Aldebaran bulletin

Týdeník věnovaný aktualitám a novinkám z fyziky a astronomie.
Vydavatel: AGA & Štefánikova hvězdárna v Praze
Číslo 15 (vyšlo 18. dubna, ročník 12 (2014)
© Copyright Aldebaran Group for Astrophysics
Publikování nebo šíření obsahu je zakázáno.
ISSN: 1214-1674,
Email: bulletin@aldebaran.cz

Hledej

Miranda – nedokončený příběh podivuhodného měsíce

Jakub Rozehnal

Těžko říci, jak si Gerard Kuiper, ředitel texaské McDonaldovy observatoře, představoval nový objekt, který objevil na snímcích pořízených dvoumetrovým Struveho dalekohledem, jenž v té době patřil mezi největší dalekohledy světa. Psal se 16. únor 1948 a Miranda se stala v pořadí pátým známým měsícem planety UranUran – jedna ze čtyř obřích planet, sedmá planeta sluneční soustavy má charakteristický modrozelený nádech. Průměrná hvězdná velikost 5,5m je na hranici viditelnosti lidským okem. Planeta má soustavu prstenců a kolem krouží rozsáhlý systém měsíců podobně jako u ostatních obřích planet. Kromě vodíku a helia obsahuje atmosféra také metan, způsobující namodralé zbarvení. Ve středu Uranu je jádro z hornin a železa. Rotační osa Uranu je vzhledem k rovině oběhu stočená na bok (98°), patrně díky střetu s jinou velkou planetou při vzniku sluneční soustavy. Rotace je diferenciální s periodou 16÷17 hodin. Rychlost větrů v atmosféře dosahuje až 600 km/h. Magnetická osa svírá s osou rotace úhel 59° a  je značně excentrická (prochází 8 000 km od středu planety). Magnetosféra je výrazná, intenzita pole je srovnatelná s intenzitou pole Země, ohon je zkroucen do tvaru vývrtky díky vlastní rotaci planety.. Během následujících desetiletí se ukázalo, že Miranda se v některých směrech odlišuje od ostatních měsíců velkých planet. Při pozorování ze Země například významně narůstala jasnost Mirandy v období kolem její opoziceOpozice – seskupení těles na jedné přímce s pozorovatelem uprostřed. U planet hovoříme o opozici, pokud je planeta vzhledem k pozorovateli na opačné straně než Slunce. se Sluncem. Tento tzv. opoziční jev je způsoben tím, že se při opozici díváme na povrch, který není pokryt stíny – vidíme tedy i do osvětlených „jamek“, které mohly vzniknout například dopady meteoritůMeteorit – pozůstatek po meteoroidu, těleso pocházející z meziplanetárního prostoru, které se srazilo s planetou (Země, Mars, …), přežilo průlet atmosférou a dopadlo na povrch. a mikrometeoritů. Z velikosti tohoto jevu astronomové usoudili, že povrch Mirandy musí být velmi porézní nebo členitý. Zajímavé bylo také zjištění, že rovina oběhu tohoto měsíce je vůči rovině rovníku Uranu skloněna o více než 4º, což není u větších měsíců v blízkosti obřích planet obvyklé. Než však mohli astronomové poprvé spatřit povrch Mirandy, muselo uplynout ještě několik desítek let. V lednu 1986 prolétala okolo Uranu sonda Voyager 2Voyager – 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 do vesmíru. a na jejích snímcích spatřili vědci měsíc o průměru přibližně 480 km, který vypadal, jako kdyby byl poskládán z různých úlomků, které se zcela nespojily. To bylo velkým překvapením, protože u tělesa, které je asi sedmkrát menší než Měsíc, nepředpokládali známky silné geologické aktivity.

Uran s některými ze svých měsíců

Uran s některými ze svých měsíců. Zdroj: Planetárium v Ravenně

Uran – jedna ze čtyř obřích planet, sedmá planeta sluneční soustavy má charakteristický modrozelený nádech. Průměrná hvězdná velikost 5,5m je na hranici viditelnosti lidským okem. Planeta má soustavu prstenců a kolem krouží rozsáhlý systém měsíců podobně jako u ostatních obřích planet. Kromě vodíku a helia obsahuje atmosféra také metan, způsobující namodralé zbarvení. Ve středu Uranu je jádro z hornin a železa. Rotační osa Uranu je vzhledem k rovině oběhu stočená na bok (98°), patrně díky střetu s jinou velkou planetou při vzniku sluneční soustavy. Rotace je diferenciální s periodou 16÷17 hodin. Rychlost větrů v atmosféře dosahuje až 600 km/h. Magnetická osa svírá s osou rotace úhel 59° a  je značně excentrická (prochází 8 000 km od středu planety). Magnetosféra je výrazná, intenzita pole je srovnatelná s intenzitou pole Země, ohon je zkroucen do tvaru vývrtky díky vlastní rotaci planety.

Voyager – 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 do vesmíru.

Je třeba poznamenat, že cesta sondy k Uranu se vlastně nemusela kvůli rozpočtovým škrtům vůbec uskutečnit. Uran se prostě nezdál tak „zajímavý“ jako JupiterJupiter – 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. či SaturnSaturn – druhá největší planeta sluneční soustavy. Je charakteristická dobře viditelným prstencem. Saturn je od Slunce desetkrát dále než Země, a proto je jeho teplota velmi nízká (−150 °C). Průměrná hustota planety 0,7 g·cm−3 je nejnižší z celé sluneční soustavy, dokonce nižší než hustota vody. Saturn patří k obřím planetám. Oběhne Slunce za 30 let, kolem vlastní osy se otočí za pouhých 10 hodin. Rychlá rotace způsobuje vznik pásů. V atmosféře jsou pozorovány velké žluté či bílé skvrny. Atmosféra je tvořena oblaky čpavku, vodíkem a heliem. V nitru je snad malé jádro z křemičitanů obklopené kovovým vodíkem. Vítr v atmosféře dosahuje rychlosti až 1 800 km/h. Magnetické pole má dipólový charakter s osou téměř rovnoběžnou s rotační osou. a o jeho měsících se soudilo, že budou jen dalšími klony prototypů ledových měsíců. Teprve poté, co Voyager 1 prozkoumal zblízka systém Saturnu, dostal Voyager 2 zelenou na cestu k nejvzdálenějším planetám. Navíc nebylo jisté, v jaké kondici se sonda probudí ze svého spánku, do kterého byla uvedena v roce 1981, aby ušetřila peníze Reaganově administrativě. Ani podrobný průzkum Mirandy nebyl vlastně dopředu plánován – došlo k němu v podstatě náhodou. Aby sonda získala potřebnou rychlost na cestu k NeptunuNeptun – 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 7,8m, 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., musela proletět v těsné blízkosti Uranu – planetu tak minula ve vzdálenosti 81 500 km nad svrchními vrstvami atmosféry. Vzhledem k tomu, že celý systém Uranu je vůči ekliptice, ve které se pohybovala sonda, skloněn o téměř 90 stupňů, byla Miranda jediným měsícem, který sonda zkoumala z bezprostřední blízkosti. Voyager 2 navíc prolétal v takové blízkosti Mirandy (sonda se přiblížila až na vzdálenost 30 160 km), že dlouhé expoziční časy, nutné kvůli velké vzdálenosti od SlunceSlunce – 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., by způsobily „rozmazání“ snímku (osvětlení je zde srovnatelné s tím, jaké byste měli v pokoji osvětleném dvacetiwattovou žárovkou). Celá sonda se proto musela v průběhu expozice natáčet, aby vyrovnala svůj vlastní pohyb. Výsledkem je skutečnost, že snímky Mirandy mají z celé mise Voyageru 2 nejlepší rozlišení. Zatímco většina ledových satelitů byla pořízena s rozlišením 2–3 km, detaily na povrchu Mirandy byly snímány s rozlišením 560–740 metrů.

Sonda Voyager

Sonda Voyager. V horní části dominuje radioanténa zajišťující přenos dat na Zemi, v levé horní části je patrné rameno magnetometru. Zdroj: NASA.

Hlavním rysem na povrchu Mirandy jsou tři veliké oválné oblasti, označované jako korony. Ve sluneční soustavě jsou dosti vzácné, kromě Mirandy najdeme podobné útvary například ještě na Venuši, kde však pravděpodobně vznikly vulkanickými procesy, viz AB 43/2005. Jedná se o systémy brázd a údolí, které jsou navzájem odděleny oblastmi hustě posetými krátery – z toho usuzujeme, že korony jsou výrazně mladší než zbytek povrchu. Kromě těchto pozoruhodných útvarů nacházíme na povrchu Mirandy i hluboké systémy kaňonů a útesů, které dosahují úctyhodné výšky až 20 km – pokud bychom z okraje takového kaňonu hodili dolů kámen, pak by díky malé gravitaci dopadl na jeho dno až po deseti minutách!

Miranda

Počítačem sestavená mozaika snímků ze dne 24. ledna 1986. Ukazuje jižní polokouli měsíce s dvěma zcela odlišnými typy povrchů – starým povrchem posetým krátery a mladými oválnými oblastmi. Ty jsou tvořeny systémy světlých a tmavých pásů, zlomů a hřebenů. Zdroj: NASA.

První teorie o původu zvláštního terénu předpokládaly rozbití měsíce při katastrofické srážce s jiným tělesem a jeho následnou reakreci na oběžné dráze. Přestože současné modely ukazují, že je tento scénář dosti nepravděpodobný, je tato zastaralá teorie stále široce zastoupena v astronomické populární literatuře.

Mezi alternativní vysvětlení patří například vytvoření koron při obřích impaktech, které roztavily ledový povrch i podpovrchové vrstvy. Soudě na základě střední hustoty je Miranda tvořena směsí ledu a křemičitanových hornin. Během lokálně vybuzené geologické aktivity pak mohlo dojít k periodicky se opakujícím záplavám vodou unikající z podpovrchových vrstev a jejímu následnému namrzání na povrchu impaktové pánve. Mladší terén může být také výsledkem nedokončené diferenciace měsíce, při které došlo k vynesení lehčího materiálu směrem k povrchu.

Rozložení povrchových útvarů může také naznačovat, že v minulosti došlo k reorientaci celého měsíce. Rotační osa těles je stabilizována tím, že se v oblasti rovníku nacházejí oblasti s hustším materiálem nebo s přebytkem hmoty, zatímco řidší oblasti se nacházejí u pólů. Pokud dojde k přerozdělení hmoty na povrchu či uvnitř měsíce, může to způsobit nestabilitu a následnou reorientaci jak rotační osy tak vedlejších os (tvar měsíce aproximujeme trojosým elipsoidem s osami a, bc). Teorii o reorientaci měsíce také podporuje asymetrie mezi krátery vytvořenými na straně obrácené po směru oběhu měsíce a na straně opačné – vzhledem k tomu, že měsíc má vázanou rotaci, lze očekávat, že meteoroidy dopadající na „návětrnou stranu“ měsíce vytvoří odlišnou hustotu a velikost kráterů než na straně opačné. Tato asymetrie je na povrchu Mirandy skutečně patrná, ale hranice mezi těmito dvěma oblastmi neprochází současným pólem měsíce a neprochází ani spojnicí mezi „suburanským“ bodem a jeho protějškem. Podrobnější analýzou povrchových struktur došli geologové k závěru, že u Mirandy mohlo dojít k „prohození“ vedlejších os ab (osa c prochází pólem, osa b směřuje ve směru tečny k oběhu a osa a směřuje k Uranu) a zároveň mohlo dojít k posunu pólu měsíce až o 20 stupňů.

Spouštěcích mechanismů, které vedly k reorientaci měsíce, mohlo být několik. Jednou z možností je dopad velké planetkyPlanetka – nesprávně asteroid, malé těleso o rozměrech maximálně stovek kilometrů na samostatné dráze kolem Slunce. Nejvíce planetek se nachází v tzv. Hlavním pásu mezi drahami Marsu a Jupiteru. Obdobná tělesa jsou i v Kuiperově pásu za drahou Neptunu., při kterém vznikla obří impaktní pánev. Při její následné relaxaci pak mohlo dojít k průniku materiálu z podloží, které bylo při impaktu roztaveno. Díky tomu došlo k jeho gravitační diferenciaci a lehčí materiál vystoupil na povrch, což způsobilo změnu rozložení hmoty na povrchu měsíce. Slapové sílySlapová 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 k postupnému vzdalování Měsíce. Obdobná slapová vazba existuje mezi Zemí a Sluncem a je pravděpodobně hlavní příčinou současného vzdalování Země od Slunce. Ve větších měřítkách působí slapové síly například při prolínání dvou galaxií. Uranu, které na měsíc při jeho reorientaci působily, pak mohly vyvolat další tektonickou aktivitu, která poznamenala celý povrch Mirandy. Podobným procesem reorientace mohl v minulosti projít také Saturnův měsíc Enceladus.

Zlomy na Mirandě

Tento systém hlubokých kaňonů a hřebenů vznikl patrně vrásněním. Největší zlom či útes je patrný napravo a dolů od středu obrázku. Ukazuje rýhy v hladké stěně, které vznikly při vzájemném tření zlomených bloků, což svědčí o jejich tektonickém původu. Zdroj: NASA.

Dalším procesem, který mohl vybudit geologickou aktivitu měsíce, je slapovýSlapová 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 k postupnému vzdalování Měsíce. Obdobná slapová vazba existuje mezi Zemí a Sluncem a je pravděpodobně hlavní příčinou současného vzdalování Země od Slunce. Ve větších měřítkách působí slapové síly například při prolínání dvou galaxií. ohřev. U měsíce, který má vázanou rotaci, však nedochází k slapovému ohřevu, pokud není jeho dráha dostatečně excentrická. Dnes je dráha Mirandy prakticky kruhová – její excentricitaExcentricita – výstřednost, poměr vzdálenosti ohniska od středu elipsy k délce hlavní poloosy. U pohybu těles v gravitačním poli jde o jeden ze základních dráhových elementů. je pouze 0,001, což je 50× méně ve srovnání s excentricitou dráhy našeho MěsíceMěsíc – 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). . V minulosti se však Miranda zřejmě nacházela v rezonanciRezonance – 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. Rezonance může také nastat v rámci dvou různých pohybů jediného tělesa, zpravidla jeho oběhu kolem Slunce a rotace kolem osy. Pak hovoříme o spinorbitální rezonanci. 3:1 s měsícem Umbriel. Tato rezonance zvyšovala excentricitu Mirandy, podobně jako k tomu dochází mezi galileovskými satelity Jupiteru. Vysoká excentricita dráhy Mirandy umožňovala efektivně vytvářet slapové tření, při kterém se uvolňovalo teplo, jež bylo zapotřebí k přetvoření povrchu Mirandy. K úniku Mirandy z rezonance s Umbrielem došlo zřejmě díky rozvoji sekundárních rezonancí, tedy jakýchsi „rezonancí mezi rezonancemi“, které vznikly díky vzájemné blízkosti primárních rezonancí. Těch je v systému Uran, Miranda, Umbriel celkem šest – tři mezi uzly a sklony drah a tři mezi pericentryPericentrum – bod na eliptické dráze kolem centrálního tělesa, který je tomuto tělesu nejblíže. Pro Slunce se používá výraz perihélium, pro Zemi perigeum, pro Měsíc periluna, pro Jupiter perijovum, pro Saturn perikronum, pro Mars periareion a pro hvězdu periastrum. a excentricitami. Při malých excentricitách a sklonech jsou tyto rezonance vzájemně dostatečně oddělené, ale slapový vývoj systému může tyto rezonance „přiblížit“, čímž dojde k sekundárním poruchám systému a následnému úniku Mirandy z rezonance. Excentricita dráhy „volné“ Mirandy je pak utlumena slapy a dráha se stává kruhovou. Tento scénář úniku Mirandy z rezonance podporuje výrazný sklon roviny oběhu Mirandy vůči rovině rovníku Uranu.

Přesto, že některé modely, snažící se o vysvětlení podivného vzhledu Mirandina povrchu, jsou velmi propracované, nejsou vzájemně konzistentní. Miranda si tak své tajemství stále uchovává a k jeho odhalení patrně nedojde dříve, než budeme mít k dispozici další poznatky – například o vzhledu její severní polokoule, která byla při průletu Voyageru v permanentním stínu. Již nyní je jasné, že se toho jen tak nedočkáme.

Odkazy

Valid HTML 5 Valid CSS!

Aldebaran Homepage