Týdeník věnovaný aktualitám a novinkám z fyziky a astronomie. Vydavatel: AGA & Štefánikova hvězdárna v Praze Číslo 11 (vyšlo 1. dubna), ročník 8 (2010) © Copyright Aldebaran Group for Astrophysics Publikování nebo šíření obsahu je zakázáno. ISSN: 1214-1674, Email: bulletin@aldebaran.cz

11/2010

Enceladus

Jaroslava Losová, David Maňas

Enceladus je šestým největším měsícem planety Saturn. Enceladus obíhá planetu mezi měsíci Mimas a Tethys v nejhustší části neohraničeného širokého prstence Saturnu, který se nazývá prstenec E. Tento prstenec se rozkládá od oběžné dráhy Mimase až téměř po oběžnou dráhu měsíce Rhea. Enceladus dostal své jméno podle Titána Enkelada z řecké mytologie, má průměr pouhých 504 km a byl objeven roku 1789 Williamem Herschelem. První sondou prolétnuvší v roce 1981 kolem Enceladu ve vzdálenosti 90 000 km byl Voyager 2, bohužel však o tomto tělese příliš informací nepřinesl. Základní charakteristikou Enceladu je jeho vysoká odrazivost, odráží téměř 100 % dopadajícího světla, což z něj dělá po Slunci nejjasnější těleso v naší Sluneční soustavě. Spektrální analýzou bylo zjištěno, že povrch je pokryt převážně vodním ledem. Na povrchu je možno nalézt místa jak pokrytá krátery, tak i hladké pláně bez kráterů. Prvotní otázkou, která vyvstala mezi planetárními geology, bylo tedy nalézt vysvětlení tohoto stavu. Kromě kráterových a hladkých oblastí jsou na Enceladu navíc pozorovány také oblasti zvrásněné úzkými hřebeny nebo křižujícími se zlomy.

Poloha měsíce Enceladus v systému Saturnových prstenců. Zdroj NASA.

První studie se tedy zabývaly vysvětlením rozsáhlých změn na povrchu, pozorovaných na snímcích z VoyageruVoyager – dvojice sond NASA, která startovala v roce 1977 pomocí nosných raket Titan/Centaur. V roce 1979 proletěly obě sondy kolem Jupiteru, v roce 1980 (Voyager 1) a 1981 (Voyager 2) kolem Saturnu. Voyager 2 pokračoval dále k Uranu (1986) a Neptunu (1989). Obě sondy se zásadním způsobem zasloužily o poznání sluneční soustavy a dnes jsou nejvzdálenějšími objekty, které lidstvo vyslalo.. Oblasti bez kráterů se nabízely jako mladé s nedávnou geologickou aktivitou. Nebylo jasné, zda Enceladus byl schopen utvářet povrchovou morfologii jen díky svým vnitřním procesům, jako je například vulkanická činnost, nebo zda byl povrch formován nějakým vnějšími meziplanetárními vlivy. Planetární geologové prověřovali modely umožňující viskózní relaxaciViskózní relaxace – uvolnění povrchového napětí tečením – povrch planety nebo měsíce, například rozbrázděný krátery či jinak šokově přetvořený, je následně přetvořen plastickým tečením povrchových vrstev., zlomové vrásnění a kryovulkanismusKryovulkanismus – druh sopečné činnosti, při které dochází k výronům chladné hmoty. Narozdíl od vulkanismu při kryovulkanizmu sopky chrlí hmotu při velice nízkých teplotách.. Bylo odhadnuto, že potřebné množství tepla pro tyto projevy by byla schopna vygenerovat rezonanceRezonance – vlastnost pohybu dvou těles ve sluneční soustavě, při které jsou jejich doby oběhu v poměru malých celých čísel. V takovém případě nastává mezi tělesy gravitační vazba (rezonance), která ovlivňuje stabilitu tohoto uspořádání. mezi rotační periodou měsíce a jeho oběžnou periodou v poměru 1:3, a to za předpokladu, že Enceladus prochází nucenými libracemiLibrace – malé periodické výkyvy v rotaci měsíce nebo planety způsobené nejrůznějšími vlivy. o amplitudě několika stupňů. Enceladus ale obíhá kolem Saturnu stejně, jako obíhá MěsícMěsíc – přirozený satelit Země, rotuje tzv. vázanou rotací (doba oběhu a rotace je shodná). Díky tomu stále vidíme přibližně jen přivrácenou polokouli Měsíce. Měsíc je prvním cizím tělesem, na kterém stanul člověk (Neil Armstrong, 1969, Apollo 11). Voda na Měsíci byla objevena v stinných částech kráterů a pod povrchem (Lunar Prospektor, 1998). Povrch Měsíce je pokryt regolitem (drobná drť s vysokým obsahem skla). Malé pevné jádro je obklopené plastickou vrstvou (v hloubce 1 000 km pod povrchem). Velké množství kráterů má rozměry od milimetrů po stovky kilometrů. Několik z nich je pojmenováno i po českých osobnostech (například kráter Anděl). kolem ZeměZemě – největší z planet zemského typu. Je jedinou planetou v celém vesmíru, o které víme, že na ní existuje život. Má dostatečně hustou atmosféru, dostatek kapalné vody v povrchových oceánech. Kolem Země obíhá jediný měsíc s vázanou rotací. Při pozorování Země z kosmu vidíme hlavně modrou barvu oceánů. 70 % povrchu Země je pokryto oceány, 30 % tvoří kontinenty. Země sestává z těchto vrstev: jádro, plášť, kůra, troposféra, stratosféra, mezosféra, termosféra. Plášť a kůra jsou odděleny tzv. Mohorovičovým rozhraním. Kůra se posouvá a „plave“ na polotekutém plášti. Teplota v centru Země je 5 100 °C, tlak 360 GPa. Magnetické pole Země má přibližně dipólový charakter, je deformováno slunečním větrem do typického tvaru., jeho rotace je vázaná s oběžnou dobou, rezonanční poměr je 1:1. Pozdější měření prováděná sondou CassiniCassini – meziplanetární sonda NASA, ESA a ASI (Italská kosmická agentura) určená k průzkumu Saturnu. Startovala z Cape Canaveral 15. října 1997, k Saturnu dorazila 30. června 2004. Celková hmotnost Cassini (včetně paliva a pouzdra Huygens) při startu byla 5 600 kg. Vyvrcholením mise bylo měkké přistání pouzdra Huygens na povrchu Saturnova měsíce Titanu dne 14. ledna 2005. Sonda byla pojmenována podle italského matematika a astronoma Giana Domenica Cassiniho (1625-1712). Podle tohoto vědce je pojmenována i část Saturnových prstenců, tzv. Cassiniho dělení. V roce 2010 byla mise prodloužena až do roku 2017. žádnou libraci požadovaného měřítka neodhalila, ačkoli probíhala po více než polovinu oběžné dráhy Enceladu a zaznamenala i nejbližší a nejvzdálenější bod dráhy od Saturnu. Současný pohybový stav Enceladu tedy nenabízí vlastní zdroj vnitřní energie, která by umožnila vytvarovat povrch do pozorovaných útvarů. Výše uvedené platí za předpokladu povrchu tvořeného převážně vodním ledem. Pokud by však součástí povrchu byl ve větší míře i amoniak, který by spolu s vodním ledem tvořil eutektickou směsEutektická směs – směs dvou nebo více látek, která utuhne při určité teplotě. Látky jsou mísitelné v tekutém stavu, nemísitelné ve stavu pevném. Zatuhlá směs sestává z více fází. Eutektická teplota je nejnižší teplota, při níž je eutektická směs v kapalném stavu. Může být nižší než jednotlivé teploty tání složek směsi., byla by potřebná teplota tání povrchu mnohem nižší. Pak by bylo možné povrchovou morfologii vysvětlit jako projevy kryovulkanismu. V úvahu byla brána také orbitální evoluce měsíce, která může být provázena intenzivním zahříváním nitra obíhajícího tělesa vyvolaným slapovými silamiSlapová síla – rozdíl gravitačních sil působících na různé části tělesa. Například Země působí na naše nohy větší gravitační silou než na hlavu, rozdíl je ale zanedbatelný. Slapové síly Měsíce působící na Zemi jsou příčinou přílivu a odlivu a také příčinou výměny momentu hybnosti mezi Měsícem a Zemí, která vede na postupné vzdalování Měsíce. Obdobná slapová vazba existuje mezi Zemí a Sluncem a je pravděpodobně hlavní příčinou současného vzdalování Země od Slunce..

Sonda Cassini započala v červenci 2004 průzkum Saturnových měsíců a již v únoru 2005 se přiblížila k Enceladu. Prolétla ve vzdálenosti 1 179 km nad rovníkovou oblastí přivrácenou k Saturnu. Pomocí magnetometru bylo zjištěno propojení magnetického pole Saturnu s magnetosférou Enceladu, k čemuž zřejmě napomáhají těžké ionty uvolňované z povrchu Enceladu. Průlet potvrdil, že povrch je složen hlavně z vody, oxidu uhličitého, dusíku a metanu. Amoniak zde však nalezen nebyl. Podrobné snímky ukázaly jemnou síť zlomů v oblastech, které se dříve zdály být zcela hladké. Při dalším průletu 9. března 2005 ve vzdálenosti 497 km nad rovníkovou oblastí tentokrát odvrácené strany Enceladu od Saturnu, byl magnetickým měřením potvrzen zdroj vodních iontů, hromadících se v plazmosféře Enceladu, pravděpodobně pocházejících z jeho jižní části. Třetí průlet Cassini 14. července 2005 byl již cíleně zaměřen na průzkum jižní polární oblasti. Velmi těsný průlet proběhl ve vzdálenosti 175 km. Podrobné snímky (4m/pixel) ukázaly oblast posetou ledovými balvany o velikosti rodinného domu vzniklými pravděpodobně tektonickou aktivitou, téměř zcela bez dopadových kráterů. Nejzajímavější na jižní polární oblasti je skupina rovnoběžných dlouhých zlomů, které byly nazvány „Tygří pruhy“. Pruhy jsou asi 500 m hluboké, 2 km široké a 130 km dlouhé a jsou na obou stranách lemované hřebeny vysokými až 100 m. Rozloženy jsou 35 km paralelně od sebe a mají orientaci 45° ze Saturnova směru. Celá tato oblast je ohraničena hradbou vinoucích se zlomů a hřebenů, převyšujících okolní terén o stovky metrů. Tato oblast ve tvaru přibližně šestiúhelníku se rozkládá na ploše přibližně 70 000 km², což je okolo 9 % povrchu. Rohy šestiúhelníku tvoří jakési prohlubně ve tvaru Y, směřující k rovníku. Jsou to nejmladší geologické útvary této oblasti a z nich vybíhají severojižně orientované praskliny a průrvy.

Zdaleka nejvyšší teploty naměřené na povrchu Enceladu (114÷157 K) vykazuje jižní polární oblast. Povrch měsíce odtud vyzařuje do prostoru 60 Wm^–2. Pro srovnání: v geotermální oblasti v Yellowstonu je to pouhých 2,5 Wm^–2. Vyzařování určitě nějak souvisí s Tygřími pruhy. Byla jasně prokázána přítomnost oblaků vodních par a částic ledu tryskajících z této oblasti, ale opět nebyl nalezen žádný amoniak. Poslední průlet odhalil výtrysky vodních par a jemných ledových částic, které nad povrchem vytvářejí zmíněná oblaka. Většina takto vyvržených částic dopadá zpět na povrch. Dle prozatím vytvořených modelů asi tak 1 % částic unikne a zásobuje materiálem prstenec E. Předmětem dalšího zkoumání bude upřesnění těchto procesů.

Tygří pruhy lemuje tmavší materiál, který má o 10 % nižší albedoAlbedo – míra odrazivosti povrchu tělesa. Jde o poměr dopadajícího a odraženého elektromagnetického záření vyjádřený zpravidla v procentech nebo desetinných číslech. Pokud není specifikováno jinak, jde o viditelné světlo a kolmý dopad. Například albedo sněhu je 90 % (0,9), Země 31 % (0,31) a Měsíce 12 % (0,12). než zbytek povrchu. Kontrast mezi odrazivostí „Tygřích pruhů“ a pláněmi mezi nimi je největší, jaký lze na povrchu pozorovat, v odrazivosti jde o téměř 20 %. Tyto vlastnosti zřejmě přímo souvisejí s vyvrhováním a následným spadem částic zpět na povrch. Zbytek Enceladu je převážně pokryt jemně zrnitým regolitemRegolit – vrstva nezpevněného materiálu, který pokrývá celistvé podloží. Zpravidla jde o drť vzniklou dopadem drobných těles nebo jinou erozivní činností. Vrstvu regolitu najdeme na Měsíci, v některých oblastech na Zemi i na jiných tělesech sluneční soustavy., který vznikl rozrušováním vysokorychlostními částicemi pocházejícími z prstence E, nebo redistribucí (naprašováním) částic. Jižní oblast regolitem pokryta není, povrch je zde tedy mladý, velmi pravděpodobně v nedávné době prošel termální přeměnou.

Enceladus plující v prstenci E. Snímek pořízený 15. září 2006 ze vzdálenosti
2,1 miliónů km. Zdroj NASA/JPL.

Na Enceladu se nacházejí oblasti s různou hustotou kráterů. To je nejspíše způsobeno přetrvávající geologickou aktivitou. Nejnižší hustota kráterů byla naměřena kolem „Tygřích pruhů“. Lze tam najít pouze několik kráterů, ne větších než 1 km. Dle charakteru a počtu kráterů na celém povrchu bylo odhadnuto, že měsíc prošel spíše několika jednotlivými obdobími geologické aktivity, oddělenými mnohem delšími obdobími klidu, nežli jedním spojitým dějem. Absolutní stáří terénu se odhaduje na cca 4 miliardy roků, avšak jižní oblast je určitě mladší než 500 000 roků.

Nejnovější pozorování a měření umožnila mnohem lépe odhadnout hustotu tělesa, a tím i radiogenní ohřevRadiogenní ohřev – ohřev teplem, které vzniká v důsledku rozpadu radioaktivních izotopů některých prvků. Radiogenní teplo je například zdrojem energie pohybu litosférických desek u Země.. Probíhá v mnohem větším rozsahu, než bylo předpokládáno. Vnitřek Enceladu je teplý a pravděpodobně stále geologicky aktivní. Standardní sféricky symetrické termální modely se tak na nitro Enceladu aplikovat nedají. Nedokáží vysvětlit anomální teplotu jižní polární oblasti. Podpovrchová struktura Enceladu je pravděpodobně velmi nerovnoměrná.

Tvar dráhy měsíce by mohl být klíčem k otázce ohřevu, pokud by jeho zdrojem byly slapové síly. V souladu s matematickým modelováním se oběžná dráha Enceladu nemohla v minulosti lišit o více než 5 % od současné dráhy. Tím padl další možný mechanismus jeho zahřívání. Simulace ukazují, že za ohřev by mohla být zodpovědná spin-orbitální libraceSpin-orbitální librace – vazba mezi oběžnou a rotační periodou, která vede k periodickému vychylování osy rotace nebeského tělesa. v poměru 1:4, a to jak v současnosti, tak v minulosti.. Pátrání po současné libraciLibrace – malé periodické výkyvy v rotaci měsíce nebo planety způsobené nejrůznějšími vlivy. bylo realizováno 1 375 měřeními 190 kontrolních bodů ve 129 snímcích, které zaznamenaly více jak polovinu oběžné dráhy. Nakonec ale žádná librace detekována nebyla.

Zbývají dva možné slapové mechanismy zahřívání. První možnost je způsobena excentricitou dráhy a rezonancí s měsícem Dione v poměru 2:1. Množství tepla takto získané však není dostatečné k tání povrchového materiálu. I proto se neustále uvažuje o přítomnosti amoniaku, který by snížil teplotu tání, i když dosud detekován nebyl. Druhou možností je ohřev pomocí sekundární rezonance mezi vychylováním osy rotace (librací) a samotnou rotací tělesa, který mohl probíhat alespoň v minulosti. Pokud byl někdy Enceladus v sekundární rezonanci, je potřeba najít způsob, jak se mohl do tohoto stavu dostat a proč v něm není i v současnosti. Nabízí se možnost, že dopad většího tělesa způsobil vychýlení Enceladu a Enceladus se tímto impulzem dostal do potřebné rezonance.

Gejzíry z jižní polární oblasti. Snímek z 23. 2. 2010. Zdroj: NASA/JPL.

Snímky sondy Cassini odhalily mnoho oddělených výtrysků vycházejících z povrchu z různých směrů, dosahujících výšky až 435 km. Zdroj výtrysků odpovídá regionu Tygřích pruhů. Měření jasu a tedy hustoty sloupce částic odtud tryskajících bylo provedeno ze snímků pořízených v listopadu 2009 nad jižní polární oblastí. Cílem bylo určit hustotu částic v závislosti na výšce a také množství unikajících částic. Buď je zdrojem gejzírů sublimace ledu, nebo by se pod povrchem mohl nacházet geotermální rezervoár vody. Výtrysky obsahují velké množství ledových částic. Poměr plynu a ledu v gejzírech je v rozporu s první teorií. Naopak podporuje druhou možnost. Vroucí tekutina může produkovat mrak plynu a ledu, pokud jsou kapičky vody unášeny parami z gejzírů a následnou expanzí zmrznou v ledové částice. To by znamenalo, že na Enceladu existuje pod ledovou krustou voda v tekutém stavu. Jelikož byly v gejzírech detekovány i jednoduché organické sloučeniny, nabízí se možnost vzniku těchto částic biologickou cestou. Při hledání mimozemského života se však opíráme o znalosti životních pochodů na Zemi. A s těmito poznatky se mohou mimozemské formy rozcházet v mnohém.

Enceladus patří mezi pouhá čtyři tělesa ve Sluneční soustavě, o kterých nyní víme, že jsou stále ještě geologicky aktivní. Dalšími jsou naše ZeměZemě – největší z planet zemského typu. Je jedinou planetou v celém vesmíru, o které víme, že na ní existuje život. Má dostatečně hustou atmosféru, dostatek kapalné vody v povrchových oceánech. Kolem Země obíhá jediný měsíc s vázanou rotací. Při pozorování Země z kosmu vidíme hlavně modrou barvu oceánů. 70 % povrchu Země je pokryto oceány, 30 % tvoří kontinenty. Země sestává z těchto vrstev: jádro, plášť, kůra, troposféra, stratosféra, mezosféra, termosféra. Plášť a kůra jsou odděleny tzv. Mohorovičovým rozhraním. Kůra se posouvá a „plave“ na polotekutém plášti. Teplota v centru Země je 5 100 °C, tlak 360 GPa. Magnetické pole Země má přibližně dipólový charakter, je deformováno slunečním větrem do typického tvaru., Jupiterův měsíc Io a NeptunůvNeptun – poslední z obřích planet. Podobně jako ostatní obří planety má prstence, rozsáhlou soustavu měsíců a pásovitou strukturu atmosféry s obřími víry – skvrnami. Neptun je téměř stejně velký jako Uran. Průměrná hvězdná velikost je 7,8^m a proto nemůže být pozorován okem. Atmosféra má pásovitou strukturu, rotace je diferenciální s průměrnou periodou 19 hodin. Vlastní rotační perioda planety je 16 hodin, atmosféra tedy vzhledem k povrchu rotuje retrográdně. V atmosféře se nachází obří anticyklóny, například Malá a Velká temná skvrna. Atmosféra má zelenomodrou barvu, v horních vrstvách převládá vodík a helium. Modrozelené zabarvení je způsobeno stopami metanu. Rychlosti větru naměřené sondou Voyager 2 přesahují 2 000 km/h. Magnetické pole má dipólový charakter, osa je skloněna 47° vzhledem k rotační ose a posunutá od středu o 0,55 poloměru. měsíc Triton. Zároveň se řadí mezi tělesa ve Sluneční soustavě, která jsou žhavými kandidáty pro možnou existenci nezemských forem života. Nejznámějšími jsou, kromě Země, planeta MarsMars – rudá planeta se dvěma malými měsíci, Phobosem a Deimosem, je v pořadí čtvrtým tělesem sluneční soustavy. Povrch planety je pokryt načervenalým pískem a prachem. Barva je způsobena vysokým obsahem železa. Načervenalá barva celé planety jí dala jméno (Mars je bůh válek). Na povrchu se nacházejí obrovské sopky, z nichž ta největší, Olympus Mons, je 24 km vysoká a její základna je 550 km široká. Na vrcholu je kráter o průměru 72 km. Pro Mars jsou charakteristické systémy kaňonů vzniklé pohybem kůry. Snímky ze sond ukazují místa, kudy dříve tekla voda. Zdá se, že Mars byl dříve vlhčí a teplejší, než je dnes. Rozpětí teplot, které na Marsu panují (zima ne větší než v Antarktidě) by bylo snesitelné pro některé primitivní formy života žijící na Zemi. Jejich existence se však dosud nepotvrdila. a JupiterůvJupiter – největší a nejhmotnější (1,9×10²⁷ kg) planeta sluneční soustavy má plynokapalný charakter a chemické složení podobné Slunci. Se svými mnoha měsíci se Jupiter podobá jakési „sluneční soustavě“ v malém. Jupiter má, stejně jako všechny obří planety, soustavu prstenců. Rychlá rotace Jupiteru (s periodou 10 hodin) způsobuje vydouvání rovníkových vrstev a vznik pestře zbarvených pásů. Charakteristickým útvarem Jupiterovy atmosféry je Velká rudá skvrna, která je pozorována po několik století. Atmosféra obsahuje kromě vodíku a helia také metan, amoniak a vodní páry. Teplota pod oblaky směrem ke středu roste. Na vrcholcích mraků je −160 °C, o 60 km hlouběji je přibližně stejná teplota jako na Zemi. Proudy tekoucí v nitru (v kovovém vodíku) vytvářejí kolem Jupiteru silné dipólové magnetické pole. měsíc Europa. V blízké budoucnosti uskuteční sonda CassiniCassini – meziplanetární sonda NASA, ESA a ASI (Italská kosmická agentura) určená k průzkumu Saturnu. Startovala z Cape Canaveral 15. října 1997, k Saturnu dorazila 30. června 2004. Celková hmotnost Cassini (včetně paliva a pouzdra Huygens) při startu byla 5 600 kg. Vyvrcholením mise bylo měkké přistání pouzdra Huygens na povrchu Saturnova měsíce Titanu dne 14. ledna 2005. Sonda byla pojmenována podle italského matematika a astronoma Giana Domenica Cassiniho (1625-1712). Podle tohoto vědce je pojmenována i část Saturnových prstenců, tzv. Cassiniho dělení. V roce 2010 byla mise prodloužena až do roku 2017. další průzkum. Určitě se máme ještě hodně na co těšit.

Klip týdne: Enceladus

Enceladus: Prohlédněte si komplexní flash prezentaci o měsíci Enceladus na americké NASA. Naleznete zde poslední snímky zajímavých oblastí, stručné komentáře důležitých jevů i poutavé klipy z mise Cassini. Zdroj NASA. (flv, NASA)

Literatura

Fórum – diskuze k tomuto bulletinu