Astronomi

inlärningsmål

i slutet av detta avsnitt kommer du att kunna:

• jämför Plutos orbitala egenskaper med planeterna
• beskriv information om Plutos yta härledd från New Horizons bilder
• notera några särskiljande egenskaper hos Plutos stora måne Charon

Figur 1: Plutos rörelse. Delar av de två fotografierna genom vilka Clyde Tombaugh upptäckte Pluto 1930. Den vänstra togs den 23 januari och den högra den 29 januari. Observera att Pluto, indikerad med en pil, har rört sig bland stjärnorna under dessa sex nätter. Om vi inte hade lagt en pil bredvid den, skulle du förmodligen aldrig ha upptäckt pricken som rörde sig. (kredit: även om upptäckten av Pluto ursprungligen verkade vara en rättfärdigande av gravitationsteori som liknar Adams och Le Verriers tidigare triumf för att förutsäga Neptuns position, vet vi nu att Lowells beräkningar var felaktiga. När dess massa och storlek slutligen mättes visade det sig att Pluto omöjligt kunde ha utövat något mätbart drag på antingen Uranus eller Neptunus. Astronomer är nu övertygade om att de rapporterade små anomalierna i Uranus rörelser inte är och aldrig var verkliga.

från tiden för upptäckten var det tydligt att Pluto inte var en jätte som de andra fyra yttre solsystemplaneterna. Under lång tid trodde man att Plutos massa liknade jordens, så att den klassades som en femte markplanet, på något sätt felplacerad i solsystemets yttersta räckvidd. Det fanns dock andra avvikelser, eftersom Plutos bana var mer excentrisk och lutad mot vårt solsystems plan än någon annan planet. Först efter upptäckten av månen Charon 1978 kunde massan av Pluto mätas, och det visade sig vara mycket mindre än jordens massa.

Figur 2: jämförelse av storleken på Pluto och dess måne Charon med jorden. Denna grafik visar tydligt hur liten Pluto är i förhållande till en markbunden planet som jorden. Det är den primära motiveringen för att sätta Pluto i klassen dvärgplaneter snarare än markplaneter. (kredit: modifiering av arbete av NASA)

förutom Charon har Pluto fyra små månar. Efterföljande observationer av Charon visade att denna måne ligger i en retrograd bana och har en diameter på cirka 1200 kilometer, mer än hälften av Pluto själv (Figur 2). Detta gör Charon till månen vars storlek är den största fraktionen av sin moderplanet. Vi kan till och med tänka på Pluto och Charon som en dubbel Värld. Sett från Pluto skulle Charon vara så stor som åtta fulla månar på jorden.

För många astronomer verkade Pluto som den udda kusinen som alla hoppas inte kommer att dyka upp vid nästa familjeåterförening. Varken dess väg runt solen eller dess storlek liknar varken de jätte planeterna eller de markbundna planeterna. På 1990-talet började astronomer upptäcka ytterligare små föremål i det yttersta solsystemet, vilket visar att Pluto inte var unik. Vi kommer att diskutera dessa transneptuniska föremål senare med andra små kroppar, i kapitlet om kometer och asteroider: skräp av solsystemet. En av dem (kallad Eris) är nästan lika stor som Pluto, och en annan (Makemake) är betydligt mindre. Det blev klart för astronomer att Pluto var så annorlunda än de andra planeterna att det behövde en ny klassificering. Därför kallades det en dvärgplanet, vilket betyder en planet som är mycket mindre än de markbundna planeterna. Vi känner nu till många små föremål i närheten av Pluto och vi har klassificerat flera som dvärgplaneter.

en liknande historia var associerad med upptäckten av asteroiderna. När den första asteroiden (Ceres) upptäcktes i början av artonhundratalet, hyllades den som en ny planet. Under de följande åren hittades dock andra föremål med liknande banor som Ceres. Astronomer bestämde att dessa inte alla skulle betraktas som planeter, så de uppfann en ny klass av föremål, kallade mindre planeter eller asteroider. Idag kallas Ceres också en dvärgplanet. Både mindre planeter och dvärgplaneter är en del av ett helt bälte eller zoner av liknande föremål (som vi kommer att diskutera i kometer och asteroider: solsystemets skräp).

så är Pluto en planet? Vårt svar är ja, men det är en dvärgplanet, helt klart inte i samma liga med de åtta stora planeterna (fyra jättar och fyra terrestrialer). Medan vissa människor var upprörda när Pluto omklassificerades, kan vi påpeka att ett dvärgträd fortfarande är en typ av träd och (som vi ska se) är en dvärggalax fortfarande en typ av galax.

Clyde Tombaugh: från gården till berömmelse

Clyde Tombaugh upptäckte Pluto när han var 24 år gammal, och hans position som stabassistent vid Lowell Observatory var hans första betalande jobb. Tombaugh hade fötts på en gård i Illinois, men när han var 16, hans familj flyttade till Kansas. Där, med sin farbrors uppmuntran, observerade han himlen genom ett teleskop som familjen hade beställt från Sears-katalogen. Tombaugh konstruerade senare ett större teleskop på egen hand och ägnade sina nätter (när han inte var för trött från jordbruksarbetet) för att göra detaljerade skisser av planeterna (Figur 3).

Figur 3: Clyde Tombaugh (1906-1997). (a) Tombaugh avbildas på sin familjegård 1928 med ett 9-tums teleskop som han byggde. (b) här tittar Tombaugh genom ett okular på Lowell Observatory. (credit b: ändring av arbete av NASA)

1928, efter att en hagelstorm förstörde grödan, bestämde Tombaugh att han behövde ett jobb för att hjälpa till att stödja sin familj. Även om han bara hade en gymnasieutbildning, tänkte han på att bli en teleskopbyggare. Han skickade sina planetskisser till Lowell Observatory och sökte råd om huruvida ett sådant karriärval var realistiskt. Genom en underbar ödets vridning kom hans fråga precis när Lowell-astronomerna insåg att en förnyad sökning efter en nionde planet skulle kräva en mycket tålmodig och dedikerad observatör.

de stora fotografiska plattorna (glasbitar med fotografisk emulsion på dem) som Tombaugh anställdes för att ta på natten och söka under dagen innehöll i genomsnitt cirka 160 000 stjärnbilder vardera. Hur hittar man Pluto bland dem? Tekniken innebar att ta två fotografier med ungefär en veckas mellanrum. Under den veckan skulle en planet röra sig en liten bit, medan stjärnorna förblev på samma plats i förhållande till varandra. Ett nytt instrument som kallas en ”blink comparator” kan snabbt växla de två bilderna i ett okular. Stjärnorna, att vara i samma position på de två plattorna, verkar inte förändras när de två bilderna ”blinkades.”Men ett rörligt föremål verkar vinkla fram och tillbaka när plattorna växlades.efter att ha undersökt mer än 2 miljoner stjärnor (och många falska larm) hittade Tombaugh sin planet den 18 februari 1930. Astronomerna vid observatoriet kontrollerade hans resultat noggrant, och fyndet tillkännagavs den 13 mars, 149-årsdagen av upptäckten av Uranus. Grattis och förfrågningar om intervjuer strömmade in från hela världen. Besökare kom ner på observatoriet i poäng och ville se den plats där den första nya planeten på nästan ett sekel hade upptäckts, liksom den person som hade upptäckt den.

1932 tog Tombaugh ledighet från Lowell, där han hade fortsatt att söka och blinka, för att få en högskoleexamen. 1955, efter att ha arbetat för att utveckla ett raketspårningsteleskop, blev han professor vid New Mexico State University, där han hjälpte till att grunda astronomiavdelningen. Han dog 1997; en del av hans aska placerades inuti rymdfarkosten New Horizons till Pluto.

Plutos Natur

med hjälp av data från New Horizons-sonden har astronomer mätt Plutos diameter som 2370 Kilometer, bara 60 perent så stor som vår måne. Från diametern och massan finner vi en densitet på 1,9 g/cm3, vilket tyder på att Pluto är en blandning av steniga material och vattenis i ungefär samma proportioner som många yttre planetmånar.

delar av Plutos yta är mycket reflekterande, och dess spektrum visar närvaron på dess yta av frusen metan, kolmonoxid och kväve. Den maximala yttemperaturen varierar från cirka 50 K när Pluto är längst från solen till 60 K när den är närmast. Även denna lilla skillnad är tillräcklig för att orsaka en partiell sublimering (går från fast till gas) av metan och kväveis. Detta genererar en atmosfär när Pluto är nära solen, och det fryser ut när Pluto är längre bort. Observationer av avlägsna stjärnor som ses genom denna tunna atmosfär indikerar att yttrycket är ungefär en tiotusendel av jordens. eftersom Pluto är några grader varmare än Triton är dess atmosfärstryck ungefär tio gånger större. Denna atmosfär innehåller flera distinkta dislager, förmodligen orsakade av fotokemiska reaktioner, som de i Titans atmosfär (Figur 4).

Figur 4: dis lager i atmosfären av Pluto. Detta är en av de högst upplösta bilderna av Pluto, tagna av rymdfarkosten New Horizons 15 minuter efter dess närmaste tillvägagångssätt. Det visar 12 lager av dis. Notera också utbudet av berg med höjder upp till 3500 meter. (kredit: modifiering av arbetet av NASA/Johns Hopkins University Applied Physics Laboratory/Southwest Research Institute)

att nå Pluto med rymdfarkoster var en stor utmaning, särskilt i en tid då reducerade NASA-budgetar inte kunde stödja stora, dyra uppdrag som Galileo och Cassini. Men som Galileo och Cassini skulle ett Pluto-uppdrag kräva ett kärnkraftssystem som använde värmen från plutonium för att generera energin för att driva instrumenten och hålla dem långt ifrån solens värme. NASA gjorde en av de sista av sina kärngeneratorer tillgängliga för ett sådant uppdrag. Om man antar att ett överkomligt men mycket kapabelt rymdskepp kunde byggas, var det fortfarande problemet att komma till Pluto, nästan 5 miljarder kilometer från jorden, utan att vänta årtionden. Svaret var att använda Jupiters gravitation för att slingshot rymdfarkosten mot Pluto.

2006-lanseringen av New Horizons startade uppdraget med hög hastighet, och Jupiter flyby bara ett år senare gav det den nödvändiga ytterligare boosten. Rymdfarkosten New Horizons anlände till Pluto i juli 2015 och färdades med en relativ hastighet på 14 kilometer per sekund (eller cirka 50 000 kilometer i timmen). Med denna höga hastighet komprimerades hela flyby-sekvensen till bara en dag. De flesta data som registrerades nära närmaste tillvägagångssätt kunde inte överföras till jorden förrän många månader senare, men när det äntligen kom, belönades astronomer med en skattkista av bilder och data.

första Närbildsvyer av Pluto

Figur 5: Global färgbild av Pluto. Denna New Horizons-bild visar tydligt olika terräng på Pluto. Det mörka området längst ner till vänster är täckt med slagkratrar, medan det stora ljusområdet i mitten och nedre högra är ett platt bassäng utan kratrar. Färgerna du ser är något förbättrade för att få fram subtila skillnader. (kredit: modifiering av arbete av NASA/Johns Hopkins University Applied Physics Laboratory/Southwest Research Institute)

Pluto är inte den geologiskt döda världen som många förväntade sig för ett så litet objekt—långt ifrån det. Uppdelningen av ytan i områden med olika sammansättning och ytstruktur framgår av det globala färgfotoet som visas i Figur 5. Den rödaktiga färgen förbättras i den här bilden för att få fram skillnader i färg tydligare. De mörkare delarna av ytan verkar vara kraterade, men intill dem är ett nästan formlöst ljusområde i den nedre högra kvadranten av denna bild. De mörka områdena visar färgerna på fotokemisk dis eller smog som liknar den i Titans atmosfär. Det mörka materialet som färgar dessa gamla ytor kan komma från Plutos atmosfäriska dis eller från kemiska reaktioner som äger rum vid ytan på grund av solljusets verkan.

de ljusa områdena på bilden är låglandsbassänger. Dessa är uppenbarligen hav av fruset kväve, kanske många kilometer djupt. Både kväve och metangas kan fly från Pluto när den ligger i sin bana nära solen, men bara mycket långsamt, så det finns ingen anledning att en stor skål fryst kväve inte kunde bestå länge.

Figur 6 visar några av de anmärkningsvärda olika ytfunktionerna nya horisonter avslöjade. Till höger om denna bild ser vi” strandlinjen ” i den stora skålen med kväveis som vi såg som den släta regionen i Figur 5. Tillfälligt smeknamnet ”Sputnik Plains”, efter det första mänskliga objektet att komma in i rymden, är denna runda region ungefär tusen kilometer bred och visar spännande celler eller polygoner som har en genomsnittlig bredd på mer än 30 kilometer. Fjällen i mitten är stora block av frusen vattenis, vissa når höjder på 2 till 3 kilometer.

Figur 6: mångfald av terräng på Pluto. Denna förbättrade färgvy av en remsa av Plutos yta cirka 80 kilometer lång visar en mängd olika ytfunktioner. Från vänster till höger korsar vi först en region av ”badlands” med några kratrar som visar, och rör oss sedan över ett brett spektrum av berg gjorda av vattenis och belagda med det rödare materialet vi såg i föregående bild. Sedan, till höger, anländer vi till ”strandlinjen” i det stora havet av fryst kväve som uppdragsforskarna har smeknamnet ”Sputnik Plains.”Detta kvävehav är uppdelat i mystiska celler eller segment som är många kilometer över. (kredit: modifiering av arbete av NASA/Johns Hopkins University Applied Physics Laboratory/Southwest Research Institute)

Figur 7 visar en annan bild av gränsen mellan olika typer av geologi. Bredden på denna bild är 250 kilometer, och den visar mörk, gammal, kraftigt kraterad terräng; mörk, okraterad terräng med en kuperad yta; slät, geologiskt ung terräng; och ett litet kluster av berg mer än 3000 meter högt. I de bästa bilderna verkar de ljusa områdena med kväveis ha flödat ungefär som glaciärer på jorden och täcker en del av den äldre terrängen under dem.

de isolerade bergen mitt i de släta kväveslätterna är förmodligen också gjorda av vattenis, vilket är mycket svårt vid temperaturerna på Pluto och kan flyta på fryst kväve. Ytterligare berg och en del kuperad terräng som påminde ormskins uppdragsforskare är synliga i del b i Figur 7. Dessa är preliminära tolkningar från bara de första uppgifterna som kommer tillbaka från New Horizons 2015 och början av 2016. Med tiden kommer forskare att få en bättre förståelse för Plutos unika Geologi.

Figur 7: mångfald av terräng på Pluto. (a) på det här fotot, cirka 250 kilometer över, kan vi se många olika typer av terräng. Längst ner är äldre, kraterade höglandet; en V-formad region av kullar utan kratering pekar mot botten av bilden. Omger den V-formade mörka regionen är den släta, ljusare frusna kväveslätten, som fungerar som glaciärer på jorden gör. Några isolerade berg, gjorda av frusen vattenis, flyter i kvävet nära toppen av bilden. (b) den här scenen är cirka 390 kilometer över. De rundade bergen, helt annorlunda än de vi känner på jorden, heter Tartarus Dorsa. Mönstren, gjorda av upprepande åsar med den mer rödaktiga terrängen mellan dem, är ännu inte förstådda. (kredit a, b: arbete av NASA/Johns Hopkins University Applied Physics Laboratory/Southwest Research Institute)

en snabb titt på Charon

för att lägga till Plutos mysterier visar vi i Figur 8 en av de bästa New Horizons bilderna av Plutos stora måne Charon. Minns från tidigare att Charon är ungefär hälften av Plutos storlek (dess diameter är ungefär storleken på Texas). Charon håller samma sida mot Pluto, precis som vår måne håller samma sida mot jorden. Vad som är unikt med Pluto-Charon-systemet är dock att Pluto också håller samma ansikte mot Charon. Som två dansare som omfamnar, möter dessa två ständigt varandra när de snurrar över det himmelska dansgolvet. Astronomer kallar detta ett dubbelt tidvattenlås.

figur 8: Plutos stora måne Charon. (a) i denna New Horizons-bild har färgen förbättrats för att få fram färgen på månens konstiga röda polära lock. Charon har en diameter på 1214 kilometer, och upplösningen av denna bild är 3 kilometer. (b) här ser vi månen från en något annorlunda vinkel, i sann färg. Insatsen visar ett område cirka 390 kilometer från topp till botten. Nära det övre vänstra är en spännande funktion – vad som verkar vara ett berg mitt i en depression eller vallgrav. (credit A, b: modifiering av arbete av NASA/JHUAPL/SwRI)

vad New Horizons visade var en annan komplex värld. Det finns spridda kratrar i den nedre delen av bilden, men mycket av resten av ytan verkar slät. Att korsa mitten av bilden är ett bälte av grov terräng, inklusive vad som verkar vara tektoniska dalar, som om vissa styrkor hade försökt dela Charon isär. Toppning av denna konstiga bild är en tydligt röd polär keps, av okänd komposition. Många funktioner på Charon är ännu inte förstådda, inklusive vad som verkar vara ett berg mitt i en låghöjdsregion.