Pogranicze – Pas Kuipera, część I

Kuiper

Wyobraź sobie, że znajdujesz się w skafandrze kosmicznym. Samowystarczalny (przynajmniej na kilkadziesiąt godzin) cud techniki inżynieryjnej pozwala Ci ze spokojem czekać na ekipę ratunkową, która już przeczesuje ten fragment układu, a Twoja wątła sygnatura cieplna pozwoli im odnaleźć Cię, zanim skończy się tlen. Pozwalasz sobie na wyłączenie nadajnika i spokojne rozejrzenie się po okolicy.  Twoim wypadkiem na asteroidzie 2009 KT36 zajmą się już odpowiednie komisje, które zapewne nazwą go „niegroźnym incydentem”. Sama asteroida znajduje się już 400 kilometrów od Ciebie, jednak jej przybliżony rozmiar kątowy wynosi jakieś 5 stopni. Kilkukrotnie większy od Księżyca widzianego z Ziemi obiekt przesuwa się delikatnie w lewo, dzięki czemu dowiadujesz się, że posiadasz lekką rotację. Cóż, przynajmniej w ciągu paru godzin uzyskasz pełen obraz okolicy i względny punkt odniesienia. Oddychasz z ulgą, pełną piersią. Przynajmniej nie zwariujesz, powtarzasz sobie. Granice Układu Słonecznego to nie przelewki. Tutaj, sześćdziesiąt jednostek astronomicznych od Słońca nie ma miejsca na błędy, nie masz prawa pozwolić sobie na zwątpienie, które w tej pustce może przerodzić się w szaleństwo. Widok otwartego Kosmosu nie jest dla Ciebie nowością, jednak dopiero po raz pierwszy spoglądasz na gwiazdy i odkrywasz, że są… po prostu piękne. W przeciwieństwie do Ziemi, posiadającej przecież atmosferę, tutaj gwiazdy tkwią niewzruszone, a atmosfera nie zakłóca światła, które wysyłają. Miliony jasnych punktów przecięte ekliptyką Galaktyki. Wyobrażasz sobie przez chwilę, że to miecz Damoklesa, który przeciął dziesiątki konstelacji. Odrzucasz jednak szybko tę myśl, przecież fatalistyczne podejście nie przyniesie Ci ocalenia. Próbując odgonić myśli przypominasz sobie, że niedaleko Ciebie powinna znajdować się Sedna. Jak na ten rejon układu obiekt naprawdę spory, całe 1100 kilometrów średnicy. Tak, znajomy widok powinien zadziałać jak najlepszy środek uspokajający. Dwie minuty później, przy coraz bardziej narastającym niepokoju włączasz system HUD, który znajduje Sednę za Ciebie. Zielone prowadnice na nałożonej komputerowo siatce równikowej wskazują na pustkę. Jedynie dzięki kilku linijkom informacji w dole ekranu masz pewność, że to faktycznie Sedna. Nie miałeś jednak prawa jej zobaczyć – wielkość obserwacyjna rzędu 15mag. Odległość… 14 AU. Co daje Ci około 2,100,000,000 kilometrów do jakiegokolwiek większego obiektu. Pięknie, po prostu wspaniale. Masz już pewność, że następnym razem poprosisz o przydział w pasie głównym asteroid. Cholerny Kuiper…

 

Wielki rój obiektów rozciągający się poza orbitą Neptuna nazwany został nazwiskiem Gerarda Kuipera – holenderskiego astronoma, którego odkrycia walnie przyczyniły się do poszerzenia naszej wiedzy o zewnętrznych obszarach Układu Słonecznego. To właśnie w Pasie Kuipera „zawracają” komety krótkookresowe, to tam odległości między malutkimi w skali kosmosu obiektami zwiększają się wręcz geometrycznie, niemal jak według zasady odwrotnej proporcjonalności do kwadratu odległości. Ogromna sfera milionów obiektów, która dalej przechodzi w tak zwany Obłok Oorta. Planety naszego układu znajdują się w tej samej linii, czyli w ekliptyce. Odchylenia od niej są tak niewielkie, że w kontekście tego, co dzieje się dalej nie mają żadnego znaczenia. Pas Kuipera zdaje się mówić reszcie układu: „Stary, pokażę Ci, co to prawdziwa entropia!”, dzięki czemu orbity jego składników oplatają gęstą siecią dostojne Słońce i jego lubiące porządek planety. Te zewnętrzne rubieże przypominają trochę pogranicze amerykańskie w XIX wieku, gdzie spekulanci kupczyli bezprawnie ziemiami Indian, a drobne cwaniaczki prowokowały konflikty. Wszystko działo się za cichym przyzwoleniem kolejnych prezydentów, podobnie działa także Pas Kuipera. Wszystko oczywiście podlega podstawowym prawom fizyki, wszystkie obiekty w Kuiperze są grawitacyjnie związane ze Słońcem, jednak poza tymi zasadami panuje absolutna swoboda. Nic dziwnego, ponad pięć miliardów lat temu okolice dzisiejszego Kuipera były jeszcze zewnętrzną chmurą gazu, z której uformowało się Słońce i reszta naszej najbliższej okolicy. Jednak te kilkadziesiąt jednostek astronomicznych od Słońca obłok ten miał zbyt małą gęstość, oddziaływanie grawitacyjne centrum było zbyt słabe, a czas przyrostu (akrecji) był zbyt duży, by uformowały się tam jakiekolwiek większe obiekty o mało ekscentrycznych orbitach, krążące chociaż w pobliżu ekliptyki układu. Słowem: od początku nie było żadnych szans na to, by powstały regularne planety. Mówimy tu co prawda nadal o naszym Układzie Słonecznym, jednak warto uzmysłowić sobie odległości, o których tutaj mowa. Łatwo powiedzieć: „przecież w skali całego Kosmosu, czy nawet odległości do układu Centaura, 60-70 AU to rzut kamieniem”. Faktycznie, na pierwszy rzut oka nie robi to wrażenia. Spójrzmy jednak z na to w ten sposób: światło od Słońca w ciągu jednej doby pokonuje około 170 AU. Przekracza więc heliopauzę, umowną granicę układu. Z tego wynika, że światło, które opuściło Słońce o północy naszego czasu, osiąga perycentrum orbity Sedny (około 70 AU) mniej więcej około godziny jedenastej, gdy u nas leci Agrobiznes, czy powtórka M jak Miłość. Nadal niewzruszeni? Kalkulatory w dłoń. Mnożąc 70 razy wartość jednostki astronomicznej uzyskujemy 10 500 000 000. Dziesięć miliardów pięćset milionów kilometrów. Rzut kamieniem…?

 

 

Sedna

Twoja powolna rotacja wprowadza się niemal w błogostan. Mimo zaawansowania Twojego skafandra zaczynasz żałować, że nie posiada on słuchawek, dzięki którym mógłbyś posłuchać teraz na przykład walca Straussa. Chociaż nie, to zbyt pretensjonalne. Poza tym, chyba już kiedyś widziałeś podobne obrazki. Tak, to chyba był jakiś nudny film z wczesnej epoki kosmicznej. Coś o diabolicznym komputerze z czerwonym oczkiem, właśnie to! Straszna nuda. Stwierdzasz na szczęście, że dzisiejsze filmy pozwalają odczuwać sensorycznie wydarzenia, mając nawet na nie mały wpływ. Kilkadziesiąt godzin w ciszy to nie najlepszy sposób na relaks, postanawiasz więc wykorzystać ten czas na obserwację najbliższej okolicy. Przywołujesz więc na ekranie HUD interfejs Sieci, z której pobierzesz potrzebne Ci do tego informacje. Na Pograniczu nadajniki Sieci są jednak rozmieszczone bardzo rzadko – najbliższy znajduje się na Makemake, która jest teraz 20 AU od Ciebie. Po szybkich obliczeniach daje Ci to 5 godzin na utrzymanie odpowiedzi po zadaniu pytania, postanawiasz więc od razu zawrzeć w nim słowa kluczowe takie jak „Kuiper, pas, charakterystyka”. Masz tylko nadzieję, że bufor odbiornika skafandra wytrzyma całe gigabajty danych. Teoretycznie powinien, w końcu to nowy model rodzimej produkcji. W takim to momentach czujesz wdzięczność dla losu, który umieścił Twoje życie w tych właśnie czasach. Życie obywatela Zjednoczonej Europy nigdy nie było prostsze i dostatniejsze. Pozostaje Ci współczuć Rosjanom. Z drugiej strony jednak, podziwiasz ten dumy naród, który już 30 lat po Ostatniej Wojnie wznowił loty w kosmos, pomimo embarga, które ograniczało ich zasięg do orbity Księżyca. Przypominają Ci się wspomnienia dziadka, który był wtedy nastolatkiem. Do dzisiaj nikt nie wie kto zrzucił pierwszą bombę. Zresztą, od lat trwała wtedy mała panika i dezinformacja. Małe państwa narodowe wymachujące szabelkami w stronę imperiów. Kolejne okrutne oblicze kapitalizmu. Globalne podnoszenie się poziomu wód. I te groteskowe słowa raportu ONZ mówiące: „podnoszenie się poziomu mórz jest efektem topnienia rejonów polarnych”. Jedynie bardzo przenikliwy umysł mógł dojść do takich wniosków, a samo zdanie weszło do języka potocznego jako synonim tautologii.

 

Pas Kuipera jest rejonem niezmiernie ciekawym i istotnym. Nie chodzi tu już o sam chaos w nim panujący i o niezmierzoną liczbę mniejszych i większych obiektów, okrążających Słońce przez setki, czy nawet tysiące lat. Kuiper jest istotny z powodu możliwości badania chemii wczesnego Układu Słonecznego. Przez setki milionów, czy nawet miliardy lat obiekty jego pasa, od najmniejszej asteroidy kilkukilometrowej średnicy, po Eris i Makemake unikały wysokich ciśnień i temperatur, które kształtowały centrum układu. Oczywiście badania te nie są łatwe, mówimy tu w końcu o naprawdę małych ciałach znajdujących się kilkanaście razy dalej, niż powiedzmy Saturn. Musimy się też ograniczać do badania chemicznego składu powierzchni (którego różnice wśród poszczególnych obiektów są większe niż w centrum układu), co nie jest do końca reprezentatywne dla obrazu całości. Jednak już nawet pobieżne badania w Kuiperze będą nam dawać jakiś wgląd w procesy formujące Układ Słoneczny, w jego dynamizm i wielkie tragedie małych ciał.

 

 

Sedna była pierwszym obiektem, który odnalazł nasz bohater. Jej średnica szacowana na około 1000 km plasuje ją wśród większych obiektów Kuipera. Odkryta w roku 2003 planeta karłowata (według ostatnich kryteriów) jest jednak szczególna z kilku powodów. Wpierw jednak kilka słów o definicji planety karłowatej, ponieważ klasyfikacja ta potrafi zamącić w głowie, jest jednak naprawdę prosta. Planetą karłowatą jest obiekt nie będący księżycem większego ciała. To po pierwsze i chyba oczywiste. Jest ona też na tyle masywna, by utrzymać równowagę hydrostatyczną. Chodzi tu o utrzymanie równowagi sił grawitacji i ciśnień. Dzięki temu obiekt przyjmuje kształt mniej więcej sferyczny. Ta część definicji jest jednak dość elastyczna. Haumea, która także jest uważana za planetę karłowatą, dzięki swojej dużej rotacji nie posiada do końca regularnego kształtu. Trzecim kryterium jest „oczyszczenie okolicy”, a chodzi tu po prostu o grawitacyjną dominację w okolicy. Na przestrzeni eonów obiekty w przestrzeni zderzają się, czy też są przechwytywane przez przelatujące blisko większe obiekty. W konsekwencji te większe ciała nie mają już z kim „dzielić się” otaczającą ich przestrzenią, oczywiście prócz na przykład własnych satelitów.

Pierwsze zdjęcia Sedny (źródło: gps.caltech.edu)

Sedna formalnie nie należy do pasa Kuipera (w literaturze zachodniej nazywanego także pasem Edgworthe’a – Kuipera), jednak należy o niej i o klasie obiektów do której należy wspomnieć. Klasa ETNOs – czyli Extreme Trans Neptunian Objects (niekiedy można spotkać się ze wspólną nazwą „Sednitos”, która brzmi trochę jak nazwa latynoskiego gangu z przedmieść Los Angeles) jest czymś pośrednim, „pomostem”, pomiędzy pasem Kuipera a obłokiem Oorta. Ich peryhelia (≥50AU) są zbyt odległe, by były efektem oddziaływania grawitacji Neptuna, a ich półoś wielka (500 – 1500 AU) są zbyt małe, by zaliczyć je do obłoku Oorta. Do rodziny Sednitos należy obecnie 21 takich obiektów, wśród nich 2012 VP113­, czy 2000 CR105­. Posiadają wiele wspólnych cech, a prócz wymienionych tutaj punktów skrajnych orbit, jest to inklinacja orbity od 10° do 30° i argument peryhelium ω = 340°±55°. Na podstawie tych łączących ich cech można założyć wspólne pochodzenie tych obiektów. Więc jaka mogła być ich historia? Znamy już kilkanaście Sednitos, jest to już grupa, na podstawie której możemy wyciągnąć sensowne wnioski. Od razu nasuwającym się rozwiązaniem jest chaotyczna dyfuzja ciał na przestrzeni milionów lat. Proces podobny do tego, jakim poddawane są cząsteczki gazu. Jednak dla tych odległości skala czasowa dla tego procesu przekracza wiek Układu Słonecznego. Gdyby Sedna krążyła samotnie, takie wyjaśnienie byłoby satysfakcjonujące, jednak nie tłumaczy to zachowania obiektów wewnętrznego obłoku Oorta. Natomiast w modelu Brassera wewnętrzne obiekty Oorta są rozproszone z Kuipera, a ich perycentra zostały przesunięte podczas perturbacji jeszcze w gromadzie narodzin Słońca. Jedną z ciekawszych teorii jest pobliski przelot gwiazdy, jakiś milion lat temu. W tym modelu, który przewiduje obecność około tysiąca tego typu obiektów, ponad 400 z nich zostało przechwyconych do wewnętrznego Oorta z układu innej gwiazdy. Miała być to gwiazda masywniejsza od Słońca, o masie szacowanej na 1.8M⊙­. Ich spotkanie było dość bliskie, bo gwiazda ta miała przelecieć około 340 AU od nas, a jej prędkość miała wynosić 4.3 km/s. Nie byłoby to przecież wydarzenie szczególnie dziwne, wszyscy wiemy o tym, że Galaktyka jest układem chaotycznym i wędrówki gwiazd i bliskie spotkania układów nie są niczym szczególnym. Przecież jeszcze nie tak dawno mówiło się o „obcym” pochodzeniu Proximy Centaura.

Do badania tak odległych obiektów jak Sedna niezbędne jest dokładne zmierzenie albedo. Pozwala to ustalić przede wszystkim podstawowy skład powierzchni obiektu (większe albedo = więcej lodu na powierzchni), ale też ich rozmiar. Ustalone parę lat temu albedo Sedny wynosi 0.32, posiada ona jaśniejszą powierzchnię niż wiele obiektów transneptunowych. Nasza bohaterka zbliża się obecnie do peryhelium, więc jeśli jasność powierzchni zmieniałaby się na skutek sublimacji lodu, będzie to wykrywalne podczas najbliższych kilku dekad. Tak, to nie pomyłka, mowa tu o dekadach. Szacowany okres orbitalny Sedny wynosi bowiem około 12 tysięcy lat. Wracając do albedo, gdy dodamy do tego szacowaną temperaturę tam panującą, czyli około 20 K można założyć, że posiada ona pierwiastki, bądź związki o niskiej temperaturze wrzenia. Chodzi tutaj o grupę związków, bądź pierwiastków takich jak amoniak, dwutlenek węgla, azot, czy metan. Występują one dość powszechnie (oczywiście nie każdy i nie wszędzie) na planetach i księżycach. Sedna, co ciekawe, jest drugim najbardziej czerwonym obiektem w naszym układzie, zaraz po Marsie. Może to być efektem jej pochodzenia z innego układu. Kompozycja chemiczna istniejąca w układzie z gwiazdą o innej masie może się lekko różnić. Póki co, czerwony kolor Sedny tłumaczony jest lekko zwiększoną zawartością amoniaku.

Sedna widoczna w różnych kanałach (źródło: Size and surface characteristics of (90377) Sedna and 2010 EK139 – Andreas Pal et al.)

C.D.N.

  • Podano możliwość zakłócenia układu przechodzącą w pobliżu gwiazdą ale dlaczego pominięto badania Konstantin Batygin i Michael E. Brown, oraz ostatnie pochodzące z Gran Telescopio Canarian. Sugerują możliwość istnienia nieodkrytej dotychczas dziewiątej planety.

    • Maciej Tadaszak

      Słuszna uwaga, biję się w pierś. Pomyślałam, że o koncepcji dziewiątej planety słyszeli już wszyscy, a o teoretycznym przelocie gwiazdy już nie. Parę zdań jednak by się faktycznie przydało. Autor z tego miejsca obiecuje robić dokładny risercz i wyczerpywać temat 😉

  • Piotr

    Oprawa science fiction (szczególnie w wydaniu „hard”) wydatnie ułatwia i uprzyjemnia przyswajanie wiedzy. Chcemy więcej 😉