Pluton był kiedyś odległą anomalią w naszym Układzie Słonecznym. Przez dziesięciolecia uważana była za dziewiątą planetę. Wszystko zmieniło się w sierpniu 2006 roku. Międzynarodowa Unia Astronomiczna (IAU) pozbawiła Plutona statusu planety. Została przeklasyfikowana na planetę karłowatą. Decyzja ta nie była arbitralna. Odzwierciedla to rosnące zrozumienie tego, czym naprawdę jest Pluton. To duży obiekt z Pasa Kuipera. Region ten to pierścień lodu i skał pozostałych po powstaniu Układu Słonecznego. Znajduje się poza orbitą Neptuna.
Międzynarodowa Unia Astronomiczna zajmuje twarde stanowisko. Planety muszą „oczyścić” swoją przestrzeń orbitalną z innych dużych ciał. Pluton dzieli swoją orbitę z niezliczonymi innymi obiektami Pasa Kuipera. Dlatego nie przechodzi tego testu. Ta zmiana w klasyfikacji uwydatnia różnicę między planetami karłowatymi i dużymi. Mówimy o kontroli nad orbitą. Pluton jest ważny. Ale nie jest „królem” swojego obszaru.
Podwójny system w ciemności
Pluton jest niewidoczny gołym okiem. Jest za daleko. Jest za mały. Jest za ciemno. Jej największy księżyc, Charon, odwraca tę dynamikę. Charon jest ogromny w porównaniu do Plutona. Ze względu na podobne rozmiary naukowcy często postrzegają je jako układ podwójny. Dwa obiekty obracają się wokół wspólnego środka masy. Symbolem Plutona jest ♇. Jest to hołd złożony rzymskiemu bogu podziemia. Jego greckim odpowiednikiem jest Hades. Imię jest idealne. To zimne i ciemne miejsce.
Światło przemieszcza się bardzo szybko. Około 300 000 kilometrów na sekundę. Jednak zanim światło słoneczne dotrze do Plutona, potrzeba ponad pięciu godzin. Wyobraź sobie Słońce jako bardzo jasną gwiazdę. To wszystko. Intensywność tego światła wynosi w przybliżeniu 1/1600 światła odbieranego przez Ziemię. Temperatura spada tak bardzo, że zwykłe gazy zamarzają. Azot. Tlenek węgla. Pojawiają się na powierzchni w postaci stałego lodu. To świat, w którym powietrze jest zamarznięte.
Nowe Horyzonty przerywają ciszę
Teleskopy na Ziemi od lat stoją przed wyzwaniami. Nawet najlepsze instrumenty na orbicie dostarczają niewiele szczegółów. Najważniejsze pozostaje niejasne. Jaki jest promień Plutona? Jaka jest jego masa? Liczby są niewyraźne. Przez dziesięciolecia dowiedzieliśmy się więcej o powierzchni Marsa niż o tej odległej lodowej kuli.
Wszystko zmieniło się w lipcu 2015 r. Sonda New Horizons NASA przeleciała blisko Plutona i Charona. Po raz pierwszy w historii uzyskano szczegółowe zdjęcia z bliska. Misja odpowiedziała na ważne pytania. Zrobiła mapę reliefową. Otworzył się złożony świat gór i równin. Przed New Horizons Pluton był jedynie rozmazanym pikselem. Potem stał się prawdziwym celem.
Dziwna orbita planety karłowatej
Orbita Plutona wokół Słońca jest chaotyczna w porównaniu z innymi planetami. Średnia odległość wynosi około 5,9 miliarda kilometrów. To jest 39,5 jednostek astronomicznych (AU). 1 jednostka astronomiczna to odległość między Ziemią a Słońcem. Orbita Plutona jest wydłużona. Astronomowie nazywają to dużą ekscentrycznością. Jest również nachylony o 17,1 stopnia w stosunku do płaszczyzny ekliptyki. Większość planet pozostaje w płaskim układzie orbitalnym. Pluton jest przechylony.
Ta ekscentryczność stwarza dziwne problemy z intymnością. Odległość Plutona od Słońca waha się od 29,7 AU. (peryhelium) w punkcie najbliższym 49,5 AU. (aphelium) w najdalszym punkcie. Orbita Neptuna jest prawie kołowa i wynosi 30,1 jednostki astronomicznej. W pewnym momencie każdej orbity Pluton faktycznie przecina orbitę Neptuna. Okazuje się, że jest bliżej Słońca niż Neptun.
Czy to nie spowoduje kolizji? Nie, grawitacja zapobiega tutaj chaosowi. Pluton i Neptun znajdują się w rezonansie 3:2. Neptun wykonuje trzy orbity wokół Słońca, a Pluton dwa okrążenia. Ten taniec grawitacyjny nie pozwala im zbliżyć się na odległość mniejszą niż 17 AU. Przechodzą bezpiecznie. Ostatni raz Pluton osiągnął peryhelium w 1989 roku i przez około 10 lat przed i po tym wydarzeniu Pluton był ósmą planetą od Słońca.
Podkład boczny
Pluton obraca się powoli. Okres rotacji wynosi 6,3873 dni ziemskich. To był jego gwiezdny dzień. Z głównych planet tylko Merkury i Wenus obracają się tak wolno. Jednakże osiowe nachylenie Plutona jest ekstremalne. Jego oś jest nachylona o 120 stopni od normalnej do płaszczyzny orbity.
Oznacza to, że Pluton obraca się „na boku”. Biegun północny znajduje się 30 stopni poniżej płaszczyzny orbity. Biegun północny Ziemi jest nachylony w górę o 23,5 stopnia. Wsteczna rotacja Plutona jest jeszcze dziwniejsza. Obraca się w kierunku przeciwnym do Słońca i większości planet. Gdybyś stał na Plutonie, widziałbyś Słońce wschodzące na zachodzie. Zachodzi na wschodzie. Dzień w podziemiach to mylące doświadczenie.
Pluton tu nie pasuje.
Ani pod względem wielkości, ani gęstości, a zwłaszcza składu fizycznego. W porównaniu z innymi planetami jest to anomalia. Jego promień jest o połowę mniejszy niż promień Merkurego. Ma zaledwie około dwóch trzecich wielkości ziemskiego księżyca. Obok gazowych i lodowych gigantów zewnętrznego Układu Słonecznego – Jowisza, Saturna, Urana i Neptuna – wygląda jak skała.
Ale prawdziwą wskazówką nie jest tylko jego mały rozmiar. To jest to, z czego się składa.
Kiedy połączymy jego niewielkie rozmiary z niską gęstością i składem, Pluton zaczyna wyglądać mniej jak planeta karłowata, a bardziej jak satelita. Mówiąc dokładniej, wydaje się być dużym, lodowym satelitą krążącym wokół zewnętrznego olbrzyma.
Argumenty na rzecz pochodzenia satelitarnego
Najbliższy bliźniak Plutona w całym Układzie Słonecznym nie jest inną planetą. To największy księżyc Neptuna, Tryton.
Podobieństwa są uderzające. Ich gęstość jest prawie identyczna. Ich skład wskazuje, że oba obiekty powstały z tego samego pierwotnego materiału w zimnych regionach wczesnego Układu Słonecznego. Sugeruje to wspólne pochodzenie. Prawdopodobnie nie rozpoczęli swojego życia jako planety, ale jako niezależne obiekty złapane w sieć grawitacyjną większego giganta.
Jeśli Pluton jest w istocie uciekającym satelitą, dlaczego krąży bezpośrednio wokół Słońca? Odpowiedź leży w jego chaotycznej historii. Tryton okrąża Neptuna w kierunku przeciwnym do obrotu planety. To jest przechwycony obiekt. Pluton może spotkać podobny los lub może być częścią populacji obiektów z Pasa Kuipera rozproszonych przez wędrujące planety-olbrzymy.
Liczby nie kłamią
Widać lukę w danych. Pluton nie jest skalistym światem jak Mars. To nie jest gazowy gigant jak Jowisz.
- Średnia odległość od Słońca: 5 910 000 000 km (39,5 AU)
- Promień: 1185 km (mniejszy niż Księżyc Ziemi)
- Średnia gęstość: Około 2 g/cm3 (wskazuje mieszaninę skał i lodu)
- Okres rotacji: 6,3873 dni ziemskich (wsteczny)
- Średnia temperatura powierzchni: 40 K (-387 °F / -233 °C)
Ta niska gęstość jest niepodważalnym dowodem. Ciało czysto skaliste byłoby znacznie gęstsze. Pluton jest mieszaniną. Zawiera wystarczającą ilość lodu, aby zapewnić mu pływalność i wystarczającą ilość skał, aby był solidny.
Przekrzywiona egzystencja
Orbita Plutona jest również dziwna. Nie znajduje się w płaszczyźnie ekliptyki, jak osiem głównych planet.
- Mimośród: 0,251 (bardzo wydłużona elipsa)
- Nachylenie: 17,1° względem ekliptyki
Chociaż jego orbita przecina orbitę Neptuna, obie planety nigdy nie zderzyły się z powodu rezonansu orbitalnego. Ale nachylenie jest bardziej wymowne. Równik Plutona jest nachylony w stosunku do swojej orbity o 120°. Krążąc wokół Słońca, przewraca się na bok. To ekstremalne nachylenie powoduje, że pory roku trwają dziesięciolecia, a różne bieguny są wystawione na działanie słońca przez setki ziemskich lat.
Słaby oddech
dla
Naukowcy mieli mgliste pojęcie o atmosferze Plutona na długo przed tym, zanim udało im się to udowodnić. Odkrycie lodu metanowego na powierzchni Plutona w latach 70. XX wieku dało naukowcom pewność, że planeta karłowata to coś więcej niż tylko martwa skała. To wskazywało, że ciało było w stanie utrzymać coś niestabilnego. Ale żeby udowodnić istnienie tej atmosfery? To musiało poczekać. Bezpośrednie obserwacje stały się możliwe dopiero w następnej dekadzie.
Ten przełom nastąpił w 1988 roku. Ani soczewki teleskopu, ani nowe czujniki nie wykonały całego zadania. Tutaj w grę wchodzi geometria. Przejście Plutona bezpośrednio przed odległą gwiazdą to zjawisko znane jako zaćmienie. Obserwatorzy na Ziemi obserwowali blask gwiazdy. Nie minęło szybko. Zamiast tego światło stopniowo słabło i ostatecznie zniknęło za sylwetką. Powolny rozkład był niepodważalnym dowodem. Wykazano obecność cienkiej, bardzo rozciągniętej atmosfery, która filtruje światło gwiazdy.
Fizyka jest tutaj okrutna. Atmosfera Plutona musi składać się z pary znajdującej się w równowadze z lodem, co czyni układ niezwykle delikatnym. Niewielkie zmiany temperatury mas powietrza. Może to powodować duże wahania poziomu gazu. Atmosfera jest zasadniczo silnikiem przemiany fazowej. Stały lód zamienia się w gaz. Gaz osiada i zamienia się w lód. To jest przełącznik, a nie regulator.
W 1989 roku planeta karłowata znajdowała się w pobliżu peryhelium Plutona i była nieco chłodniejsza niż przeciętnie. Ta mała zmiana jest ważna. Więcej zamrożonego gazu odparowało. Atmosfera rozszerzyła się i osiągnęła swój najgęstszy etap. To sprawia, że ten okres jest dobrym momentem na eksplorację ciała. Jeśli chcesz zobaczyć powietrze Plutona, musisz je złapać w momencie, gdy Pluton próbuje wstrzymać oddech.
Przejdźmy szybko do roku 2000. Astronomowie oszacowali, że ciśnienie powierzchniowe waha się od kilku mikrobarów do kilkudziesięciu mikrobarów. Dla porównania 1 mikrobar odpowiada jednej milionowej ciśnienia na poziomie morza na Ziemi. Według ziemskich standardów jest to próżnia. Szept powietrza.
Ale wtedy Pluton był znacznie bliżej Słońca. Aphelium, gdzie planeta karłowata jest najbardziej oddalona i otrzymuje najmniej światła słonecznego, jest zimne. Gaz zamarza i powraca na powierzchnię. Daleko, w Pasie Kuipera, atmosfera Plutona może w ogóle nie być wykrywalna. Ona upada. Znika w lodzie.
Atmosfera nie jest cechą stałą. To jest puls sezonowy. Fala. Oddychaj, gdy zbliża się słońce. Wstrzymaj oddech, gdy słońce będzie zachodzić. Widzimy ją tylko wtedy, gdy Pluton znajdzie odwagę, by pozwolić jej odejść.
Co jest tam, gdzie nie ma nic?
Pluton oddycha głównie azotem. Wiemy to z naziemnych obserwacji światła gwiazd przechodzącego za planetą karłowatą podczas zaćmień. Ale New Horizons zrobił coś więcej niż tylko sprawdzenie podstawowych danych. Spójrzmy głębiej. Detektory wykazały w mieszaninie metan i tlenek węgla. Pojawił się także cyjanowodór. Jego ilość jest niewielka, ale ma ogromne znaczenie. Azot nie jest unikalny dla Plutona. Ziemia tym oddycha. Największy księżyc Saturna, Tytan, jest w nim spowity. Posiada go również satelita Neptuna, Tryton. W zewnętrznym Układzie Słonecznym normą wydaje się być zimna, bogata w azot mila.
Liczby mówią jednak co innego na temat podatności na zagrożenia. Ciśnienie powierzchniowe wynosi tylko 10 mikrobarów. Subtelny. Papier cienki. Sonda wykryła także obecność acetylenu, etylenu i etanu. Nowe połączenia. Nowe reakcje chemiczne zachodzą w ciemności.
Temperatura powierzchni? 45 Kelwinów. To jest minus 228 stopni Celsjusza lub minus 379 stopni Fahrenheita. Jest tak zimno, że większość substancji zamarza. Jednak atmosfera nie zapada się. Ona się rozciąga.
Niebo, które nie chce się skończyć
Warstwa mgły widoczna jest na wysokości 200 kilometrów. 120 mil cząstek powietrza. Ale najbardziej zdumiewającą rzeczą jest to, jak daleko sięga atmosfera. Wznosi się na wysokość 1800 kilometrów. 1100 mil nad powierzchnią. Chociaż planeta jest tak mała, jest ogromna.
Dlaczego ona nie znika? Górne warstwy atmosfery są nadal dość zimne. Zimne cząsteczki azotu poruszają się powoli. Nie mają prędkości, aby pokonać słabą grawitację Plutona. Dlatego powietrze pozostaje na swoim miejscu. Wisi tam, rozciągnięte i cienkie, przeciwstawiając się temu, czego można by się spodziewać po małym, zimnym ciele niebieskim.
Powierzchnia i pod powierzchnią
Nowe Horyzonty miały szczęście. A może masz pecha, w zależności od tego, jak spojrzeć na prawdopodobieństwo. Kiedy urządzenie przeleciało obok Plutona, zobaczyło tylko jedną półkulę. Jest tylko jeden problem. Ta strona jest na tyle złożona, że można przepisać wszystko, co myśleliśmy, że wiemy o planetach karłowatych.
Tombo Regno dominuje na tym obrazie. Biały płaskowyż w kształcie serca robi tak wrażenie, że stał się najbardziej charakterystycznym obrazem misji. Ale przyjrzyj się uważnie zachodniemu płatowi serca. Satelita Planitia. Basen miękkiego lodu azotowego.
Kratery o zerowym uderzeniu.
Ta nieobecność nie jest pustą przestrzenią. To jest dowód. Kratery to blizny pozostawione przez kosmiczne zderzenia trwające miliardy lat. Ich gładkość oznaczała, że coś je niedawno zniszczyło. Aktywność geologiczna. Pluton nie jest martwą skałą. Żyje na swój własny lodowaty sposób.
Ten nieskazitelny basen otoczony jest nierównym terenem. Góry wyrastały z ziemi i wyglądały ostro i obco. Nie są z kamienia jak góry na Ziemi. To jest lód wodny. Twardy, pradawny lód wodny unosi się na oceanie bardziej miękkiego lodu azotowego. To geologiczna sprzeczność, która ma doskonały sens w zamarzniętej próżni Pasa Kuipera.
Następnie pojawiają się ciemne plamy.
Spójrz na północ. Im większa szerokość geograficzna, tym ciemniejszy kolor. Równiny Cienia. Ale prawdziwa kontrastowa różnica występuje na zachodzie. Cthulhu Regno. Pierwotnie nazywany „wielorybem” ze względu na swój kształt, obecnie nosi nazwę na cześć „Kosmicznego horroru” H.F. Lovecrafta. To najciemniejszy obszar Plutona. Jest to mozaika równin, stromych zboczy, gór i kraterów.
Dlaczego ona jest taka ciemna? Związki organiczne. Toly. Kiedy proste węglowodory są wystawione na działanie światła słonecznego lub promieniowania, powstają złożone cząsteczki. Kolorują lód. Nadają obszarowi głęboki czerwono-brązowy odcień.
To nie tylko kwestia koloru. Wszystko zależy od refleksji. Albedo. Pluton ma średnie albedo wynoszące 0,72. Odbija 55% światła. Porównaj to z Księżycem – 0,1. Dla Trytona jest to 0,8. Pluton jest jasny.
Jednak ta średnia ukrywa prawdę. Asortyment jest bardzo szeroki. Współczynnik odbicia regionu Cthulhu wynosi tylko 0,1–0,2. Pochłania większość światła. Tombo Regno? Odzwierciedla 0,8–1,0. To prawie lustro.
To coś więcej niż tylko ładne zdjęcie. To rekord czasu. Działalność. Chemia. Patrzyliśmy w jedną stronę. Druga strona pozostaje tajemnicą, ukrytą w ciemności, czekającą na misję, która nigdy nie nastąpi. A może wystarczy po prostu wiedza o tym, co widzieliśmy.
Co zamarzło na Plutonie?
Historia powierzchni Plutona zaczyna się od chaotycznego pierwszego spojrzenia. W 1976 roku astronomowie dokonali pierwszych pomiarów zgrubnej spektroskopii w podczerwieni. Choć dane były mieszane, wskazywały na niezaprzeczalny fakt: na powierzchni znajdował się stały metan. To nie był domysł. To było odkrycie.
Przejdźmy do początków lat 90-tych. Instrumenty naziemne zostały ulepszone do tego stopnia, że eliminują skutki zakłóceń atmosferycznych. Obraz stał się wyraźniejszy. Obserwatorzy odkryli coś więcej niż tylko metan. Zauważyli lód wodny. Znaleźli tlenek węgla. Następna była cząsteczka azotu.
Wykrywanie azotu to koszmar. Jego właściwości spektralne w przyrodzie są słabe. Ukrywa się na widoku i nie chce ujawnić swojej obecności. Ale dane w końcu ujawniły sygnał. Azot to nie tylko pierwiastek śladowy. Jest to główna substancja pokrywająca powierzchnię.
Metan nie istnieje sam. Występuje w dwóch różnych postaciach. Czasami tworzy się czysty lód metanowy. Może również zamarznąć w postaci roztworu w lodzie azotowym. To mieszanina. Zamrożona mieszanka. Powierzchnia jest złożoną mozaiką lotnych lodów, składających się głównie z azotu, ale zabarwionych metanem.
Chociaż sygnatura widmowa azotu jest początkowo bardzo słaba, obecnie jest jasne, że substancja ta musi być głównym składnikiem powierzchni.
Ta kombinacja jest ważna. Dominuje lód azotowy, ponieważ jest to najobficiej występująca substancja lotna na planecie karłowatej. Metan miesza się, tworząc zamrożony „roztwór”. Lód wodny utknie na dużych głębokościach, gdzie może być zbyt zimno, aby mógł się poruszać. Tlenek węgla współistnieje z azotem, ale w małych ilościach.
Drzwi otworzyło badanie z 1976 roku. Przeszły przez to instrumenty z lat 90-tych. Rzeczywistość okazała się zimniejsza i bardziej złożona, niż zakładano na początku modeli. Powierzchnia się zmienia. Z biegiem czasu lód sublimuje i ponownie się wytrąca. Jednak podstawowa struktura pozostaje, a resztę świata pokrywa lód azotowy zmieszany z metanem.
Spójrz na liczby. Gęstość Plutona wynosi 1,85 grama na centymetr sześcienny. Charon jest lżejszy – 1,7. Ta różnica jest istotna. To coś więcej niż tylko statystyki. Opowiada o tym, z czego zbudowane są te martwe światy.
Obydwa obiekty wypełnione są substancją gęstszą od lodu wodnego. Lód pływa. Skały i związki organiczne toną. Wysoka gęstość Plutona wskazuje, że jego wnętrze to ogromna masa skał. Charon jest podobny, ale trochę lżejszy. Być może jest bardziej porowaty. Może mieć mniej kamieni. Nie jestem pewien. Jednak matematycznie pokazuje to wspólne pochodzenie.
Pamiętajmy o lodowych satelitach Jowisza. Satelity Saturna. Gęstość Plutona trafia we właściwe miejsce. W środku kamienny rdzeń. Otoczone jest grubą warstwą zamarzniętej wody. Jest to standardowy model dla małych obiektów Układu Słonecznego. Ale Pluton ma własną sprytną sztuczkę.
Sekret Ciemnej Strony
Obserwacje powierzchni ujawniły zamarznięty azot, tlenek węgla i metan. Są to substancje lotne. Sublimują. Jeśli chłód nie zostanie utrzymany, znikną one w powietrzu. Tutaj tworzą cienką skórkę. Jest jak oceany na ziemi: cienki, pływający, ciężki.
Następny jest Sputnik Planitia.
To gigantyczny basen. Krater. Powstał w wyniku zderzenia miliardy lat temu. Przynajmniej tak twierdzi powierzchnia. Ale lokalizacja rodzi pytania. To nie przypadek. Basen położony jest na osi pływów. Zupełnie odwrotnie niż Charon.
Dlaczego to jest ważne?
Jeśli basen uderzeniowy znajduje się z tyłu obiektu zablokowanego pływowo, nie powinien tam pozostać. Siły pływowe zmienią orientację planety. Ciężkie elementy toną. Im lżejszy przedmiot, tym bardziej unosi się w powietrzu. Chyba, że coś już istnieje. Ciężkie rzeczy.
Lokalizacja satelity Plateau wymaga dodatkowej masy znajdującej się pod nim.
Basen jest pusty. Powinno być lekkie. Ale to jest naprawione. Po drugiej stronie jest księżyc. Oznacza to obecność podpowierzchniowego oceanu. Woda w stanie ciekłym znajduje się nad rdzeniem skalnym. Pod lodową skorupą.
Warstwa cieczy pełni rolę balastu. Przesuwa środek masy. Wyrównuje basen. Morze to nie tylko zjawisko geologiczne. To jest stabilizator.
Które księżyce mają podpowierzchniowe oceany?
Wiemy, że Europa to ma. To samo tyczy się Enceladusa. Ganimedes? Może. A co z Plutonem? Jest już tak daleko. Ciemny. Zimno. Tam Słońce jest po prostu jasną gwiazdą. Jak utrzymać odpowiednią temperaturę, aby zatrzymać płyn w środku?
Rozpad radioaktywny. Jądro skalne zawiera izotopy promieniotwórcze. Rozpadają się. Generują ciepło. Nadgodziny. Powoli. Wystarczająco, aby utrzymać temperaturę styku skały i lodu. Wystarczająco, aby stopić dno skorupy lodowej.
Charon może nie mieć tego luksusu. Niska gęstość oznacza mniej kamieni. Będzie mniej materiałów radioaktywnych. Mniej ciepła. Nie ma morza. Tylko zamarznięte skały i lód.
Dlaczego Pluton ma ocean?
Ciepło od uderzenia? Ciepło wczesnej akrecji? A może energia radioaktywna jest uwalniana stopniowo?
Obecność morza zmieniła wszystko. Oznacza to, że Pluton to nie tylko kawałek lodu i ziemi. Jest bardzo aktywny. Rozróżnianie. Nakładanie warstw. Kamień zatonął. Lód pływa. Woda stała się płynna.
Nie dotyczy to tylko Plutona. Dotyczy to Pasa Kuipera. Ile z tych planet karłowatych ma ukryte oceany? Ile
Charon to coś więcej niż tylko satelita. Jest o połowę mniejszy od swojego „rodzica”, jest gigantycznym towarzyszem kontrolującym ten system. Większość satelitów Układu Słonecznego to tylko akcesoria. Charon jest partnerem.
Obydwa obiekty krążą wokół wspólnego środka masy oddalonego od siebie o około 12 200 mil (19 640 km) na otwartej przestrzeni pomiędzy nimi. Jest to około 8 razy większa od średnicy Plutona. Pomyśl o skali.
Porównaj to z Ziemią i Księżycem. Nasz Księżyc jest nieco większy niż jedna czwarta wielkości Ziemi. Odległość Ziemi od Księżyca wynosi około 30 średnic Ziemi. Pluton i Charon znajdują się bardzo blisko siebie. Są uwięzieni w uścisku grawitacyjnym, który definiuje całe ich istnienie.
Ta bliskość tworzy dziwnie ciche niebo. Okres orbitalny Charona jest dokładnie taki sam, jak okres orbitalny Plutona. Są połączone pływowo. Rezultatem tego jest niebiański uścisk dłoni, który nigdy się nie zmienia.
Gdybyś stał na półkuli Plutona naprzeciwko Charona, nigdy nie zobaczyłbyś jego wschodu ani zachodu. Wisi w tym samym punkcie nieba w dzień i w nocy. Jest to stały punkt w ciemności, niczym satelita geostacjonarny na Ziemi.
Charon jest całkowicie niewidoczny z przeciwnej strony Plutona. Jest na zawsze ukryty pod krzywizną planety.
Twarz zamrożona w czasie
Nie chodzi tylko o lokalizację. Charon również obraca się zgodnie. Zawsze pokazuje Plutonowi tę samą stronę.
To jest podwójna blokada. Twarze obu ciał są zwrócone ku sobie. Ich obrót i ruch orbitalny są całkowicie i płynnie zsynchronizowane.
Dlaczego to jest ważne? To determinuje historię termiczną i geologiczną obu światów. Strona Charona zwrócona w stronę Plutona zawsze doświadcza innego przepływu wiatru słonecznego i promieniowania niż strona przeciwna. To ukształtowało skład powierzchni Charona na przestrzeni miliardów lat.
Charona nie można uważać za kamień pasywny. Jest aktywnym uczestnikiem złożonego i ściśle powiązanego systemu. Brak rotacji względem Plutona oznacza stabilny gradient temperatury. Stabilny gradient oznacza stabilne procesy geologiczne.
Wciąż dowiadujemy się, czym dokładnie są te procesy. New Horizons dało nam migawkę. Jednakże długoterminowe konsekwencje tej binarnej relacji pozostają tajemnicą, którą dopiero zaczynamy odkrywać.
Czy nigdy poruszający się Księżyc nie sprawia wrażenia satelity czy więźnia na niebie? Odpowiedź zależy od tego, czy chcesz uciec, czy zostać.
Charon nie ma jasnego charakteru Plutona. Jest ciemno. Jej albedo oscyluje wokół 0,25, co czyni ją mniej odblaskową niż sama planeta karłowata. Kolor jest neutralny. Prawie monotonne. Przyjrzyjmy się jednak bliżej spektrum.
Lód wodny pokrywa powierzchnię. To najważniejszy składnik. Nie ma tu stałego metanu. Czy sąsiad Plutona jest pokryty jaskrawą czerwienią? Całkowicie zniknął. Zamiast tego ślady amoniaku znajdują się głęboko w niektórych kraterach uderzeniowych.
Gęstość opowiada głębszą historię. Charon jest wystarczająco gęsty, aby zawierać krzemiany i związki organiczne. Coś cięższego od lodu wodnego. Coś, co już dawno osiadło w rdzeniu. Oznacza to strukturę wewnętrzną niepodobną do niczego innego. Księżyc ma warstwy.
Druga strona Wielkiego Księżyca
Charon nie jest sam. Ale to jest najważniejsze. Pozostałe cztery księżyce, Styks, Nyks, Kerberos i Hydra, wydają się w porównaniu z nimi małe. Są wydłużone. Grudkowaty. Nieregularny kształt.
Ich orbita jest daleka od orbity Charona. Odległość jest niesamowita.
Hydra jest oddalona o około 64 721 kilometrów.
Kerberos zbliża się do 57 750 kilometrów.
Orbita Nyks znajduje się w odległości 48 690 kilometrów.
Styks jest najbardziej wewnętrznym z małych księżyców w odległości 42 413 km.
Ich orbity są w przybliżeniu kołowe. Charona też. Dzielą tę samą płaszczyznę orbity. To jest płaski system. Zamówione.
Odbicie i rotacja
Jak jasne są te małe kamienie? Styks, Nyks i Cerberus odbijają światło w taki sam sposób jak Charon. Hydra jest jaśniejsza. Bardziej refleksyjne.
Charon jest unieruchomiony w rotacji synchronicznej. Jego obrót pokrywa się z orbitą. Jedna strona jest zawsze zwrócona w stronę Plutona. Małe księżyce? Czasy ich cykli są tajemnicą. Właściwie to jest mylące.
Styks i Kerberus upadają. Ich wymiary promieniowe są bardzo zróżnicowane. Styks waha się od 10 do 25 kilometrów. Kerberos ma długość od 13 do 34 kilometrów. Nyks i Hydra są jeszcze większe, a ich promienie wynoszą odpowiednio około 44 km i 36 km.
| Nazwa | Średnia odległość (km) | Okres orbity (dni) | Nachylenie (stopnie) | Mimośród | Okres orbity (dni) | Promień (km) | Masa (10^{20}$kg) | Gęstość (g/cm3) |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Charon | 17536 | 6387 | 0 | 0,0022 | 0,0022 | Synchronizuj. | 604 | 15 |
| Styks | 42 000 | 20,2 | 20,2 | 10-25 | 10-25 | |||
| Knicks | 48 708 | 24,86 | 0,195 | 0,003 | 0,003 | 44 | 0,0058 | 0,0058 |
| Kerberus | 59 000 | 32,1 | 32,1 | 13–34 | ||||
| Hydra |
Chaotyczny taniec księżyców Plutona
Mechanika orbity wokół Plutona jest złożona. Charon rządzi na parkiecie. Na każdy pełny obrót Charona Hydra wykonuje tylko około jednej szóstej swojej orbity. Kerberos pokonuje około jednej piątej swojej trasy. Nix to około jedna czwarta całkowitego dystansu. Styks jest trzeci.
To nie jest wypadek. Stosunek orbit Hydry, Kerberosa, Nyx i Styks wynosi dokładnie 6:5:4:3. Zależności te, oparte na małych liczbach całkowitych, wskazują na istnienie stabilnych rezonansów dynamicznych. Pięć ciał mija się regularnie. Grawitacja przyciąga i popycha, aby spotkania odbywały się regularnie. To delikatna równowaga.
Jednakże dziedzina ta stale się zmienia. Pluton i Charon krążą wokół wspólnego środka masy, tworząc stale zmieniający się krajobraz grawitacyjny. Wynik? Chaos. Nyks i Hydra wirują chaotycznie. Ich bieguny zmieniają miejsce. To nie jest stabilna rotacja.
W przeciwieństwie do większości księżyców Układu Słonecznego, cztery mniejsze księżyce Plutona nie obracają się synchronicznie. Ich okres rotacji nie jest ustalony zgodnie z okresem orbitalnym. Hydra obraca się szybko, wykonując pełny obrót w zaledwie 0,4295 dnia. Kerberos obraca się powoli, spędzając 5,31 dnia na obrót.
Odkrycie planety przez przypadek
Kiedy odkryto Plutona, uznano go za dziewiątą planetę. Wraz z Uranem i Neptunem jest trzecią odkrytą planetą po starożytnych światach widocznych gołym okiem. Logika wydaje się rozsądna. Astronomowie spekulują na temat istnienia dziewiątego obiektu od końca XIX wieku.
Zaobserwowali Urana. Zauważalne są znaczne zaburzenia w jego ruchu orbitalnym. Matematyka sugerowała, że bardziej odległe obiekty powodują zaburzenia grawitacyjne. Poszukiwania były kontynuowane.
Okazało się, że założenia te były błędne. Masa Plutona jest za mała. Jego grawitacja nie jest na tyle silna, aby spowodować oczekiwane zaburzenia orbity Urana. To odkrycie było niesamowitym zbiegiem okoliczności. Nie było to dokładne przewidywanie hipotetycznej planety, ale raczej wynik uważnych obserwacji.
Poszukiwaniami kierowało Obserwatorium Lowell w Flagstaff w Arizonie. Założyciel Percival Lowell zainicjował ten ruch. Zasłynął dzięki publicznym wypowiedziom, że na Marsie są kanały. Aż do jego śmierci w 1916 roku poszukiwania trwały pomimo dwóch nieudanych prób odnalezienia planety.
W 1929 roku wprowadzono specjalnie zbudowaną w tym celu komorę astronomiczną. Zbiera światło z zakrytego obszaru nieba. Clyde Tombaugh, młody astronom amator, został zatrudniony do badania nieba.
18 lutego 1930 roku odkrył Plutona. Od rozpoczęcia prac minął niecały rok. Odkrył go w gwiazdozbiorze Bliźniąt.
Obiekt wyglądał jak słaba „gwiazda” o jasności 15mag. Poruszał się powoli na tle gwiazd stałych. Jeden obrót wokół Słońca zajmuje 248 lat.
Lowell i jego współpracownicy przewidzieli większe i jaśniejsze obiekty. To, co znalazł Tombo, było niewielkie. Jednak wkrótce Pluton został zidentyfikowany jako oczekiwana dziewiąta planeta. Zaprojektowany w tym celu symbol ♇ przedstawia dwie pierwsze litery imienia „Pluton” i inicjały Percivala Lowella.
Historia Charona nie zaczęła się od teleskopu ani przelotu obok planety. Wszystko zaczęło się od niewyraźnego zdjęcia zrobionego w Obserwatorium Marynarki Wojennej Stanów Zjednoczonych w Flagstaff. Miejsce ma znaczenie. Obserwatorium znajduje się niecałe 6 kilometrów od miejsca, w którym odkryto Plutona kilkadziesiąt lat temu – to niewielka odległość, ale o ogromnym znaczeniu historycznym.
Za kamerą stoją James W. Christie i Robert S. Harrington. Ich cele były przyziemne, ale ważne. Potrzebne były dokładniejsze informacje na temat orbity Plutona. Dążyli do dokładności. Szukali małych zmian i niewielkich fluktuacji, które mogłyby ujawnić anomalie grawitacyjne lub błędy pomiarowe w istniejących modelach.
Zamiast tego znaleźli ducha.
W 1978 roku Christie zauważył dziwne zjawisko, przeglądając klisze fotograficzne. Jedno zdjęcie pokazało słabą, wypukłą smugę na krawędzi Plutona. Na drugim zdjęciu po jednej stronie widać guzek. To nie wina filmu. To nie są promienie kosmiczne. To był satelita.
To nowe ciało niebieskie, Księżyc, było ukryte na widoku. To było małe. Było ciemno. Ale istniało.
Dlaczego mitologia jest mniej ważna niż mechanika
Znamy księżyc jako Charona, nazwanego na cześć przewoźnika dusz do podziemi. Mit ten doskonale pasuje do ciemnego i odległego świata. Jednak ta mitologia nie wyjaśnia fizyki.
To odkrycie zmusiło astronomów do ponownego rozważenia swojego poglądu na Plutona. Przed Charonem Pluton był postrzegany jako samotna planeta karłowata, samotny punkt w Pasie Kuipera. Po odkryciu Charona stał się częścią systemu.
Pomyśl o różnicy, jaką to robi.
Kiedy dowiedzieliśmy się o istnieniu Księżyca, mogliśmy zmierzyć masę układu. Można było obliczyć gęstość. Zrozum dynamikę. Bez Charona masa Plutona byłaby tylko przypuszczeniem. Wraz z Charonem stała się osadą.
Jego wpływ rozciąga się także na zewnątrz.
- Masa Plutona znacznie spadła.
- Gęstość wskazuje, że większość Plutona składa się z lodu, a nie skał.
- Okres orbitalny pary ujawnił blokowanie pływowe.
Blokowanie pływów: taniec, nie orbita
Oto dziwna część. Charon nie tylko krąży wokół Plutona. Pluton po prostu się nie obraca. Zablokowany.
Są ze sobą powiązane pływowo. Oznacza to, że Charon pozostanie w tym samym miejscu na niebie Plutona. Pluton pozostaje w tej samej pozycji na niebie Charona. Jest to relacja binarna w prawdziwym tego słowa znaczeniu. Obracanie obu obiektów względem siebie nie powoduje zmiany ich powierzchni.
Gdybyś stał na powierzchni Plutona i spoglądał na Charona, księżyc byłby nieruchomy na niebie. Nigdy się nie podnosi. Ona nigdy nie przychodzi. Po prostu tam wisiała, stała obecność.
To blokowanie następuje z powodu grawitacji. W przeszłości siły pływowe spowalniały rotację Plutona, aż dorównała ona okresowi orbity Charona. Taki jest wspólny los księżyców w naszym Układzie Słonecznym, ale zobaczenie tego na skraju znanego świata wydawało się inne. Dzięki temu system zewnętrzny staje się bardziej intymny. Więcej połączeń.
Dlaczego jest to teraz ważne?
Być może zastanawiasz się, dlaczego satelita odkryty w 1978 roku jest dziś ważny.
Jest to ważne, ponieważ Charon jest kluczem do Plutona.
Bez Charona moglibyśmy uznać Plutona za upadłą planetę, co byłoby kosmicznym błędem. Mogliśmy przegapić
Zanim dowiedzieliśmy się o Charonie, Pluton był tajemnicą spowitą mgłą spekulacji. Wydawał się bardziej masywny. Jednak tych dwóch liczb nie można zmierzyć bezpośrednio. Nie można po prostu zważyć skały unoszącej się w odległości 5,7 miliardów mil. Trzeba przyjąć założenia. A nasze założenia były błędne.
Nawet na pierwszym zdjęciu przedstawiającym Charona nie wygląda to na oczywistą piłkę. To był tylko stłuczek. Po jednej stronie Plutona pojawiło się niewielkie wybrzuszenie. Wskazuje to na dwie rzeczy: obiekty te są bardzo blisko siebie i bardzo daleko od Ziemi. Potem pojawił się problem z atmosferą. Ziemska atmosfera wszystko zakrywała, zniekształcała światło i zacierała wyraźne krawędzie.
Problem ten został rozwiązany dopiero pod koniec lat 90.
Przybył Kosmiczny Teleskop Hubble’a. Przyrządy naziemne zostały wyposażone w optykę adaptacyjną. Systemy te kompensują turbulencje atmosferyczne w czasie rzeczywistym. Nagle plama zniknęła. Pluton i Charon stali się oddzielnymi ciałami. Ani dwa guzki. Dwa światy.
Wyszukaj innych członków grupy
Charon nie jest jedynym satelitą. Ale znalezienie reszty wymaga innego rodzaju cierpliwości.
W 2005 roku zespół dziewięciu astronomów badał ciemność za pomocą zdjęć Hubble’a. Szukali obiektów o średnicy zaledwie 25 kilometrów. Odkryli Hydrę i Nike. Małe. Malutki. Trudno je zauważyć.
Ale nie poprzestali na nowych zdjęciach. Dogłębnie przeanalizowali dane archiwalne. W szczególności do mapowania powierzchni wykorzystano zdjęcie Hubble’a z 2002 roku. Odkryto tam jeszcze dwa obiekty, słabe, ale wyraźnie widoczne. Poruszali się. Było to zgodne ze ścieżkami orbit obliczonymi na podstawie danych z 2005 roku. Potwierdzenie.
Ten schemat się powtarzał.
W 2011 roku sześciu astronomów odkryło Kerberos na zdjęciach Hubble’a. Sprawdzili ponownie. Ślady widać na zdjęciach z 2006 i 2010 roku. To tylko niewielka plamka. Ale to tam jest.
Następny był Styks. Został również odkryty przez Hubble’a w 2012 roku.
Obecnie wiemy, że Pluton ma pięć księżyców. Charona. Hydra. Nika. Kerbera. Styks. Trzeba przesiać szum, aby znaleźć każdy sygnał.
Skąd oni się wzięli?
Teoria panująca przed odkryciem Charona była szalona.
Pluton jest satelitą Neptuna. Tak właśnie myśleli ludzie. Uciekł. Jak? W wyniku bliskich spotkań – pchnięcie grawitacyjne, które wypchnęło Plutona z układu Neptuna. To wyjaśnia wsteczną orbitę Trytona.
Logika wydaje się rozsądna. Pluton i Tryton są mniej więcej tej samej wielkości. Pluton wykonuje jeden obrót wokół swojej osi co 6,4 dnia. Jedno okrążenie wokół Neptuna zajmuje Trytonowi 5,9 dnia. Ta liczba jest zbyt bliska, aby ją zignorować.
Jednak matematyka się nie zgadza.
Skorygowana masa Plutona jest tylko o połowę mniejsza niż Trytona. Połowa. Nie wystarczy odwrócić orbitę Trytona. Siła nie wystarczy. Teoria ucieczki tam umarła.
Następnie jest wielkość Charona. Pluton ma nieproporcjonalnie duży księżyc. Jeśli Pluton uciekł z Neptuna, dlaczego zabrał ze sobą tak dużego satelitę? To sprawia, że scenariusz ucieczki jest mało prawdopodobny.
Nowoczesny model jest czystszy. Okrutne, ale bardziej logiczne.
Pluton i Charon powstały niezależnie w mgławicy słonecznej. Chmura gazu i pyłu, która skondensowała się, tworząc Układ Słoneczny. Zderzyły się. Proto-Charon zderzył się z Plutonem. W wyniku zderzenia powstał pierścień gruzu. Ten pierścień narósł. Grawitacja przyciągała pył. Tak powstał Charon.
Ta sama historia dotyczy ziemskiego satelity księżycowego. Obiekt wielkości Marsa uderzył w Ziemię. Odłamki utworzyły pierścień. Księżyc zapadł się w jedną całość.
Spójrz na chemię. Księżyc ma pochodzenie w wysokiej temperaturze, więc brakuje mu pierwiastków lotnych. Na Charonie nie ma metanu. Pluton i Charon mają stosunkowo duże gęstości. To zderzenie wyjaśnia oba fakty. Substancje lotne wyparte pod wpływem ciepła. Gęstość pozostała taka sama.
Pochodzenie małych satelitów
A co z Hydrą, Nyksem, Kerberosem i Styksem?
Niektórzy astronomowie uważają, że urodzili się niezależnie. Później zostali schwytani. Ich pochodzenie jest różne. Różne typy „ciężarówek”.
Ale mechanika nieba twierdzi inaczej.
Cztery małe satelity mają kołowe orbity w tej samej płaszczyźnie. Obracają się w tej samej płaszczyźnie. Mają wspólne dynamiczne połączenie rezonansowe. To nie jest przypadkowy atak. To jest rodzina.
Uderzenie w Charona uwolniło wystarczającą ilość szczątków, aby uformować resztę. Materiał z jego pierścienia narósł na wszystkie trzy księżyce. Prawdopodobnie więcej. Po prostu jeszcze ich nie odnaleziono.
To wskazuje na coś z wczesnego Układu Słonecznego.
Około 4,6 miliarda lat temu zewnętrzna mgławica była zatłoczona. Było tam mnóstwo ciał lodowych. Taki sam rozmiar jak Pluton i Charon. Nie byli wyjątkowi. Składały się z mniejszych obiektów. Dziś nazywamy te obiekty jądrami komet.
Tryton jest prawdopodobnie jednym z tych gigantycznych lodowych planetozymali. Schwytany przez Neptuna we wczesnej historii. Innym przykładem jest Chiron krążący pomiędzy Saturnem a Uranem. Jądro gigantycznej komety. To mniejsza wersja Phoebe, księżyca Saturna.
Poszukujemy ocalałych. Odłamki. Pozostałości epoki formacji chaotycznej. Układ Plutona nie jest anomalią. To jest migawka struktury zewnętrznego Układu Słonecznego.
Wciąż uczymy się czytać. Słabe ślady starych danych z Hubble’a przypominają nam, że Wszechświat ukrywa szczegóły, dopóki nie będziemy gotowi, aby je zobaczyć. Albo dopóki nie stworzymy odpowiednich narzędzi.
Pas Kuipera i Obłok Oorta
Większość lodowych planetozymali jest pochłaniana przez planety-olbrzymy podczas ich powstawania. Ale to nie wszystko.
Wiele obiektów pozostało na swoim miejscu. Stały się odrębnymi elementami Pasa Kuipera. Jest to gruby, płaski dysk znajdujący się poza orbitą Neptuna. Leży w płaszczyźnie Układu Słonecznego. W szczególności obejmuje zewnętrzną część orbity Plutona.
Miliardy innych obiektów zostały rozrzucone poza jego granicami. Stało się to podczas formowania się Urana i Neptuna. Prawdopodobnie tworzą obłok Oorta, gigantyczną kulistą powłokę znajdującą się w odległości około 50 000 jednostek astronomicznych.
Na początku lat 90. astronomowie odkryli ponad 1000 obiektów Pasa Kuipera (KBO). Wniosek jest oczywisty: Pluton i Charon to tylko duzi członkowie tego pasa. Obiekty takie jak Chiron i księżyc Neptuna Tryton mogły pochodzić z obiektów z Pasa Kuipera. To samo dotyczy wielu innych lodowych księżyców.
Rozważmy ich orbity. Niektóre obiekty Pasa Kuipera mają wysoce eliptyczne orbity. Są nachylone w stronę płaszczyzny Układu Słonecznego. Mają wspólne cechy z Plutonem: stabilny stosunek rezonansu orbitalnego z Neptunem wynoszący 3:2. Astronomowie nazywali je plutinami (Plutino). Mały Plutos.
Dlaczego status Plutona jako planety uległ zmianie
Zanim Pluton został pozbawiony statusu planety, nie było ścisłej definicji. Astronomowie nie osiągnęli jeszcze porozumienia co do minimalnej masy, promienia ani mechanizmu powstawania.
Stary podział był intuicyjny. Duże ciała niebieskie to planety. Mniejsze to asteroidy i komety. Księżyc to coś innego. To podejście sprawdza się, jeśli różnice wydają się znaczące. Działa, gdy małe przedmioty są ledwo postrzegane jako elementy konstrukcyjne dla innych.
Jest to wczesna i fragmentaryczna reprezentacja. Jak w przypowieści o niewidomych i słoniu: każdy odczuwa inną część ciała. Każdy rozpoznaje inne przedmioty.
Później zdaliśmy sobie sprawę, że pierwotne grupowanie było nie do utrzymania. Elementy układu słonecznego wymagają przeklasyfikowania. Wymaga to skomplikowanych i powiązanych ze sobą definicji.
Kiedy po raz pierwszy odkryto Plutona, astronomowie myśleli, że to samotny wędrowiec. To poczucie izolacji uzasadniało jego miejsce w Inner Solar System Planet Club. Gdyby została odkryta później i otoczona obiektami z Pasa Kuipera, nikt nie nazwałby jej planetą.
Przez dziesięciolecia rozmiar nie miał znaczenia. Skład lodu nie pomógł. Dziwna orbita również nie przyczyniła się do rozpoznania. Niektórzy eksperci nieustannie kwestionują jego status. Potem przyszedł XXI wiek.
Eris zmienia matematykę
Astronomowie zaczęli odkrywać inne obiekty Pasa Kuipera. Obiekty wielkości Charona stały się powszechne. Pojawiła się Eris.
Eris jest nieco większa od Plutona.
Nagle Pluton nie był już wyjątkowy. Stał się jednym z wielu. Astronomowie stanęli przed wyborem: dodać planety do listy lub wykluczyć Plutona. Międzynarodowa Unia Astronomiczna (IAU) wybrała w 2006 roku drugą ścieżkę. Stworzyła także nową kategorię: planety karłowate.
Ta kategoria obejmuje duże obiekty o podobnym pochodzeniu i orbitach. Pluton, Eris i Ceres otrzymały etykietę planety karłowatej. Ceres znajduje się w pasie asteroid. Jego średnica wynosi około 940 kilometrów.
Definicja plutoidów
Kolejna aktualizacja została dokonana w czerwcu 2008 roku. Międzynarodowa Unia Astronomiczna dzieli planety karłowate na kilka podkategorii. Dodali termin „plutonidy”.
Pluton jest planetą karłowatą znajdującą się dalej od Słońca niż Neptun. W rzeczywistości jest to duży obiekt z Pasa Kuipera.
Pluton jest plutoidem. Eris jest również plutoidem. Ceres jest inna. Znajduje się w pasie asteroid, zbyt blisko Słońca.
Od tego czasu lista plutoidów staje się coraz dłuższa. Dołączyli do nich Makemake i Haumea. Obie są planetami karłowatymi. Oba są plutoidami.
