Rośnie poparcie dla powrotu do Urana i Neptuna

022016_icegiants_opener_free

Na chłodnych peryferiach Układu Słonecznego można spotkać dwóch enigmatycznych podróżników, którzy powolnie krążą wokół Słońca. Każde pełne okrążenie Słońca zajmuje im średnio 100 razy więcej niż Ziemi (Uran: 84 lata, Neptun: 164 lata), pory roku na ich powierzchniach trwają po kilkadziesiąt lat. Przy tak dużych odległościach od Ziemi planety tego typu powoli odkrywają swoje tajemnice. Podczas gdy inne planety Układu Słonecznego odwiedzane były wielokrotnie przez sondy i lądowniki, Neptun i Uran za wyjątkiem, krótkiego spotkania w latach osiemdziesiątych, pozostają w dużej mierze niezbadane.

Trzydzieści lat temu, sonda Voyager 2 przeleciała w pobliżu Urana, a cztery lata później w pobliżu Neptuna. Te krótkie przelotu pozwoliły naukowcom na szybki rzut oka w kierunku obu planet, które w teleskopie wydawały się tylko niebieskimi kropkami. W kolejnych latach większe i lepsze instrumenty powoli zbierały troszeczkę więcej informacji, odkrywając niektóre tajemnice obu planet.

Jednak z odległości kilku miliardów kilometrów dużo więcej nie da się już zobaczyć. Dlatego też naukowcy zarówno w USA jak i w Europie uważają, że już najwyższa pora aby wrócić do Urana i Neptuna – lodowych olbrzymów Układu Słonecznego. W przeciwieństwie do sond takich jak New Horizons, która przemknęła w pobliżu Plutona w 2015 roku, nowa misja do jednego z dwóch niebieskich olbrzymów miała by więcej czasu na badanie swojej planety docelowej.

W sierpniu ubiegłego roku Jim Green dał inżynierom z JPL w Pasadenie cały rok na zbadanie w jaki sposób można umieścić satelitę na orbicie wokół Urana lub Neptuna. Według Greena, który jest dyrektorem Oddziału Nauk Planetarnych NASA w Waszyngtonie, obie planety stanowią nowe i ważne pole badań dla NASA. „Tak naprawdę bardzo mało o nich wiemy.” Nowe konstrukcje rakiet i najnowsze odkrycia egzoplanet wskazują, że teraz jest właśnie dobry czas na badanie lodowych olbrzymów.

Lodowe olbrzymy nie są w rzeczywistości zamarzniętymi kulami; de facto są w dużej mierze gazowe. Jednak tak Uran jak i Neptun w dużej mierze składają się z wody, amoniaku i metanu – substancji określanych przez astronomów jako lód niezależnie od tego czy są zamrożone czy nie. W odróżnieniu od nich Jowisz i Saturn składają się głównie z wodoru i helu, które pozostają gazami praktycznie w każdej temperaturze. Wewnętrzne planety natomiast to po prostu niewielkie skalne kulki.

022016_icegiants_slideshow1_free
Gdy Voyager 2 przeleciał w pobliżu Urana i rozpoczął podróż do Neptuna, odwrócił się i wykonał to zdjęcie Urana – 25.01.1986. Niebiesko-zielona barwa jest efektem promieniowania odbitego i przefiltrowanego przez metan znajdujący się w atmosferze.
Burze i pasma widoczne w atmosferze Urana na powyższym zdjęciu wykonanym w podczerwieni przez Keck Observatory na Hawajach w 2014 roku.
Burze i pasma widoczne w atmosferze Urana na powyższym zdjęciu wykonanym w podczerwieni przez Keck Observatory na Hawajach w 2014 roku.
Chmury krążące wokół Wielkiej Ciemnej Plamy na Neptunie. Plama to burza wielkością przypominająca Ziemię zarejestrowania 23 sierpnia 1986 roku przez sondę Voyager 2 zniknęła zanim Kosmiczny Teleskop Hubble'a spojrzał w kierunku planety w 1994 roku.
Chmury krążące wokół Wielkiej Ciemnej Plamy na Neptunie. Plama to burza wielkością przypominająca Ziemię zarejestrowania 23 sierpnia 1986 roku przez sondę Voyager 2 zniknęła zanim Kosmiczny Teleskop Hubble’a spojrzał w kierunku planety w 1994 roku.

Przez trzydzieści lat od czasów misji Voyager astronomowie znacznie poszerzyli swoją wiedzę. Teraz naukowcy wiedzą, że gdy gazowe olbrzymy walczyły o władzę ponad 4 miliardy lat temu Uran i Neptun pomogły utworzyć Pas Kuipera – pierścień lodowego gruzu będący źródłem wielu komet. Gdy sonda Voyager 2 przeleciała w pobliżu Neptuna w 1989 roku astronomowie znali tylko te planety, które krążą wokół Słońca. Od tego czasu naukowcy skatalogowali około 2000 planet krążących wokół innych gwiazd, a kosmiczny teleskop Kepler dostarczył dowodów na to, że najpowszechniejszymi planetami są planety rozmiaru Urana i Neptuna. Lodowe giganty właśnie tego typu mogą być najpowszechniej występującym typem planet w galaktyce.

„Ledwo rozumiemy te dwie planety na naszym własnym podwórku, a znajdujemy ich setki przy innych gwiazdach,” mówi Candice Hansen, planetolog z Planetary Science Institute w Tucson w Arizonie. „Jak mamy badać te planety przy innych gwiazdach, skoro tak mało wiemy o tych krążących wokół Słońca?”

Uran i Neptun to jedyne planety (wybacz Plutonie) układu słonecznego odkryte od wynalezienia teleskopu; wszystkie inne znamy już od starożytności. William Herschel trafił na Urana w 1781 roku, astronom Johann Galle zauważył Neptuna w 1846 roku niemalże w tym samym miejscu, w którym obecność ósmej planety wyliczyli matematycy Urbain Le Verrier oraz John Couch Adams.

W 1977 roku sondy Voyager 1 i 2 rozpoczęły swoją wędrówkę, która zabrała je do Jowisza i Saturna. Voyager 1 skierował się w przestrzeń międzygwiezdną, a Voyager 2 skręcił w lewo w kierunku Urana i Neptuna.
W 1977 roku sondy Voyager 1 i 2 rozpoczęły swoją wędrówkę, która zabrała je do Jowisza i Saturna. Voyager 1 skierował się w przestrzeń międzygwiezdną, a Voyager 2 skręcił w lewo w kierunku Urana i Neptuna.

Zanim sonda Voyager doleciała w te rejony naukowcy bardzo mało wiedzieli o tych dwóch planetach. Znajdując się w odległości 2.9 i 4.5 mld kilometrów od Słońca, obie planety znajdują się na granicy możliwości obserwacyjnych naszych teleskopów.

Naukowcy byli jednak w stanie określić kilka ich cech. Średnice obu planet są równe średnio czterokrotności średnicy Ziemi, a masa jest szesnastokrotnie większa. Bliższa z planet – Uran okrąża Słońce w ciągu 84 lat, podczas gdy Neptun potrzebuje na to dwa razy więcej czasu. Każda z planet ma swoją rodzinę księżyców i zestaw pierścieni (pierścienie Neptuna były przewidywane, a następnie potwierdzone przez sondę Voyager 2).

Od samego początku Uran wydawał się być najdziwniejszą planetą ze wszystkich: to świat przewrócony na bok, prawdopodobnie wskutek jakiejś dawnej kolizji z innym ciałem układu słonecznego. Z uwagi na ten fakt pory roku na Uranie trwają po kilkadziesiąt lat. Opierając się na obserwacjach naziemnych, można było stwierdzić, że na Uranie właściwie nic się nie dzieje. Neptun z drugiej strony błyskał, gdy odbijające światło chmury przemykały po tarczy planety – ale to wszystko czego mogliśmy się dowiedzieć z Ziemi.

Aby dowiedzieć się więcej niezbędne było zbliżenie się do tych planet. Gdy sonda Voyager 2 dotarła do Urana 24 stycznia 1986 roku została przywitana przez nudny glob. Bladoniebieska warstwa chmur nie wykazywała żadnej aktywności, przez co Uran nawet zaczął być nazywany „nudną planetą.” Sonda Voyager zauważyła jedynie niespotykanie złożone pole magnetyczne i kilka nowych pierścieni. Przy okazji sonda dobrze przyjrzała się lodowym księżycom planety – w tym Mirandzie, osobliwemu satelicie, który wygląda jakby coś go rozpołowiło, a następnie pospiesznie skleiło.

Trzy lata i siedem miesięcy później sonda Voyager 2 przeleciała nad północnym biegunem Neptuna, gdzie napotkała na dużo ciekawszą planetę. Niebieska atmosfera tego globu usiana była burzami oraz plamą nazwaną później Wielką Ciemną Plamą, bowiem przypominała kolosalną czerwoną plamę na Jowiszu. Sonda Voyager zmierzyła także prędkość chmur na Neptunie, które śmigają z prędkościami ponad 2000 km/h – to zdecydowanie najszybsze wiatry w Układzie Słonecznym. Na największym księżycu Neptuna – Trytonie zaobserwowano wybuchające kriowulkany, które wskazują na procesy geologiczne w jego wnętrzu.

Jednak wciąż wiele tajemnic pozostaje nierozwiązanych. Uran emituje bardzo mało ciepła. De facto w porównaniu do Urana to dwukrotnie bardziej oddalony od Słońca Neptun wydaje się być istnym piecem rozmiarów planety. Pola magnetyczne obu planet nie przypominają w żaden sposób pól magnetycznych innych planet: są dużo bardziej odchylone od osi obrotu i wydają się powstawać z dala od jądra planety. Pierścienie Neptuna łączą się w łuki, a te wokół Urana sięgają aż do jego atmosfery. Nie znamy także połowy ze wszystkich księżyców Urana.

Sondy Voyager zmieniły podejście astronomów do lodowych olbrzymów. I zrobiły to za pomocą instrumentów zbudowanych w latach siedemdziesiątych. Zarówno Voyager 1 jak i 2 zostały wystrzelone z Ziemi w 1977 roku, w tym samym roku kiedy do produkcji wszedł pierwszy masowo produkowany komputer marki Apple (Apple II) oraz gra komputerowa Atari 2600. „Za pomocą właśnie takiej technologii badaliśmy te lodowe olbrzymy,” mówi Hammel. „Gdybyśmy wysłali iPhone’a w kierunku tych planet – zebralibyśmy więcej danych.”

Burze (jasne plamy) pojawiły się w 2014 roku na zazwyczaj spokojnym Uranie. Zdjęcie wykonane w podczerwieni w obserwatorium Keck.
Burze (jasne plamy) pojawiły się w 2014 roku na zazwyczaj spokojnym Uranie. Zdjęcie wykonane w podczerwieni w obserwatorium Keck.

Od tego czasu nowoczesne obserwatoria takie jak chociażby teleskopy Kecka na Hawajach czy Kosmiczny Teleskop Hubble’a znajdujący się na niskiej orbicie okołoziemskiej zebrały więcej danych niż sondy Voyager.

Jednak wyrafinowane teleskopy też mają swoje ograniczenia. „Zdjęcia takich planet to zdecydowanie za mało,” mówi Leigh Fletcher, planetolog z University of Leicester. „Aby zrozumieć ich fizykę i chemię, trzeba tam być.”

W 2010 roku europejscy naukowcy próbowali przekonać Europejską Agencję Kosmiczną do wysłania w kierunku Urana orbitera w ramach misji średniej klasy przy koszcie około 500 milionów euro. Gdy to się nie udało w 2013 roku złożono propozycję „dużej” misji – której koszt wyniósłby 1 mld euro, a w 2014 roku ponownie zaproponowano misję średniej klasy. ESA oceniła wszystkie te propozycje bardzo wysoko, ale nie wystarczająco wysoko, aby przeznaczyć na nie środki. Wiosną tego roku odbędzie się kolejny nabór wniosków na misję średniej klasy, ale może być trudno.

Co konkretnie można by zbadać zależy od tego, do której planety wysłalibyśmy sondę. Każda z nich ma swoje zalety. Uran jest przewrócony na bok, pory roku na nim są zatem ekstremalne. Każdy biegun wystawiony jest na 42 lata bezustannego oświetlenia, po których następuje równie długi okres ciemności. To sprawia, że Uran jest fantastycznym miejscem do badania nowych koncepcji dotyczących funkcjonowania planet. Punkt dla Urana.

Z drugiej strony Uran jest trochę za bardzo dziwny. Neptun może być dużo lepszym celem do zrozumienia w jaki sposób zachowują się typowe lodowe olbrzymy – a to ważne dla zrozumienia wielu planet krążących wokół innych gwiazd. Sonda Voyager 2 dowiodła już, że atmosfera Neptuna pełna jest burz, a to przedstawia możliwość zbadania szczegółów jego atmosfery. Punkt dla Neptuna.

Zupełnie odwrotnie jest z badaniem księżyców: „Jeżeli polecimy do Neptuna, zobaczymy normalną planetę z nienormalnymi księżycami. Jeżeli polecimy do Urana, zobaczymy dziwną planetę ze zwyczajnymi księżycami.”

Uran ma pięć głównych i 22 mniejsze księżyce. Naukowcy uważają, że jego księżyce mogą być dobrym przykładem tego co powstaje wokół lodowych olbrzymów. Z uwagi na fakt, że cały system, planeta, pierścienie i księżyce są nachylone, sonda Voyager 2 była w stanie zaobserwować tylko jedną półkulę tych obiektów. Cała druga połowa układu pozostaje tajemnicą. „Te księżyce to prawdziwa terra incognita,” mówi Fletcher. Punkt dla Urana.

Jednak Neptun posiada Trytona – prawdziwy diament zewnętrznego Układu Słonecznego. „To fascynujący zamarznięty raj,” mówi Hansen. Podobnie jak Enceladus, Tryton ma na swojej powierzchni tryskające gejzery najprawdopodobniej związane z podpowierzchniowym oceanem.  Powierzchnia tego księżyca ulegała zmianom w ciągu ostatnich 10 milionów lat, co jest bardzo niedawną historią jak na Układ Słoneczny i wskazuje na aktywne procesy geologiczne. Punkt dla Neptuna.

Tryton nie zawsze był jednak księżycem Neptuna. To obiekt, który krąży w przeciwnym kierunku do kierunku rotacji Neptuna, który najprawdopodobniej został przechwycony z Pasa Kuipera, obszaru w którym znajduje się Pluton. „To kuzyn Plutona,” mówi Hammel. „Pluton i Tryton to idealna para do badań porównawczych.” Dwa punkty dla Neptuna.

Obie planety są istnymi enigmami i misja do którejkolwiek z nich z pewnością przyniesie planetologom obszerną wiedzę. „Większość naukowców byłaby szczęśliwa z misji zrealizowanej do którejkolwiek z tych planet,” mówi Simon.

Dotarcie do lodowych olbrzymów nie będzie łatwe. Taka sonda potrzebuje co najmniej dziesięciu lat, aby dotrzeć do celu. Oczywiście istnieją sposoby skrócenia takiej podróży, chociażby przez trampolinę grawitacyjną ze strony Jowisza czy Saturna, ale to zależy od odpowiedniego ułożenia planet w danym czasie.

Jakby nie patrzeć Uran jest bliżej i można do niego dotrzeć łatwiej (i taniej). Jednak jeżeli okaże się, że jest okazja skorzystania z grawitacji Jowisza lub Saturna – Neptun może okazać się lepszym celem. Wszystko może zmienić nowa rakieta Space Launch System rozwijana przez NASA, której debiut planowany jest na 2018 rok. „To największa rakieta w historii,” mówi Green. „Ma niesamowitą moc wynoszenia w przestrzeń kosmiczną.” Sonda wysłana w przestrzeń kosmiczną na szczycie SLS może potrzebować zaledwie kilku lat, aby dotrzeć do lodowego olbrzyma.

Skrócenie międzyplanetarnej podróży pozwala oszczędzić czas i pieniądze, jednak im szybciej taka sonda się porusza, tym bardziej musi hamować pod koniec podróży. „W takim wypadku trzeba wyrzucić kilka instrumentów naukowych, aby móc załadować zapasy paliwa niezbędne do hamowania,” mówi Hofstadter. Jednym z możliwych rozwiązań jest zaplanowanie manewru „aeroprzechwytywania”, w którym to za hamowanie odpowiada atmosfera planety docelowej. Sonda musi wlecieć w atmosferę na tyle głęboko, aby wyhamować, ale nie na tyle głęboko, aby spłonąć. Nikt jeszcze nie wykorzystywał tej metody do wejścia na orbitę.

Zadaniem JPL w tym roku będzie ocena ryzyka i stworzenie kilku opcji misji do każdej z tych planet. „Każda z nich ma własną historię do opowiedzenia,” mówi Hansen. „Tu nie ma złego wyboru – każda misja będzie rewolucyjna.”

Źródło: Sciencenews