Aldebaran bulletin

Týdeník věnovaný aktualitám a novinkám z fyziky a astronomie.
Vydavatel: AGA (Aldebaran Group for Astrophysics)
Číslo 12 – vyšlo 9. dubna, ročník 18 (2021)
© Copyright Aldebaran Group for Astrophysics
Publikování nebo šíření obsahu je zakázáno.
ISSN: 1214-1674,
Email: bulletin@aldebaran.cz

Hledej

Bratrské měsíce nebo dvojčata?

Rudolf Mentzl

Není to tak dávno, kdy se zvažovaly tři teorie o původu 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).. Nejprve odpadla teorie, že jde o syna (Měsíc se oddělil od Země), později o manžela (Měsíc byl zachycen) a nejdéle se udržela představa bratra (obě tělesa vznikala spolu). Teprve s příchodem výpočetní technikyPočítačová simulace – napodobení skutečnosti pomocí numerického výpočtu, nezbytná součást modelování fyzikálních procesů. Dokáže na základě sofistikovaných algoritmů předpovědět jak kvantitativní, tak kvalitativní výsledky pokusů při různých počátečních podmínkách. Umožňuje omezit výběr jevů, které celý pokus ovlivňují nejvíce, a tím vysvětlit příčiny a podstatu procesů. vyšlo najevo, že z každé teorie platí kousek. Současné představy přijímáme, protože odstraňují slabiny předešlých teorií. Nyní již máme dostatek informací, abychom mohli výpočetní techniku nasadit také k řešení nejasností v původu měsíců 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..

Umělecká koláž Marsu a jeho dvou měsíců

Umělecká koláž Marsu a jeho dvou měsíců. Zdroj: Annes Astronomy News.

Slapová 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.

Mars – 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.

Rocheův lalok – prostorové ohraničení ekvipotenciální plochy systému dvou těles, například hvězd. Tato plocha se stejnou potenciální energií má tvar osmičky, složené ze dvou kapkovitých útvarů – Rocheových laloků. Pokud hvězda zcela vyplní prostor svého Rocheova laloku, dojde k přetoku látky na druhou složku. V případě planety a měsíce dojde při průchodu měsíce Rocheovou plochou k nestabilní situaci, měsíc začne padat na planetu a bude roztrhán slapovými silami.

Objev měsíců

Ačkoli americký astronom Asaph Hall objevil měsíce Fobos a Deimos až v srpnu 1877, historie objevu sahá až do počátku sedmnáctého století. Existenci dvou měsíců Marsu předpovídá již v roce 1610 Johannes Kepler. O sto let později francouzský básník Voltaire a v roce 1726 zvěčňuje svou teorii v románu Gulliverovy cesty i anglický spisovatel Jonathan Swift. Po každém z nich je na některém z měsíců pojmenován nějaký útvar. Na měsíčku Fobos nalezneme horský hřeben Kepler. Jména Voltaira a Swifta nesou nejvýznačnější krátery na měsíci Deimos. Slušelo by se doplnit, že nikdo z nich samozřejmě nemohl disponovat technikou schopnou tak malá tělesa objevit.

Přitom Swiftův popis, který vkládá do úst vědců z Laputy je neobyčejně výstižný: Objevili též dvojici menších hvězd neboli satelitů, obíhajících kolem Marsu, z nichž je vnitřní vzdálen od středu hlavní oběžnice právě tři její průměry a vnější pět. První se otočí dokola za deset, druhý za jednadvacet a půl hodiny, takže čtverce doby jejich oběhu jsou téměř v témž poměru jako trojmocniny jejich vzdálenosti od středu Marsu. To zřejmě dokazuje, že se řídí týmž gravitačním zákonem, jemuž podléhají ostatní tělesa nebeská.

Laputa

Dobová kresba Gullivera vyhlížejícího Laputu, jejíž vědci
objevili dva měsíčky Marsu. Kresba: J. J. Grandville.

Odkud ty vědomosti?

Než začneme spekulovat o mimozemském původu Keplera, Voltaira a Swifta, zamysleme se nad konkurenčním vysvětlením. Swift i Voltaire patrně čerpali z Keplera a ten svou předpověď rozhodně nešířil jako konzistentní vědeckou teorii. Z jeho vlastního pohledu šlo spíš jen o tušení. O intuici založenou na faktu, že VenušeVenuše – nejbližší planeta vzhledem k Zemi. Hustá atmosféra zabraňuje přímému pozorování povrchu. Díky skleníkovému efektu je na povrchu vysoká teplota, nejvyšší dosud naměřená hodnota činí 480 °C. Venuše obíhá kolem Slunce takřka po kruhové dráze ve vzdálenosti 108 milionů kilometrů s periodou 225 dní. Otočení kolem vlastní osy (proti oběhu, tzv. retrográdní rotace) trvá 243 pozemských dnů. To znamená, že na Venuši Slunce vychází a zapadá jen dvakrát za jeden oblet Slunce. Oblaka Venuše dobře odrážejí sluneční svit a proto je tato planeta po Slunci a Měsíci nejjasnějším tělesem na obloze. Na večerní obloze jí můžeme spatřit jako Večernici a na ranní obloze jako Jitřenku. nemá žádný měsíc, 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. Mohorovičićovým 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. jeden a 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. měl v té době známy měsíce čtyři. Předpoklad 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. mezi Marsem a Jupiterem pronásledoval astronomy od nepaměti. Při tehdejším stavu vědění bylo naprosto legitimní položit si otázku, zda je tato matematická řada jen náhoda nebo zda by Mars měl mít dva a hypotetická planeta tři měsíce.

Samotný Swiftův popis parametrů drah je sice výstižný, ale sedí pouze řádově. Pravděpodobnost, že by je uhodl náhodou, je tedy sice větší, ale stále nízká. Jonathan Swift byl učený anglikánský kněz, není problém sledovat jeho myšlenkové pochody. Již ze samotného textu je cítit přání autora podělit se se čtenářem o znalost třetího Keplerova zákonaKeplerovy zákony – tři zákony, které objevil v 17. století Johanes Kepler. Popisují pohyb planet v okolí Slunce: I. Planety se pohybují po elipsách, v jejichž ohnisku je Slunce. II. Plošná rychlost planet je konstantní (měřeno spojnicí planety a Slunce). III. Poměr druhých mocnin oběžných dob a třetích mocnin velkých poloos je pro všechny planety stejný.. Oběžnou dobu měsíce si samozřejmě mohl zvolit, tak sáhl po nějakém kulatém čísle – 10 hodin je hodnota hodná školního příkladu. Oběžná doba druhého měsíce je dopočítaná vztahem, ve kterém figuruje třetí mocnina a druhá odmocnina. Má-li být výsledek pěkné číslo, nezbývá mnoho možností, jak zvolit velikosti velkých poloosVelká poloosa – jeden z dráhových elementů tělesa obíhajícího kolem gravitačního centra (například planety kolem Slunce). Velká poloosa je polovina největší možné vzdálenosti mezi dvěma různými body elipsy, po které se těleso pohybuje. tak, aby splňovaly estetické požadavky malých celých čísel. Proto padla Swiftova volba na troj a pětinásobek průměru planety. Náhoda tu tedy svou roli sehrála, ale ne na straně Swifta. Gulliverova dobrodružství tedy můžeme nadále chápat jako pěkné dílo sice velice učeného, ale přece jen pozemšťana.

jméno měsíce Fobos Deimos
hlavní poloosa (km) 9 380 23 460
doba oběhu (hod) 7,66 30,29
hlavní poloosa dle Swifta (km) 20 376 33 960
doba oběhu dle Swifta (hod) 10 21,5

Parametry drah měsíců Fobos a Deimos a měsíce předpověděné Swiftem.

Dutý měsíc

Zastáncům mimozemských kontaktů svitla naděje ještě koncem padesátých let. Vědci na obou stranách železné opony dospěli k názoru, že je měsíc Fobos dutý. Sovětský astrofyzik Josif Samuljovič Šklovskij určil tloušťku stěny dutého tělesa na asi 6 cm. Vycházel přitom ze zpomalování oběhu měsíce, které bylo vyšší, než se dalo vysvětlit slapovýmSlapová 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. třením a případným elektromagnetickým odporem. Ani Američané nebrali tyto výpočty na lehkou váhu. Otázku umělého původu satelitu řešil v Bílém domě 14. 3. 1958 briefing Eisenhowerova kabinetu. O pět let později myšlenku podpořil i šéf oddělení aplikované matematiky při 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., Raymond H.Wilson, Jr. Vysvětlení je však prozaické, plyne z údajů sondy Mars ExpressMars Express – sonda k Marsu vypuštěná Evropskou kosmickou agenturou 2. června 2003. Sonda obsahovala orbitální a přistávací modul (Beagle 2). Přistání se nezdařilo, orbitální mise úspěšně probíhá. Sondu vynesla do vesmíru nosná raketa Sojuz-FG/Fregat z evropského kosmodromu Bajkonur. Celková hmotnost sondy včetně modulu Beagle 2 byla 666 kg.. Fobos má skutečně velice nízkou hustotu, pouhých 1 800 kg·m−3. Dokonce se dá souhlasit i s výrokem, že je dutý, a to až z cca 30 %. Nejedná se však o jednu velkou (obyvatelnou) dutinu, nýbrž o mezery v suti a mezi kameny. Fobos by se dal s dávkou nadsázky přirovnat k obrovské hromadě štěrku s dutinami v řádu milimetrů až metrů krychlových.

Fobos

Detail měsíčku Fobos zachycený sondou Mars Express 10. března 2010.
Zdroj: ESA/DLR/FU Berlin/G. Neukum | CC BY-SA 3.0 IGO.

Jeden tu byl, jeden tu zůstane

Faktem nicméně zůstává, že se oběh měsíčku zpomaluje. Lze dopočítat, že tímto tempem by v horizontu desítek milionů let dopadl na povrch planety. Nedopadne však najednou, mnohem dříve bude roztrhán slapovými silamiSlapové chvosty – oblasti mezihvězdné látky vytrhávané z hvězdných struktur při prolínání (srážkách) galaxií. Následně zde dochází k bouřlivému vzniku nových hvězd. Slapové chvosty sestávají oproti původním galaxiím z mnohem řidšího materiálu, zejména z plynu a jsou výrazněji pozorovatelné v radiovém oboru spektra., které ho již nyní pozorovatelně deformují. Měsíček s vázanou rotací směřuje svou nejdelší osu neustále k Marsu. Gravitační zrychlení na delších koncích je 3× menší, než v nížině. To je způsobeno nejen větší vzdáleností od středu měsíce, ale také působením slapových sil, které se už teď snaží Fobos roztrhnout.

Již první detailní fotografie obou měsíců nenechaly nikoho na pochybách o jejich původu. Nepravidelným tvarem, povrchem posetým krátery a v neposlední řadě malými rozměry v řádu jednotek až desítek kilometrů jako by z oka vypadly planetkámPlanetka – 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. pohybujícím se mezi Marsem a Jupiterem. Scénář je tedy zdánlivě jasný. Mars ze svého sousedství dvě z planetek zachytil.

Je třeba mít na vědomí, že samotné zachycení planetky na dlouhodobě stabilní dráhu je problematické. Již z energetického hlediska je zřejmé, že těleso, které se k planetě přiblíží z nekonečna, musí také do nekonečna odletět. V reálu se přidávají další faktory, jako gravitační působení třetího tělesa nebo slapové tření, a tak k zachycení někdy dojít může. Taková dráha je pak charakteristická svou protáhlostí a rovinou oběhu skloněnou v nějakém náhodném úhlu. Letmý pohled na konkrétní hodnoty u obou měsíců nutně vzbudí podezření, že tentokrát to bylo jinak. Fobos i Deimos obíhají po prakticky kruhových drahách v rovině rovníku Marsu. Téměř tak, jako by vznikly současně s planetou. Jak pak ale vysvětlit jejich malé rozměry a otázky spojené s dalšími parametry dráhy!

jméno měsíce Fobos Deimos
pericentrum (km) 9 238 23 455
apocentrum (km) 9 522 23 462
sklon roviny oběhu (°) 1,093 0,93

Parametry drah měsíců Fobos a Deimos neukazují na původ z pásma planetek.

Amirhossein Bagheri z Ústavu pro geofyziku v Curychu se svými kolegy rekonstruovali pomocí počítačového modelu dráhy obou měsíců hluboko do minulosti. Tentokrát nejde jen o obecné modelování dráhy tělesa v centrálním gravitačním poli, ale vzali v úvahu i informace o vnitřní struktuře Marsu získané při misi InSightInSight – Interior Exploration using Seismic Investigations, Geodesy and Heat Transport. Americká sonda určená k výzkumu Marsu. V popředí jsou experimenty zaměřené na seismický výzkum vnitřní struktury planety. Sonda úspěšně vystartovala 5. května 2018 ze základny Vandenberg, přistát by měla 26. listopadu téhož roku.. Právě distribuce hmoty v planetě může mít v dlouhodobých časových rámcích kumulativní vliv na chyby v dráze oběžnic. Podle detailních výpočtů se dráhy měsíců Fobos a Deimos kdysi shodovaly. Patrně kolem Marsu v dávných dobách obíhal jediný větší měsíc, který se vlivem slapových sil rozpadl. Nejistota ve výchozích podmínkách zatím neumožňuje přesnější časové vymezení události. Stalo se tak někdy před jednou až 2,7 miliardami lety.

Ještě není hotovo

Na definitivní závěr je ještě brzy. Slovo musí ještě dostat geologové, kteří posoudí složení obou měsíců. Pokud by se teorie vycházející z Bagheriho práce potvrdila, získali bychom velice elegantní vysvětlení mnoha pozorovaných jevů. Především malé rozměry měsíců, jejich kruhové dráhy s malým sklonem, načechranost hmoty v měsíčku Fobos, nebo nakonec i věk obou měsíců. Dále by bylo rozumné předpokládat, že praměsíc, který vznikl společně s Marsem byl původně větší a zbylý materiál se podepsal na krátery rozrytém povrchu planety. Tím by se objasnila relativně malá eroze na některých místech. Úvahy lze vést i na účet dosud neobjasněného zániku magnetického pole Marsu nebo spekulovat, zda Mars kdy poznal fenomén přílivu a odlivu.

Odkazy

Valid HTML 5Valid CSS

Aldebaran Homepage