar jest największym ułamkiem planety macierzystej. Moglibyśmy nawet myśleć o plutonie i Charonie jak o podwójnym świecie. Widziany z Plutona, Charon byłby tak duży, jak osiem pełnych księżyców na Ziemi.

dla wielu astronomów Pluton wydawał się dziwnym kuzynem, którego wszyscy mają nadzieję, że nie pojawi się na następnym zjeździe rodzinnym. Ani jego droga wokół Słońca, ani jego rozmiary nie przypominają ani planet olbrzymów, ani Planet ziemskich. W latach 90. astronomowie zaczęli odkrywać dodatkowe małe obiekty w odległym zewnętrznym Układzie Słonecznym, pokazując, że Pluton nie był wyjątkowy. Te obiekty transneptunowe omówimy później z innymi małymi ciałami, w rozdziale poświęconym Kometom i Asteroidom: gruz Układu Słonecznego. Jeden z nich (zwany Eris) jest prawie tej samej wielkości co Pluton, a drugi (Makemake) jest znacznie mniejszy. Astronomom stało się jasne, że Pluton tak różni się od innych planet, że potrzebował nowej klasyfikacji. Dlatego nazwano ją planetą karłowatą, co oznacza planetę znacznie mniejszą od Planet ziemskich. Obecnie wiemy o wielu małych obiektach w pobliżu Plutona i sklasyfikowaliśmy kilka jako planety karłowate.

podobna historia związana była z odkryciem Planetoid. Kiedy na początku XIX wieku odkryto pierwszą planetoidę (Ceres), okrzyknięto ją nową planetą. W kolejnych latach odnaleziono jednak inne obiekty o podobnych orbitach do Ceres. Astronomowie uznali, że nie wszystkie powinny być uważane za planety, dlatego wynaleźli nową klasę obiektów, nazywanych małymi planetami lub asteroidami. Dziś Ceres jest również nazywany planetą karłowatą. Zarówno małe planety, jak i planety karłowate są częścią całego pasa lub stref podobnych obiektów (co omówimy w kometach i asteroidach: szczątki Układu Słonecznego).

czy Pluton jest planetą? Nasza odpowiedź brzmi: tak, ale jest to planeta karłowata, najwyraźniej nie w tej samej lidze z ośmioma głównymi planetami (czterema olbrzymami i czterema terrestrialami). Podczas gdy niektórzy ludzie byli zdenerwowani, gdy Pluton został przeklasyfikowany, możemy zauważyć, że drzewo karłowate jest nadal rodzajem drzewa, a (jak zobaczymy) galaktyka karłowata jest nadal rodzajem galaktyki.

Clyde Tombaugh: From the Farm to Fame

Clyde Tombaugh odkrył Plutona w wieku 24 lat, a jego stanowisko asystenta w Lowell Observatory było jego pierwszą płatną pracą. Tombaugh urodził się na farmie w Illinois, ale gdy miał 16 lat, jego rodzina przeniosła się do Kansas. Tam, za namową wuja, obserwował niebo przez teleskop, który rodzina zamówiła z katalogu Searsa. Tombaugh później samodzielnie skonstruował większy teleskop i poświęcił swoje noce (kiedy nie był zbyt zmęczony pracą na farmie) na szczegółowe szkice Planet (Rysunek 3).

Rysunek 3: Clyde Tombaugh (1906-1997). (a) Tombaugh jest na zdjęciu na swojej rodzinnej farmie w 1928 roku z 9-calowym teleskopem, który zbudował. (B) tutaj Tombaugh patrzy przez okular na Lowell Observatory. (kredyt b: modyfikacja pracy NASA)

w 1928 roku, po burzy Gradowej zrujnowanej uprawie, Tombaugh zdecydował, że potrzebuje pracy, aby wesprzeć rodzinę. Chociaż miał tylko wykształcenie średnie, myślał o zostaniu budowniczym teleskopów. Wysłał swoje szkice planet do Lowell Observatory, szukając porady, czy taki wybór kariery jest realistyczny. Przez cudowny zwrot losu, jego zapytanie dotarło właśnie wtedy, gdy astronomowie Lowell zdali sobie sprawę, że ponowne poszukiwanie dziewiątej planety wymaga bardzo cierpliwego i oddanego obserwatora.

duże płyty fotograficzne (kawałki szkła z emulsją fotograficzną na nich), które Tombaugh został wynajęty do robienia w nocy i wyszukiwania w ciągu dnia, zawierały średnio około 160 000 zdjęć gwiazd. Jak znaleźć wśród nich Plutona? Technika polegała na zrobieniu dwóch zdjęć w odstępie około tygodnia. W tym tygodniu planeta poruszała się trochę, podczas gdy Gwiazdy pozostawały w tym samym miejscu względem siebie. Nowy instrument o nazwie „komparator blink” mógł szybko zmieniać dwa obrazy w okularze. Gwiazdy, będąc w tej samej pozycji na dwóch płytach, nie wydają się zmieniać, ponieważ dwa obrazy były ” mrugnięte.”Ale poruszający się obiekt wydaje się poruszać tam iz powrotem, gdy płyty były naprzemiennie.

Po zbadaniu ponad 2 milionów gwiazd (i wielu fałszywych alarmów) Tombaugh odkrył swoją planetę 18 lutego 1930 roku. Astronomowie z Obserwatorium dokładnie sprawdzili jego wyniki, a znalezisko zostało ogłoszone 13 marca, w 149.rocznicę odkrycia Urana. Gratulacje i prośby o wywiady z całego świata. Odwiedzający zstąpili do Obserwatorium w punktacji, chcąc zobaczyć miejsce, w którym odkryto pierwszą od prawie wieku nową planetę, a także osobę, która ją odkryła.

w 1932 roku Tombaugh wyjechał z Lowell, gdzie kontynuował poszukiwania i studia. Ostatecznie uzyskał tytuł magistra astronomii i wykładał nawigację dla Marynarki Wojennej podczas II Wojny Światowej. w 1955 roku, po pracy nad opracowaniem teleskopu rakietowego, został profesorem na New Mexico State University, gdzie pomógł założyć Wydział astronomii. Zmarł w 1997; część jego prochów została umieszczona wewnątrz sondy Nowe Horyzonty do Plutona.

natura Plutona

korzystając z danych z sondy New Horizons, astronomowie zmierzyli średnicę Plutona na 2370 km, tylko 60 perent tak duży jak nasz Księżyc. Na podstawie średnicy i masy stwierdzamy gęstość 1,9 g/cm3, co sugeruje, że Pluton jest mieszaniną materiałów skalnych i lodu wodnego w takich samych proporcjach jak wiele księżyców planet zewnętrznych.

części powierzchni Plutona są silnie refleksyjne, a jego widmo wskazuje na obecność na jego powierzchni zamarzniętego metanu, tlenku węgla i azotu. Maksymalna temperatura powierzchni waha się od około 50 K, gdy Pluton jest najdalej od Słońca do 60 K, gdy jest najbliżej. Nawet ta niewielka różnica jest wystarczająca, aby spowodować częściową sublimację (przechodzącą od ciała stałego do gazu) metanu i azotu w lodzie. Tworzy to atmosferę, gdy Pluton znajduje się blisko Słońca, i zamarza, gdy Pluton jest dalej. Obserwacje odległych gwiazd widzianych przez tę cienką atmosferę wskazują, że ciśnienie powierzchniowe wynosi około dziesięciu tysięcznych Ziemi. ponieważ Pluton jest o kilka stopni cieplejszy niż Tryton, jego ciśnienie atmosferyczne jest około dziesięć razy większe. Atmosfera ta zawiera kilka wyraźnych warstw zamglenia, prawdopodobnie spowodowanych reakcjami fotochemicznymi, takimi jak te w atmosferze Tytana (Rysunek 4).

Rysunek 4: warstwy zamglenia w atmosferze Plutona. Jest to jedno z najwyższej rozdzielczości zdjęć Plutona, wykonane przez sondę New Horizons 15 minut po jej najbliższym zbliżeniu. Pokazuje 12 warstw mgły. Zwróć również uwagę na pasmo gór o wysokości do 3500 metrów. (źródło: modyfikacja prac NASA / Johns Hopkins University Applied Physics Laboratory / Southwest Research Institute)

dotarcie do Plutona statkiem kosmicznym było poważnym wyzwaniem, zwłaszcza w czasach, gdy zmniejszone budżety NASA nie mogły wspierać dużych, kosztownych misji, takich jak Galileo i Cassini. Jednak podobnie jak Galileusz i Cassini, misja Plutona wymagałaby systemu energii jądrowej, który wykorzystywałby ciepło z plutonu do generowania energii do zasilania instrumentów i utrzymywania ich z dala od ciepła słońca. NASA udostępniła jeden z ostatnich swoich generatorów jądrowych do takiej misji. Zakładając, że możliwe będzie zbudowanie niedrogiego, ale wysoce zdolnego statku kosmicznego, nadal istniał problem dotarcia do Plutona, znajdującego się blisko 5 miliardów kilometrów od ziemi, bez czekania dziesięcioleci. Odpowiedzią było użycie grawitacji Jowisza do procy w kierunku Plutona.

Start New Horizons w 2006 roku rozpoczął misję z dużą prędkością, a lot Jowisza zaledwie rok później dał jej wymagany dodatkowy impuls. Sonda New Horizons przybyła do Plutona w lipcu 2015 roku, podróżując ze względną prędkością 14 kilometrów na sekundę (lub około 50 000 kilometrów na godzinę). Przy tak dużej prędkości cała sekwencja przelotu została skompresowana w jeden dzień. Większość danych zapisanych w pobliżu najbliższego Zbliżenia nie mogła zostać przesłana na Ziemię dopiero wiele miesięcy później, ale kiedy w końcu dotarła, astronomowie zostali nagrodzeni skarbem obrazów i danych.

pierwsze Zbliżenie Plutona

Rysunek 5: Globalny kolorowy obraz Plutona. Ten obraz New Horizons wyraźnie pokazuje różnorodność terenów na Plutonie. Ciemny obszar w lewym dolnym rogu jest pokryty kraterami uderzeniowymi, podczas gdy duży obszar światła w centrum i prawym dolnym rogu to płaska niecka pozbawiona kraterów. Kolory, które widzisz, są nieco wzmocnione, aby wydobyć subtelne różnice. (źródło: modyfikacja prac NASA/Johns Hopkins University Applied Physics Laboratory/Southwest Research Institute)

Pluton nie jest geologicznie martwym światem, którego wielu oczekiwało na tak mały obiekt—daleko od niego. Podział powierzchni na obszary o różnym składzie i teksturze powierzchni jest widoczny na globalnym zdjęciu kolorowym pokazanym na fig.5. Czerwonawy kolor jest wzmocniony na tym obrazie, aby wyraźniej wydobyć różnice w Kolorze. Ciemniejsze części powierzchni wydają się być Kraterowe, ale obok nich znajduje się prawie pozbawiony cech obszar świetlny w prawym dolnym kwadrancie tego obrazu. Ciemne obszary pokazują kolory fotochemicznego zamglenia lub smogu podobnego do tego w atmosferze Tytana. Ciemny materiał, który zabarwia te stare powierzchnie, może pochodzić z mgły atmosferycznej Plutona lub z reakcji chemicznych zachodzących na powierzchni w wyniku działania światła słonecznego.

obszary świetlne na zdjęciu to nizinne Kotliny. Są to najwyraźniej morza zamarzniętego azotu, być może Głębokie na wiele kilometrów. Zarówno azot, jak i metan są w stanie uciec z Plutona, gdy znajduje się on w części swojej orbity blisko Słońca, ale tylko bardzo powoli, więc nie ma powodu, aby Ogromna miska zamrożonego azotu nie mogła utrzymać się przez długi czas.

Rysunek 6 pokazuje niektóre z niezwykłej różnorodności cech powierzchni nowe horyzonty ujawnione. Po prawej stronie tego obrazu widzimy „linię brzegową” ogromnej miski lodu azotowego, którą widzieliśmy jako gładki region na rysunku 5. Tymczasowo nazywany „równiną Sputnika”, po pierwszym ludzkim obiekcie, który dostał się w kosmos, ten okrągły region ma około tysiąca kilometrów szerokości i pokazuje intrygujące komórki lub wielokąty o średniej szerokości ponad 30 kilometrów. Góry w środku to wielkie bloki zamarzniętego lodu wodnego, niektóre osiągające wysokość od 2 do 3 kilometrów.

Rysunek 6: zróżnicowanie terenu Plutona. Ten rozszerzony kolorowy widok pasa powierzchni Plutona o długości około 80 kilometrów pokazuje wiele różnych cech powierzchni. Od lewej do prawej najpierw przechodzimy przez obszar „badlands” z pokazanymi kraterami, a następnie poruszamy się przez szeroki zakres gór wykonanych z lodu wodnego i pokrytych bardziej czerwonym materiałem, który widzieliśmy na poprzednim zdjęciu. Następnie, po prawej stronie, docieramy do” linii brzegowej „wielkiego morza zamarzniętego azotu, które naukowcy z misji nazwali” równiną Sputnika.”To azotowe morze jest podzielone na tajemnicze komórki lub segmenty, które mają wiele kilometrów średnicy. (źródło: modyfikacja prac NASA / Johns Hopkins University Applied Physics Laboratory/Southwest Research Institute)

Rysunek 7 pokazuje inny obraz granicy między różnymi rodzajami geologii. Szerokość tego obrazu wynosi 250 kilometrów i pokazuje ciemny, starożytny, mocno pokryty kraterami teren; ciemny, nieużytkowany teren o pagórkowatej powierzchni; gładki, geologicznie Młody teren; i małe skupisko gór o wysokości ponad 3000 metrów. Na najlepszych zdjęciach, jasne obszary lodu azotu wydają się płynąć podobnie jak lodowce na Ziemi, pokrywając część starszego terenu pod nimi.

izolowane góry w środku gładkich równin azotowych są prawdopodobnie również zbudowane z lodu wodnego, który jest bardzo twardy w temperaturach Plutona i może unosić się na zamarzniętym azocie. Dodatkowe góry i pagórkowaty teren, który przypominał naukowcom z misji skórę węża, są widoczne w części (b) na rysunku 7. Są to wstępne interpretacje tylko z pierwszych danych pochodzących z nowych horyzontów w 2015 i na początku 2016 roku. Z biegiem czasu naukowcy będą mieli lepsze zrozumienie wyjątkowej geologii Plutona.

Rysunek 7: różnorodność terenów na Plutonie. (a) na tym zdjęciu, o średnicy około 250 kilometrów, możemy zobaczyć wiele różnych rodzajów terenu. Na dole znajdują się starsze, Kraterowe wyżyny; obszar wzgórz w kształcie litery V bez punktów kraterowych w kierunku dołu obrazu. Wokół ciemnego obszaru w kształcie litery V znajduje się gładka, jaśniejsza zamarznięta Równina azotowa, działająca jak lodowce na Ziemi. Niektóre izolowane góry, wykonane z zamarzniętego lodu wodnego, unoszą się w azocie w pobliżu górnej części obrazu. (b) ta scena ma około 390 kilometrów średnicy. Zaokrąglone góry, zupełnie inne od tych, które znamy na Ziemi, nazywane są Tartarus Dorsa. Wzory, wykonane z powtarzających się grzbietów z bardziej czerwonawym terenem między nimi, nie są jeszcze zrozumiałe. (kredyt a, b: modyfikacja prac NASA / Johns Hopkins University Applied Physics Laboratory / Southwest Research Institute)

szybkie spojrzenie na Charona

aby dodać do tajemnic Plutona, pokazujemy na rysunku 8 jeden z najlepszych obrazów nowego horyzontu dużego Księżyca Plutona. Przypomnijmy, że Charon jest mniej więcej w połowie wielkości Plutona (jego średnica jest mniej więcej wielkości Teksasu). Charon trzyma tę samą stronę w kierunku Plutona, tak jak nasz Księżyc trzyma tę samą stronę w kierunku Ziemi. To, co jest unikalne w systemie Pluton-Charon, to fakt, że Pluton również zachowuje swoją twarz w stosunku do Charona. Jak dwóch tancerzy, którzy się obejmują, ci dwaj nieustannie stają naprzeciw siebie, obracając się po niebiańskim parkiecie. Astronomowie nazywają to podwójną śluzą pływową.

Rysunek 8: duży księżyc Plutona. (a) w tym obrazie New Horizons kolor został wzmocniony, aby wydobyć kolor dziwnej czerwonej czapki biegunowej Księżyca. Charon ma średnicę 1214 kilometrów, a Rozdzielczość tego obrazu wynosi 3 kilometry. (B) tutaj widzimy księżyc pod nieco innym kątem, w prawdziwym kolorze. Wstawka pokazuje obszar około 390 kilometrów od góry do dołu. W pobliżu lewego górnego rogu znajduje się intrygująca cecha-coś, co wydaje się być górą pośrodku depresji lub fosy. (kredyt a, b: modyfikacja pracy NASA / Jhuapl / SwRI)

to, co pokazały Nowe Horyzonty, to kolejny złożony świat. W dolnej części obrazu znajdują się rozrzucone kratery, ale większość pozostałej powierzchni wydaje się gładka. Środek obrazu to pas nierównego terenu, w tym coś, co wydaje się być tektonicznymi dolinami, jakby jakieś siły próbowały rozdzielić Charona. Zwieńczeniem tego dziwnego obrazu jest wyraźnie czerwona czapka polarna o nieznanej kompozycji. Wiele cech na Charon nie jest jeszcze zrozumianych, w tym coś, co wydaje się być górą pośrodku niskiego wzniesienia.