2006. február – Irány a Plútó! | MCSE

2006. február – Irány a Plútó!

A Plútó felfedezése


Percival Lowell észlel a
Lowell obszervatóriumban
(Flagstaff, Arizona)

A római mitológiában Plútó (görögül Hádész) az alvilág istene volt. Valószinűleg azért is kapta ezt a nevet a bolygó, mert borzasztó messze kering a Naptól és borzasztó hideg uralkodik rajta. Ugyanakkor nevében a PL
betűk annak a csillagásznak a nevére is emlékeztetnek, aki munkásságának jelentős részét áldozta megtalálására:
Percival Lowellre. Ő már 1905-1908 táján felvetette, hogy a Neptunusz pályájának a számítottól való eltérése
miatt lehetséges egy még távolabbi bolygó, aminek tömegvonzása hatással lehet a Neptunuszra. (Amelyet ugyanilyen
módszerrel fedeztek fel 1846-ban.) Ő kezdte el használni az X-bolygó elnevezést erre a még ismeretlen égitestre.
Ezt azonban végülis nem ő, hanem jóval halála után az általa alapított arizoniai Lowell obszervatóriumban dolgozó
fiatal Clyde W. Thombaugh fedezte fel, szisztematikus fotografikus keresés eredményeként, 1930 február 18-án.
Ráadásul a Lowell által megjósolt pozicióhoz elég közel lelt rá a mindössze 13.5 magnitúdós, azaz a Neptunusznál kb.
200-szor halványabb kis fénypontra.

Hamar kiderült azonban, hogy egy ilyen halvány — tehát kis tömegű — égitest nem befolyásolhatja
érdemben a Neptunusz mozgását, tehát további X-bolygó(k)ra lett volna szükség. Thombaugh nagy érdeme, hogy
nem hagyta abba a keresést a felfedezés után sem, és egészen 1943-ig tartó kitartó kutatással feltérképezte
az ekliptika környezetét. Ennek alapján megállapította, hogy nincsen több 16 magnitúdónál fényesebb bolygó a
Naprendszerben. Később nagyobb távcsövekkel megismételték ezt az égbolt felmérést, de az elvárásoknak megfelelő
X-bolygót mások sem találtak. Egészen az elmúlt 14 évig a Plútót tekinthettük bolygórendszerünk külső határának.


Balra a Plútót megörökítő felfedező kép amelyen kis vonalak között látható a bolygó képe.
Jobbra Clyde W. Tombaugh a bolygókereséshez használt ún. blinkkomparátorral dolgozik.

A felfedezés érdekessége még, hogy a Lowell által a Neptunusznál találni vélt pályaeltérés valószínűleg nem
is létezett — legalábbis a Pioneer 10 és 11 szondák megfigyelt pályájának megmagyarázáshoz
nincs szükség egy nagyobb tömegű külső bolygóra. A felfedezés helyének és a jósolt pozíció közelsége feltehetőleg
csak véletlen egybeesés volt.

Az ismeretlen bolygó

Felfedezésétől kezdve közel fél évszázadig szinte semmit sem tudtunk a Plútóról — azon kívül, hogy messze
van és kicsi. Nem voltak eszközök a megfigyelésére, és nem is tűnt túl érdekesnek. Ami ismert volt, hogy pályája
szokatlanul nagy szögben (17°) hajlik az ekliptikához és szokatlanul elnyúlt: 29,6 és 49,3 Csillagászati Egység
között húzódik. Olyannyira, hogy 1979-től 1999-ig valójában közelebb volt a Naphoz mint a Neptunusz. Vele egyébként
3:2-es rezonanciában van, azaz keringési ideje pontosan azénak másfélszerese, 247 év. Átmérőjét eleinte a ma ismert
értéknél nagyobbnak, 4–5000 km-esnek gondolták.

1978-ban történt az első meglepetés a Plútó kapcsán, amikor Christy és Harrington optikailag —
mint apró "dudort" — felfedezték holdját. Ez a Charon (magyar átírásban: Kháron) nevet kapta — a
mitológiai csónakos után, aki a lelkeket a Styx folyón át ladikján a Plútóhoz viszi. Kiderült tehát, hogy egy ilyen
kicsiny égitestnek is lehet holdja, amely ráadásul nem is sokkal kisebb őnála.


Balra a Plútó és Charon felszíni modellje kölcsönös fedéseik fotometriai megfigyelése alapján (Marc W. Buie/Lowell Observatory)
Jobbra a Plútó és holdja a 8,3 méteres Subaru teleszkóp felvételén 1999 június 9.-én.
A két égitest teljesen különválik, bár a diffrakció miatt leképezett korongjuk jóval nagyobb mint valóságos méretükből adódna.
(Dale P. Cruikshank, Catherine de Bergh, Sylvain Dout, Thomas R. Geballe, Tobias C. Owen, Eric Quirico, Ted L. Roush and Bernard Schmitt)

A nyolcvanas évek második felében a Charon pályája pont élével fordult a Föld felé, így sikerült a bolygó és holdja
több kölcsönös fedését megfigyelni. A mért fénygörbék alapján meg lehetett határozni a két égitest méretét és keringési
idejüket (6,4 nap), sőt, még felszínük fényességeloszlásáról is sikerült egy durva térképet készíteni. Kiderült, hogy
a Plútó a Naprendszer második "legkontrasztosabb" égitestje, a Szaturnusz Iapetus holdja után. A mérésekből a bolygó
átmérőjére mindössze 2300 km adódott, míg holdjáéra 1200 km. Mindketten kötött keringést végeznek, tehát mindig ugyanaz
az arcuk néz egymás felé. A keringési adatokból a két égitest össztömege is meghatározható volt, amiből megbecsülhető
sűrűségük, ami 1,8–2 g/cm3 körül van. Tehát nem egy Föld típusú bolygóról, hanem egy könnyebb, jeges
égitestről van szó. A hold korábbi nem ismerete mellett ez magyarázhatja azt, hogy korábban nagyobbnak hitték, mivel a
jeges felszín több fényt ver vissza mint például egy kőzet, így a megfigyelt fényességhez kisebb felszín is elegendő.
Bár a két égitest tömegeinek aránya pontosan nem mérhető, de méretük alapján a Charon anyabolygójához képest a legnagyobb
hold a Naprendszerben.

Bolygó-e egyáltalán?


Vajon így fog kinézni a Plútó is?
A Neptunusz Triton holdja a
Voyager-2 felvételén.
(NASA/JPL)

De jogos-e ez az összehasonlítás? Ezzel elérkeztünk az utóbbi években sok kutató által feltett kérdéshez: bolygó-e
egyáltalán a Plútó? Ma már ennek a megválaszolása nem is annyira tudományos, mint kultúrtörténeti feladat. Ugyanis a
csillagászati műszertechnika fejlődésének köszönhetően 1992-től sorra kezdték el felfedezni a — több csillagász
által már korábban megjósolt — Neptunuszon túli kisbolygókat, a Kuiper objektumokat. Bolygórendszerünk tehát korántsem
ér véget ott, ahol addig gondoltuk. Ezeknek a rendkívül halvány, a Naptól többnyire 30–50 Csillagászati Egység között
(az ún. Kuiper-övben) keringő égitesteknek a tömege többnyire kisebb a Plútóénál, de találtak olyat is, amelyik valószínüleg
nagyobb nála. Mind pályája, mind fizikai paraméterei alapján a Plútó inkább tekinthető egy nagy Kuiper objektumnak, mint egy
kicsiny nagybolygónak. Hasonló okokból ugyanide sorolható a Charon is, sőt a Szaturnusz Phoebe és a Neptunusz Triton és Nereida
holdjai is ilyen eredetűek lehetnek. Amiért mégis ma is a inkább a nagybolygók között tartjuk számon a Plútót, annak a
tudományos közvéleményben az elmúlt hat évtizedben kiérdemelt helye (a megszokott kilenc bolygó legtávolabbika), és a felfedezője
iránti tisztelet az oka. Talán leginkább tiszteletbeli bolygónak tekinthetjük.

Pont ez a mássága teszi ugyanakkor érdekessé, és érdemessé arra, hogy űrszonda induljon felé. Ezáltal eljutunk a Kuiper-övbe, ahol
a belső-Naprendszertől különböző állapotok uralkodnak, ahol a föld-típusú kő- és az óriás gázbolygóktól eltérő jellegű jeges kisbolygók
keringenek, és amely régiót a rövidperiódusú üstökösök otthonának is tartanak. A Kuiper-öv égitestjeit vagy üstökösmagokat közelről
megfigyelni nagyon sok szempontból hasonló tudományos feladat: a Naprendszer kialakulásában szerepet játszó ősi anyagstruktúrák
tanulmányozhatók rajtuk keresztül, mivel azok a Naptól távol a kezdetektől fogva mélyhűtött állapotban örződtek meg.

Mit találni ott?

A Plútó színképében a szilárd metánt 1976-ban fedezték fel. Egy 1988-as csillagfedés alkalmával pedig kiderült, hogy légköre is van,
ami a metán mellett főként nitrogénból áll. Ez a légkör azonban nagyon vékony: nyomása a földiének 3 milliomod része. Ugyanakkor sok
hasonlóságot mutat egy üstökösével, mert folyamatosan szökik a bolygóról — egyes becslések szerint másodpercenként kb. 80 kg-nyi
anyag hagyja el. Az óriási naptávolság miatt (a Földhöz képest 1000-szer kevesebb napfény érkezik oda) a felszíni hőmérséklet mindössze
40 Kelvin (-230 °C) körül van. Ráadásul, amikor elnyúlt pályáján a bolygó távolodni kezd a Naptól, még tovább hűl, és légköre
teljesen kifagy felszínére. A Plútó napközelsége 1989-ben volt, azóta távolodik csillagunktól, ezért is kellett sietni a most elindult
űrszondának, hogy még a légkört ott találja.

Az égitestek sűrűségéből itélve a vastag jégréteg alatt valószínüleg mind a Plútó, mind a Charon belsejében kőzet mag van.

Tavaly ősszel a Hubble Űrtávcső két újabb holdat fedezett fel a Plútó körül (egyelőre az S/2005/P1 és S/2005/P2 nevet
viselik), amelyek kb. 5000-szer halványabbak nála. Nem kizárt azonban, hogy még több apró égitest is keringhet körülötte.

Pluto Express-ből New Horizons

Egy a Plútóhoz indítandó űrszonda gondolata már igen régen — a Voyager miszió idején — felmerült a NASA-nál, mivel
az Uránusz és a Neptunusz megközelítésével egyedül már csak ez a legkisebb bolygó maradt felderítetlen. A Kuiper-öv apró égitestjeinek
felfedezése — és ezáltal a Plútó szerepének átértékelése — tovább növelte az érdeklődést, és egy olyan program körvonalazódott,
amely a bolygó mellett esetleg más Kuiper objektumot is felkeresne. A terv először a Pluto Express majd Pluto Kuiper Express
névre hallgatott, utalva arra, hogy valamilyen gyors útvonalat követne az űrszonda. Pénzügyi korlátozások és az amerikai Kongresszuson
belüli politikai viták miatt azonban a misszió sorsa többször veszélybe került, elhalasztották, törölték, majd végül az utolsó pillanatban
mégis feltámadt, de ekkor már új néven: bekerült a több tudományos missziót is magába foglaló New Horizons programba, annak első
elemeként. Később ő maga is ezt a hivatalos elnevezést kapta.

A rakétával kapcsolatos technikai problémák miatt a kilövés az eredeti tervekhez képest heteket késett, de a hivatalos indítási ablak
harmadik napján már sikeres volt: így január 19-én 19 óra UT-kor elindulhatott a New Horizons űrszonda a külső-Naprendszerbe.

Pioneer 11 (1973)  
Voyager 2 (1977)  
Galileo (1989)  
Cassini (1997)  
New Horizons (2006)  

Érdemes egy kicsit visszatekinteni, mennyi idő kellett a korábbi bolygószondáknak, hogy az óriásbolygókhoz érkezzenek!
A nyilak végén a szonda menetideje hónapokban van megadva, a nevük után zárójelben a start időpontja. (A fentieken kívül
még a Pioneer 10, Voyager 1 és az Ulysses jártak még a Jupiternél.)

A most elindult űreszköz 1 év és 1 hónap alatt ér a legnagyobb bolygóhoz, aminek gravitációs hatását felhasználva tovább gyorsul,
és előreláthatólag 9–10 év múlva ér el a Plútóhoz. A Jupiter nélkül ehhez 14 év kellene, és egy február 5-e utánra halasztott
start esetén már csak ez a megoldás maradt volna. Az utazást az is rövidíti, hogy a célhoz érkezvén nem fog majd lefékezni, hanem
teljes sebességgel elrepül a Plútó mellett. Ez persze csak rövid időt engedélyez a megfigyelések számára, de a lefékezés — a
célpont apró tömege miatt — nem is volna lehetséges.


A speciális összeállítású Atlas 5 hordozórakéta

Az űrszonda gyorsaságát annak köszönheti, hogy egyrészt kis tömegű Mindössze 465 kg, jóval könnyebb a korábbi több tonnás berendezésekhez
képest — így adott rakétával nagyobb sebességre gyorsítható, másrészt egy valóban erősebb rakéta juttatta pályára: az Atlas 5.
Ennek a típusnak ez volt a hetedik startja, de ez alkalommal a korábbiakhoz képest "felturbózták": öt szilárd hajtóanyagú gyorsítórakétát
tettek az első fokozat oldalára (a főhajtómű egyébként orosz gyártmányú), és a második fokozat után egy további szilárd hajtású fokozatot
szereltek. Az óriási tolóerőnek köszönhetően a berendezés fellövése után már 9 órával elhagyta a Hold pályáját. Az Apolló űrhajóknak ehhez
3 napra volt szükségük!

Az utazás

A fellövés utáni első nagy esemény a Jupiter melletti elrepülés lesz jövő márciusban. Ez lesz a Jupiter nyolcadik űrszondás megközelítése,
ami kiváló alkalom lesz a műszerek tesztelésére, de természetesen új tudományos megfigyelésekre is. Mennyiségét tekintve jóval több adat
fog érkezni innen, mint majd a Plútótól, mert ebből a távolságból még nagyobb adatsebességet lehet alkalmazni. 21 km/s sebességgel, és a
Cassini-hez képest 3–4-szer közelebb fog elhaladni a Jupiter mellett a szonda. Ahogy távolodik majd az óriás bolygótól, hosszú ideig
(kb. 1000 bolygósugárnyi távolságig) annak — a napszél által elnyújtott — mágneses csóvájában fog haladni, ami páratlan
lehetőséget teremt a Jupiter magnetoszférájának vizsgálatára. A találkozás után megkezdődik a hosszú magányos repülés, amit az űreszköz
mély álomban — hibernálva — tölt. A tudományos műszereket csak évente egyszer kapcsolják be ellenőrzés céljából, amúgy csak egy
sípoló rádiójel fog életjelet adni.


A New Horizons tervezett pályája a bolygórendszeren és a Kuiper-övön keresztül. (A NASA/JPL grafikája nyomán)

Ötmilliárd kilométer megtétele után fog megérkezni céljához az űreszköz, valamikor 2015 és 2017 között. A megfigyelések öt hónappal korábban
megkezdődnek: először a célból, hogy a repülési pályát pontosítsák, majd két hónap múlva — kb. 100 millió km-ről — elkezdődik a
Plútó és a Charon térképezése. Ekkor már a HST-nél jobb képeket tud készíteni a fedélzeti kamera. (Az eddigi legjobb űrtávcsöves képek
felbontása 4-500 km.) A terv szerint a New Horizons a két égitest között fog elrepülni, ehhez egy kb. 300 km átmérőjű képzeletbeli korongba
kell beletalálnia, ami ekkora távolságról elég pontos célzást igénye. Ha ez sikerül, akkor a Plútót 11000 km-re, a Charon-t 27000 km-re fogja
megközelíteni, 14 km/s-os sebességgel.


A parabolaantenna szerelése
(NASA/JHU/SRI)

A nagy találkozás — vagyis az intenzív mérések időszaka 24 órán át fog tartani. A legnagyobb
közelség után 51 perccel a Plútó mögött, 135 perccel pedig a Charon mögött fog eltűnni a berendezés — lehetőséget adva arra, hogy a tőle
érkező rádiójelek gyengülése révén megfigyeljék légkörüket.

Az igazán látványos eredmények persze leginkább a közeli fényképek lesznek, amelyek
felbontása legalább 1 km-es, de néhány ponton 25–50 méteres lesz. Hogy mit fognak mutatni a képek, az még rejtély, de talán a Neptunusz
Triton holdjára hasonlítanak majd, amit a kutatók hasonló eredetűnek gondolnak. Mivel a Plútó távolságából csak rendkívül gyenge rádiójelek foghatók,
így csak kis adatsebességet lehet majd használni, mindössze 768 bit/s-ot. Ezért a felgyülemlett fotók és mérések továbbítása a találkozás után még 9
hónapig fog tartani!

Mi van a fedélzeten?

Végezetül nézzük át röviden, milyen műszereket is kell magával vinni annak, aki ilyen hosszú útra indul? Egy rendkívül kompakt és energiatakarékos
űreszközről van szó, amin hét tudományos berendezést helyeztek el:

Alice: 

UV spektrométer — ez főként a légkör és az esetleges ionoszféra megfigyelésére szolgál.

Ralph: 

Kamera, több csatornás (vizuális és infravörös tartományban) — színes és fekete-fehér fényképezésre, sztereo képek készítésére.

REX: 

Rádió-kísérlet, beépítve a kommunikációs berendezésbe — a légkör sűrűségeloszlásának mérésére az okkultációk során.

LORRI: 

Nagyfelbontású kamera — navigálásra és a közelképek készítésére. Objektívje 20 cm átmérőjű.

SWAP: 

Napszél mérő — a Plútó szivárgó légköre és a napszél kölcsönhatásának vizsgálatára.

PEPSSI: 

Nagyenergiájú részecske spektrométer — a légkör és az onnan eltávozó anyag kimutatására.

SDC: 

Porszámáló — ez az út teljes időtartama alatt mérni fogja a szonda által felfogott por mennyiségét, sűrűségét.


A műszerek elhelyezkedése (NASA/JPL)

Mindezeknek a berendezéseknek legalább 10 éven át üzemképesnek kell maradniuk — de lehetőleg ennél tovább is, mert 2017–2024 között
esetleg az űrszonda még egy Kuiper objektummal találkozna. Hogy melyikkel, az majd menet közben fog kiderülni. Ennek eldöntésére addig még bőven
van idő.

Ilyen hosszú időtartamra és számottevő napenergia hiányában saját, tartósan és megbízhatóan működő energiaforrást is vinni kell. Mint a korábbi
Naprendszerből kifelé tartó bolygókutató szondáknál, ahol napelemek nem használhatók, ez alkalommal is rádioaktív generátor (RTG) szolgáltatja az
energiát. Ez a plutónium-dioxid bomlásakor keletkező hőt alakítja át közvetlenül elektromos árammá. Ahogy üzemanyaga elbomlik, teljesítménye is
fokozatosan csökken, de még 2017-ben is több mint 200 Watt teljesítményt szolgáltat majd, ami egy ilyen takarékos űrszondának elegendő. Akárcsak a
hasonló alkalmakkor, egyes környezetvédő csoportok most is ellenezték ennek az eszköznek a használatát, mert egy esetleges meghiúsult kilövés
során a földre visszazuhanó rádioaktív anyag szennyezheti a környezetet. Bár igen szigorú biztonsági előírások szerint készült ez a generátor, a
legfőbb bizonyíték, hogy baj nem történt az, hogy a New Horizons fellövése sikerült, és már biztos nem fog visszaesni a Földre. Már csak azért kell
szurkolnunk, hogy átszelve a Naprendszert, épségben megérkezzen abba a távoli, hideg, de izgalmas világba, amiről most még csak homályos elképzeléseink
vannak…