Aldebaran bulletin

Týdeník věnovaný aktualitám a novinkám z fyziky a astronomie.
Vydavatel: AGA & Štefánikova hvězdárna v Praze
Číslo 16 (vyšlo 20. dubna, ročník 10 (2012)
© Copyright Aldebaran Group for Astrophysics
Publikování nebo šíření obsahu je zakázáno.
ISSN: 1214-1674,
Email: bulletin@aldebaran.cz

Hledej

Model magnetosféry Merkuru a sonda MESSENGER

Miroslav Horký

Sonda MESSENGER (MErcury Surface, Space ENvironment, GEochemistry, and Ranging), která startovala 3. srpna 2004, se v březnu 2011 dostala na oběžnou dráhu kolem planety Merkur, a stala se tak jejím prvním satelitem. Vůbec první pozorování Merkuru přinesla sonda Mariner 10Mariner – deset sond NASA určených k výzkumu vnitřních planet sluneční soustavy. K Marsu byly poslány sondy s označením 3, 4, 6, 7, 8 a 9. První, Mariner 3, odstartovala 5. 12. 1964. Na řadu sond k Marsu navázal Mariner 10, který prolétl kolem Venuše a poté jako jediná sonda z počátku kosmické éry zamířil k Merkuru, kde na přelomu let 1974 a 1975 pořídil fotografie Merkuru a první informace o jeho magnetosféře., která v roce 1974 absolvovala dva průlety kolem Merkuru a přinesla první detailnější fotografie a údaje o magnetickém poli nejmenší planety sluneční soustavy.

Merkur z Marineru 10

Obr. 1: Snímek Merkuru, jak jej vyfotografovala sonda Mariner 10. Zdroj NASA.

Merkur – planeta nejbližší Slunci. Je to skalnatá planeta, posetá krátery podobně jako náš Měsíc. Jde o nejmenší planetu vůbec. Je téměř bez atmosféry. Teplota povrchu tohoto tělesa kolísá mezi −180 °C a 430 °C. Merkur se otočí kolem vlastní osy jednou za 59 našich dní. Jeho doba oběhu kolem Slunce trvá 88 dní. Jde o příklad vázané rotace (spinorbitální interakce) v poměru 2:3 způsobené slapovými silami. Dráha Merkuru kolem Slunce je protáhlá elipsa, která se stáčí vlivem přítomnosti ostatních planet. Malá část stáčení perihelia dráhy (43″ za století) je způsobena efekty obecné relativity.

Magnetosféra – oblast magnetického vlivu planety nebo jiného nebeského tělesa. U naší Země je dipólové magnetické pole vytvářeno v jádru elektrickými proudy o řádové hodnotě 109 A. Toto pole je deformováno interakcí se slunečním větrem do charakteristického tvaru – magnetosféry Země. Magnetosféry planet jsou přirozeným ochranným štítem před nabitými částicemi slunečního větru.

MESSENGER – sonda NASA, která zkoumala planetu Merkur. Startovala v srpnu 2004, v letech 2006 a 2007 prolétla dvakrát kolem Venuše. Kolem Merkuru poprvé prolétla v lednu 2008. Další průlety proběhly v říjnu 2008 a září 2009. V březnu 2011 byla navedena na oběžnou dráhu kolem Merkuru a od té doby prováděla komplexní měření. Název sondy je zkratkou z anglického MErcury, Surface, Space ENvironment, GEochemistry, and Ranging. Sonda ukončila svou činnost 30. dubna 2015 řízeným pádem na povrch planety.

NASA – National Aeronautics and Space Administration, americký Národní úřad pro letectví a kosmonautiku, byl založen prezidentem Eisenhowerem 29. července 1958. Jde o instituci zodpovědnou za kosmický program USA a dlouhodobý civilní i vojenský výzkum vesmíru. K nejznámějším projektům patří mise Apollo, která v roce 1969 vyvrcholila přistáním člověka na Měsíci, mise Pioneer, Voyager, Mars Global Surveyor a dlouhá řada dalších.

Mise MESSENGER

Od té doby zájem o Merkur pohasl až do roku 1999, kdy NASA rozhodla o realizaci mise MESSENGER. Sonda po startu v roce 2004 absolvovala tři průlety kolem Merkuru, během nichž sbírala data, která jsou již vyhodnocována. Další data jsou průběžně sbírána a vyhodnocována od března 2011, kdy byla sonda úspěšně navedena na oběžnou dráhu kolem planety. Konečně se tedy budeme moci dozvědět něco víc o tom, proč má Merkur tak husté jádro (jeho vlivem je na Merkuru zhruba stejná gravitace jako na MarsuMars – 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., který je však o 40 % větší). Očekáváme také nové informace o magnetickém poli Merkuru.

Vědecké vybavení sondy MESSENGER
  • Kamerový systém MDIS (Mercury Dual Imaging System) je složen ze širokoúhlé kamery se zorným polem 10,5° a úzkoúhlé kamery o zorném poli 1,5°, která umožní u vybraných objektů obdržet snímky s rozlišením až 18 metrů. Systém bude pořizovat monochromatické i barevné snímky povrchu planety.
  • Gama a neutronový spektrometr GRNS (Gamma-Ray and Neutron Spectrometer), který měří povrchové zastoupení jednotlivých prvků.
  • Rentgenový spektrometr XRS (X-Ray Spectrometer) slouží rovněž pro měření chemického složení povrchu planety.
  • Magnetometr MAG (MAGnetometer) má za úkol studovat magnetické pole planety.
  • Laserový výškoměr MLA (Mercury Laser Altimeter) bude využit k topografickému mapování planety. Přístroj může pracovat až do výšky 1 000 km nad povrchem.
  • Spektrometr pro určování chemického složení atmosféry a povrchu MASCS (Mercury Atmospheric and Surface Composition Spectrometer) slouží pro spektrometrii v ultrafialové, viditelné a infračervené části spektra. Poslouží k detekci minerálů v povrchových horninách a ke studiu atmosférických plynů.
  • Spektrometr energetických částic a plazmatu EPPS (Energetic Particle and Plasma Spectrometer) bude zkoumat složení a charakteristiky nabitých částic kolem Merkuru za účelem studia magnetosféry planety.
  • Rádiové vybavení MESSENGERu bude též využito pro určení rychlosti sondy a její vzdálenost od Země. Tyto údaje mohou posloužit při studiu gravitačního pole planety.

Model magnetosféry

Ihned po prvním průletu začala skupina vědců z NASANASA – National Aeronautics and Space Administration, americký Národní úřad pro letectví a kosmonautiku, byl založen prezidentem Eisenhowerem 29. července 1958. Jde o instituci zodpovědnou za kosmický program USA a dlouhodobý civilní i vojenský výzkum vesmíru. K nejznámějším projektům patří mise Apollo, která v roce 1969 vyvrcholila přistáním člověka na Měsíci, mise Pioneer, Voyager, Mars Global Surveyor a dlouhá řada dalších. a dalších institucí [1] pracovat na modelu magnetosféry MerkuruMerkur – planeta nejbližší Slunci. Je to skalnatá planeta, posetá krátery podobně jako náš Měsíc. Jde o nejmenší planetu vůbec. Je téměř bez atmosféry. Teplota povrchu tohoto tělesa kolísá mezi −180 °C a 430 °C. Merkur se otočí kolem vlastní osy jednou za 59 našich dní. Jeho doba oběhu kolem Slunce trvá 88 dní. Jde o příklad vázané rotace (spinorbitální interakce) v poměru 2:3 způsobené slapovými silami. Dráha Merkuru kolem Slunce je protáhlá elipsa, která se stáčí vlivem přítomnosti ostatních planet. Malá část stáčení perihelia dráhy (43″ za století) je způsobena efekty obecné relativity.. Pro modelování vycházeli z dvoutekutinového MHDMHD – magnetohydrodynamika, popis plazmatu jakožto tekutiny v přítomnosti magnetického pole. Přesnější popis lze získat za pomoci více prolínajících se tekutin (například tekutiny elektronů, iontů a neutrálních částic). Magnetohydrodynamiku poprvé použil k popisu plazmatu švédský fyzik Hannes Alfvén v polovině 20. století. modelu složeného z protonůProton – částice složená ze tří kvarků (duu) se spinem 1/2, hmotností 1,673×10−27 kg (938 MeV) a elektrickým nábojem +1,6×10−19 C. Proton je na běžných časových škálách stabilní, pokud se rozpadá, je poločas rozpadu větší než 1035 let. Za objevitele protonu je považován Ernest Rutherford, který v roce 1911 objevil atomové jádro při analýze rozptylu částice alfa pronikající tenkou zlatou fólií. Samotná jádra vodíku (protony) detekoval v roce 1918 při ostřelování dusíku částicemi alfa. Antiproton byl objeven v roce 1955 Emilio Segrem a Owenem Chamberlainem.elektronůElektron – první objevená elementární částice. Je stabilní. Hmotnost má 9,1×10−31 kg a elektrický náboj 1,6×10−19 C. Elektron objevil sir Joseph John Thomson v roce 1897. Existenci antičástice k elektronu (pozitron) teoreticky předpověděl Paul Dirac v roce 1928 a objevil Carl Anderson v roce 1932.. Neutrální tekutinu neuvažovali. Vnější okrajové podmínky byly vytvořeny na základě údajů o tlaku slunečního větruSluneční vítr – proud nabitých částic ze Slunce, které zaplavují celou sluneční soustavu. Zejména jde o protony, elektrony a alfa částice (jádra hélia). Typická rychlost částic u Země je kolem 500 km/s (rychlost zvuku v tomto prostředí je 50 km/s), teplota 3 eV (30 000 K) a koncentrace několik protonů v m3. Částice vylétávající v polárním směru mají vyšší rychlost (přibližně 750 km/s) a nazýváme je rychlý sluneční vítr. Sluneční vítr objevil anglický astronom Richard Carrington v roce 1859, kdy bylo za půl dne po slunečním vzplanutí narušeno magnetické pole Země. a vnitřní okrajové podmínky byly dány povrchem planetyPlaneta – nebeské těleso, které: 1) obíhá okolo Slunce. 2) má dostatečnou hmotnost, aby jeho gravitace překonala vnitřní síly pevného tělesa (dosáhne kulového tvaru odpovídajícího hydrostatické rovnováze). 3) vyčistí okolí své dráhy od drobnějších těles. Planetami jsou Merkur, Venuše, Země, Mars, Jupiter, Saturn, Uran a Neptun. V poslední době se název planeta vžil i pro exoplanety obíhající kolem jiných hvězd, než je naše Slunce. a vlastním magnetickým polem na povrchu planety. Planeta samotná byla v modelu nahrazena nemagnetickou koulí umožňující průchod magnetických siločar. Pro model byl zvolen systém souřadnic, ve kterém míří osa x směrem ke SlunciSlunce – nám nejbližší hvězda, tzv. hvězda hlavní posloupnosti, která se nachází ve vzdálenosti 149,6×106 km od Země. Jde o žhavou plazmatickou kouli s průměrem 1,392×106 km, teplotou na povrchu 5 780 K, teplotou v centru přibližně 15×106 K a zářivým výkonem 3,846×1026 W. Zdrojem energie je jaderná syntéza, při které se za každou sekundu sloučí v jádru Slunce 700 milionů tun vodíku na hélium., osa z od jihu na sever, osa y od úsvitu k soumraku (při pohledu na rovinu z-y se díváme na přivrácenou stranu planety).

Parametry slunečního větru a magnetického pole

koncentrace částic slunečního větru 20 cm–3
střední hodnota hmotnosti částic slunečního větru 1 amu
rychlost slunečního větru  450 km/s
teplota protonů slunečního větru 8,5 eV
rychlost slunečního větru (Machovo čísloMach – jednotka rychlosti, udává kolikrát je rychlost tělesa vyšší než rychlost zvuku. Pojmenována byla na počest rakouského fyzika Ernesta Macha (1838-1916), který v 19. století studoval dynamiku plynů.) 12,2
rychlost slunečního větru (Machovo-Alfvénovo čísloMachovo-Alfvénovo číslo – jednotka rychlosti, udává kolikrát je rychlost částice vyšší než Alfvénova rychlost. Alfvénova rychlost je rychlost, kterou by plazma získalo při úplné přeměně magnetické energie na energii kinetickou.) 5,2
meziplanetární magnetické pole  (–12, 12, 5) nT
magnetické pole na rovníku 210 nT

Výsledky simulací

Obr. 2: Výsledky simulace, v levém sloupci v rovině x-z a v pravém sloupci v rovině x-y. Bílá křivka v pravém sloupci znázorňuje trajektorii prvního průletu sondy MESSENGER. Zdroj: [1].

Porovnání namodelovaných a naměřených složek magnetického pole

Obr.3: Porovnání namodelovaných a naměřených složek magnetického pole. Simulace je vynesena černě, naměřené pole modře. Červeně je vynesena velikost magnetické indukce. Svislé čárkované úsečky mají význam hranic: BS – rázová vlnaRázová vlna magnetosféry – hranice magnetosféry formovaná nalétávajícím slunečním větrem. Na této rázové vlně se skokem mění koncentrace částic, rychlost plazmatu a magnetické pole. Nachází se od planety směrem ke Slunci. (Bow Shock), MP – magnetopauzaMagnetopauza – vnější hranice magnetosféry planety. Tlak slunečního větru vně je vyrovnán tlakem magnetického pole uvnitř. Jde o hranci magnetického vlivu planety.. Zdroj: [1].

Jak je vidět, naměřená data dobře korelují s daty namodelovanými, což je důležité pro další práci na modelu a studium magnetosféry Merkuru. Magnetické pole Merkuru je pro vědce velkou záhadou a v roce 1974 nikdo nečekal, že Mariner 10 nějaké magnetické pole naměří. Vzhledem k tomu, že MESSENGER je na orbitě Merkuru již přes rok, dočkáme se snad brzy dalších zajímavých výsledků. Dalším satelitem Merkuru by se měla stát sonda Bepi-ColomboBepiColombo – společná mise k Merkuru Evropské kosmické agentury ESA a Japonské kosmické agentury JAXA. Start je plánován na rok 2018, k Merkuru by sonda měla dolétnout v roce 2025. Mise bude hledat původ magnetického pole Merkuru, mapovat magnetosféru a provádět detailní testy obecné teorie relativity. Mise počítá s dvěma nezávislými sondami navedenými na oběžnou dráhu kolem planety. Sonda je pojmenována po italském astronomovi Giuseppe Colombovi (1920–1984), objeviteli rezonančního poměru 2:3 mezi oběžnou dobou Merkuru a jeho rotací. Mimo jiné Colombo objevil mechanizmus gravitačního manévru, na jehož principu bylo možné realizovat první (a také všechny další) misi Marineru 10 k planetě Merkur., jež je společným programem Evropské kosmické agentury ESAESA – European Space Agency, Evropská kosmická agentura. ESA spojuje úsilí 18 evropských zemí na poli kosmického výzkumu. Centrální sídlo je v Paříži, pobočky jsou v mnoha členských zemích. ESA byla založena v roce 1964 jako přímý následovník organizací ESRO a ELDO. Nejznámější nosnou raketou využívanou ESA je Ariane. Česká republika vstoupila do ESA v listopadu 2008. a Japonské kosmické agentury JAXAJAXA – Japan Aerospace eXploration Agency, japonská kosmická agentura, která vznikla v roce 2003 sloučením tří institucí: ISAS (Institute of Space and Astronautical Science), NAL (the National Aerospace Laboratory of Japan)a NASDA (National Space Development Agency of Japan). Ke svým letům agentura využívá kosmodrom USC (Uchinoura Space Center). V současnosti používá JAXA nosnou raketu H-IIA. JAXA využívá Tanegašimské kosmické středisko (na ostrově Tanegašima, 115 km jižně od ostrova Kjúšú)., startovat by měla v roce 2015 a dorazit k Merkuru v roce 2022. Merkur se tak po desetiletích přehlížení stal opět objektem, který si zaslouží být středem našeho zájmu.

Klip týdne: Navedení sondy MESSENGER na orbitu

Navedení sondy MESSENGER na orbitu. MESSENGER je americká sonda, která zkoumá planetu Merkur. Jde o první sondu po Marineru 10, který prolétl kolem Merkuru v roce 1974 a k velkému údivu astronomů detekoval magnetické pole této malé planety. Právě výzkum magnetického pole Merkuru je nesmírně důležitý. Jednak je nejblíže ke Slunci a interakce se slunečním větrem je nejintenzivnější a navíc má Merkur velmi řídkou atmosféru, takže interakce slunečního větru s magnetosférou není „zašuměna“ atmosférickými jevy. Sonda MESSENGER startovala v srpnu 2004 a v letech 2006 a 2007 prolétla dvakrát kolem Venuše. Kolem Merkuru poprvé prolétla v lednu 2008. Další průlety proběhly v říjnu 2008 a v září 2009. V březnu 2011 byla navedena na oběžnou dráhu kolem Merkuru a od té doby provádí komplexní měření. Název sondy je zkratkou z anglického MErcury, Surface, Space ENvironment, GEochemistry, and Ranging. V přiložené animaci si můžete prohlédnout navedení na eliptickou oběžnou dráhu kolem planety v březnu 2011. (mp4/h264, 10 MB)

Odkazy

Valid HTML 5 Valid CSS!

Aldebaran Homepage