Týdeník věnovaný aktualitám a novinkám z fyziky a astronomie. Vydavatel: AGA (Aldebaran Group for Astrophysics) Číslo 18 – vyšlo 17. května, ročník 13 (2015) © Copyright Aldebaran Group for Astrophysics Publikování nebo šíření obsahu je zakázáno. ISSN: 1214-1674, Email: bulletin@aldebaran.cz

18/2015

Budiž ti Merkur lehký!

Jakub Rozehnal

Ve čtvrtek 30. dubna 2015 dopadlo před půl desátou hodinou večerní našeho času na povrch MerkuruMerkur – planeta nejbližší Slunci. Je to skalnatá planeta, posetá krátery podobně jako náš Měsíc. Jde o nejmenší planetu vůbec. Je téměř bez atmosféry. Teplota povrchu tohoto tělesa kolísá mezi −180 °C a 430 °C. Merkur se otočí kolem vlastní osy jednou za 59 našich dní. Jeho doba oběhu kolem Slunce trvá 88 dní. Jde o příklad vázané rotace (spinorbitální interakce) v poměru 2:3 způsobené slapovými silami. Dráha Merkuru kolem Slunce je protáhlá elipsa, která se stáčí vlivem přítomnosti ostatních planet. Malá část stáčení perihelia dráhy (43″ za století) je způsobena efekty obecné relativity. těleso o hmotnosti přes 500 kg. Merkur není chráněn prakticky žádnou atmosférou, takže jeho povrch je na neustálé bombardování nepochybně zvyklý. Přesto zažil za bezmála 4,5 miliardy let své existence premiéru, neboť to bylo poprvé, co na Merkur dopadlo umělé těleso. Byla jím meziplanetární sonda MessengerMESSENGER – sonda NASA, která zkoumala planetu Merkur. Startovala v srpnu 2004, v letech 2006 a 2007 prolétla dvakrát kolem Venuše. Kolem Merkuru poprvé prolétla v lednu 2008. Další průlety proběhly v říjnu 2008 a září 2009. V březnu 2011 byla navedena na oběžnou dráhu kolem Merkuru a od té doby prováděla komplexní měření. Název sondy je zkratkou z anglického MErcury, Surface, Space ENvironment, GEochemistry, and Ranging. Sonda ukončila svou činnost 30. dubna 2015 řízeným pádem na povrch planety.. Marně čekaly antény Sítě dálkového spojeníDSN – Deep Space Network. Jde o mezinárodní komunikační síť antén sloužící podpoře meziplanetárních letů a radioastronomických pozorování. Síť začala budovat NASA a dnes ji tvoří tři sedmdesátimetrové antény umístěné na Zemi v přibližných rozestupech 120°: Goldstone (poušť Mojave v Kalifornii), v blízkosti Madridu (Španělsko) a v blízkosti Canberry (Austrálie)., zda nezachytí signál sondy, která by se vynořila z radiového stínu. Byla by to bezesporu smutná událost, kdyby dopad sondy nebyl předem plánovaný. Využijme tuto událost k rekapitulaci její mise, během které vykonala celkem 4 104 oběhů nad povrchem první planety sluneční soustavy.

Messenger pozoruje Rachmaninovu pánev na Merkuru. Umělecká vize NASA.

MESSENGER – sonda NASA, která zkoumala planetu Merkur. Startovala v srpnu 2004, v letech 2006 a 2007 prolétla dvakrát kolem Venuše. Kolem Merkuru poprvé prolétla v lednu 2008. Další průlety proběhly v říjnu 2008 a září 2009. V březnu 2011 byla navedena na oběžnou dráhu kolem Merkuru a od té doby prováděla komplexní měření. Název sondy je zkratkou z anglického MErcury, Surface, Space ENvironment, GEochemistry, and Ranging. Sonda ukončila svou činnost 30. dubna 2015 řízeným pádem na povrch planety. NASA – 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. Merkur – planeta nejbližší Slunci. Je to skalnatá planeta, posetá krátery podobně jako náš Měsíc. Jde o nejmenší planetu vůbec. Je téměř bez atmosféry. Teplota povrchu tohoto tělesa kolísá mezi −180 °C a 430 °C. Merkur se otočí kolem vlastní osy jednou za 59 našich dní. Jeho doba oběhu kolem Slunce trvá 88 dní. Jde o příklad vázané rotace (spinorbitální interakce) v poměru 2:3 způsobené slapovými silami. Dráha Merkuru kolem Slunce je protáhlá elipsa, která se stáčí vlivem přítomnosti ostatních planet. Malá část stáčení perihelia dráhy (43″ za století) je způsobena efekty obecné relativity. Magnetosféra – oblast magnetického vlivu planety nebo jiného nebeského tělesa. U naší Země je dipólové magnetické pole vytvářeno v jádru elektrickými proudy o řádové hodnotě 109 A. Toto pole je deformováno interakcí se slunečním větrem do charakteristického tvaru – magnetosféry Země. Magnetosféry planet jsou přirozeným ochranným štítem před nabitými částicemi slunečního větru.

Sonda MESSENGER (MErcury Surface, Space ENvironment, GEochemistry, and Ranging mission) se na svou vesmírnou pouť vydala 3. srpna 2004, kdy byla z Mysu Canaveral vypuštěna na palubě nosiče Delta IIDelta II – nosná raketa využívaná NASA. Raketa byla původně navrhnuta po katastrofě raketoplánu Challenger společností McDonnell Douglas, která později fúzovala se společností Boeing. Od roku 2006 byla vyráběna společností United Launch Alliance. Tato raketa měla mnoho variant s výškou 38 až 39 metrů, průměrem 2,44 metru a hmotností 150 až 230 tun. Od svého zavedení roku 1989 provedla raketa Delta II celkem 156 startů. K poslednímu startu došlo 15. září 2018 a v současné době se již nepoužívá. Během své aktivní kariéry vynesla více než 60 významných vědeckých družic a sond.. Přestože ZemiZemě – 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. Mohorovičiæovým 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. a MerkurMerkur – planeta nejbližší Slunci. Je to skalnatá planeta, posetá krátery podobně jako náš Měsíc. Jde o nejmenší planetu vůbec. Je téměř bez atmosféry. Teplota povrchu tohoto tělesa kolísá mezi −180 °C a 430 °C. Merkur se otočí kolem vlastní osy jednou za 59 našich dní. Jeho doba oběhu kolem Slunce trvá 88 dní. Jde o příklad vázané rotace (spinorbitální interakce) v poměru 2:3 způsobené slapovými silami. Dráha Merkuru kolem Slunce je protáhlá elipsa, která se stáčí vlivem přítomnosti ostatních planet. Malá část stáčení perihelia dráhy (43″ za století) je způsobena efekty obecné relativity. dělí průměrná vzdálenost 150 milionů kilometrů, trvala cesta na oběžnou dráhu Merkuru více než 6,5 roku, což je o 6 měsíců déle než doba, jakou cestovala slavná sonda Galileo k JupiteruJupiter – 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., který je v průměrné vzdálenosti pětkrát větší. Důvod této zjevné neúměry je zřejmý, pokud si porovnáme únikovou rychlost sondy ze Země (11,2 km/s), kterou musí sonda dosáhnout, aby se mohla vydat k Merkuru, a únikovou rychlost z Merkuru (4,3 km/s), pod kterou musí být sonda zbržděna, aby tuto planetu obíhala. Pokud si navíc uvědomíme, že sonda se při nejjednodušší trajektorii nachází na vysoce excentrické dráze s přísluním poblíž dráhy Merkuru, je rychlost sondy v přísluní asi desetkrát vyšší, než je horní mez pro oběžnou dráhu Merkuru. Zbrždění sondy na desetinu původní rychlosti by si vyžádalo obrovské množství paliva, což by náklady na celou misi neúměrně prodražilo. Z toho důvodu byla rychlost sondy před finálním bržděním pomocí motorů snížena gravitací planet při opakovaných průletech v jejich blízkosti (jedná se tedy o opak „gravitačního praku“). Úspora nákladů na palivo je však vykoupena delší dobou letu. Messenger se tak rok po svém startu vrátil k Zemi (2. srpna 2005), následovaly dva průlety okolo 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. (24. října 2006 a 5. června 2007). Ještě na heliocentrické dráze prolétl Messenger třikrát kolem Merkuru (14. ledna 2008, 6. října 2008 a 29. září 2009) a teprve 18. března 2011 byl zahájen manévr, během kterého byla sonda čtvrthodinovým bržděním motorem navedena na oběžnou dráhu planety. Tato dráha byla vysoce excentrická – zatímco v apocentruApocentrum – bod na eliptické dráze kolem centrálního tělesa, který je tomuto tělesu nejdále. Pro Slunce se používá výraz afélium, pro Zemi apogeum, pro Měsíc apoluna, pro Jupiter apojovum, pro Saturn apokronum, pro Mars apoareion a pro hvězdu apoastrum. se Messenger vzdaloval až na 15 000 km od Merkuru, v pericentruPericentrum – bod na eliptické dráze kolem centrálního tělesa, který je tomuto tělesu nejblíže. Pro Slunce se používá výraz perihélium, pro Zemi perigeum, pro Měsíc periluna, pro Jupiter perijovum, pro Saturn perikronum, pro Mars periareion a pro hvězdu periastrum. ji doslova pohlcovalo horko sálající z povrchu 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., vzdáleného pouhých 200 km.

Na tomto videu si můžete prohlédnout, jak složité byly manévry prováděné
při letu sondy Messenger. Zdroj: NASA. (mp4/h264, 4 MB)

Merkur před Messengerem...

Před příletem Messengeru byl Merkur z vesmíru zkoumán pouze při trojici průletů sondy Mariner 10 v letech 1974 – 1975. Mariner 10 poskytl snímky 45 % povrchu planety s rozlišením 1 km/pixel, objevil magnetické pole planety, zjistil přítomnost vodíku a hélia v tenké atmosféře (složení atomsféry bylo posléze na základě pozemních pozorování zpřesněno, v exosféře planety byla potvrzena přítomnost iontů sodíku, draslíku a vápníku). Rozbor radarových signálů pozemských přístrojů naznačil možnost přítomnosti ledu v permanentně zastíněných kráterech v polárních oblastech planety. Amplituda libracíLibrace – malé periodické výkyvy v rotaci měsíce nebo planety způsobené nejrůznějšími vlivy. planety také naznačila, že Merkur má kapalné vnější jádro.

...a po něm

Z pohledu veřejnosti je jednoznačně největším objevem sondy Messenger faktické potvrzení přítomnosti vodního ledu na dně kráterů v polárních oblastech, kam nikdy nedopadá sluneční záření. Odhad objemu přítomné vody se pohybuje v rozmezí 100÷1000 km³, což je asi jedna desetimilióntina až milióntina objemu vody na Zemi. Tato voda má zřejmě původ zejména v planetkáchPlanetka – 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. z vnějších oblastí Hlavního pásuHlavní pás – pás planetek mezi drahami Marsu a Jupiteru. Největším tělesem je planetka Ceres (průměr 974 km) objevená v roce 1801. V roce 2005 překročil počet známých těles Hlavního pásu 100 000. Jejich úhrnná hmotnost je ale velmi malá. Existuje zde jen 16 těles s rozměry nad 240 km., destabilizovaných gravitačními perturbacemi Jupiterem, které vyvolaly tzv. pozdní těžké bombardování vnitřních planet sluneční soustavy (podrobnější informace o této fázi vývoje sluneční soustavy nalezne čtenář v AB 3/2015).

Obrázek severní polární oblasti Merkuru, vzniklý složením více snímků. Oblasti vysokého radarového odrazu z pozemských přístrojů jsou vyznačeny žlutě, oblasti, které se během všech průletů Messengeru nacházely ve stínu, jsou vyznačeny oranžově. Je patrné, že všechna místa vysoké radarové odezvy leží na permanentně zastíněných místech, což podporuje hypotézu o tom, že jsou tvořeny vodním ledem. Zdroj: NASA, Johns Hopkins University Applied Physics Laboratory, Carnegie Institution of Washington, National Astronomy and Ionosphere Center, Arecibo Observatory.

První spektroskopická analýza povrchu odhalila, že složení křemičitanové části planety se odlišuje od ostatních terestrických planet, zejména nízkým obsahem železa na povrchu. Svým složením se horniny na povrchu nejvíce podobají pozemskému komatiitu, vyvřelé horniny tvořené utuhnutým vysokoteplotním magmatemMagma – přírodní tavenina vznikající v hlubokých částech kůry nebo pláště planet. Jedná se o směs roztavených minerálů, pevných krystalů a rozpuštěných sopečných plynů. Může mít různé chemické složení a teplotu v závislosti na zdroji, ze kterého vzniklo. Označení magma se používá tehdy, pokud je tavenina pod povrchem, jakmile dosáhne povrchu, využívá se termín láva., pocházejícím z velkých hloubek. Povrch planety také obsahuje vyšší procento těkavých prvků, než kolik vyplývá z modelů vzniku a vývoje planet. Například obsah síry v povrchových horninách je přibližně o řád větší než na Zemi nebo Marsu. Podrobné snímkování povrchu planety s rozlišením až 10 m/pixel odhalilo pozůstatky rozsáhlé vulkanické činnosti, jako jsou rozsáhlé planiny tvořené utuhlou lávou, nebo vulkanické nánosy, které vznikly výrony pyroklastických proudů, tvořených směsí plynů, magmatu a sopečného popela, vytvořených při sopečných explozích. V oblasti usazenin uvnitř kráterů jsou přítomny propadliny, jejichž okolí je na snímcích velmi světlé. Vznikly pravděpodobně únikem těkavých látek v geologicky nedávné době. Tektonická minulost Merkuru byla ovlivněna zejména deformacemi spojenými s kontrakcí planety při jejím chladnutí. Odhadovaný průměr před kontrakcí Merkuru je přibližně o 20 km větší než ten dnešní. Tektonika planety však také byla silně ovlivněna deformacemi při vzniku dopadových kráterů a impaktních pánví.

Chladnutí planety po její akreci způsobilo zmenšení objemu, na což kůra Merkuru reagovala vytvořením četných zlomů, které vytvořily útesy, jako je tento, táhnoucí se z levého dolního rohu směrem vpravo nahoru. Barevné kódování odpovídá topografické výšce – červená nad ideálním povrchem planety, modrá pod ním. Zdroj: NASA, Johns Hopkins University Applied Physics Laboratory, Carnegie Institution of Washington.

V oblasti impaktové pánve Raditaldi se nachází podivné útvary, připomínající „vyžrané díry“. Vznikly patrně lokální erozí, způsobenou únikem těkavých složek. Zdroj: NASA, Johns Hopkins University Applied Physics Laboratory, Carnegie Institution of Washington.

Magnetické pole Merkuru má v prvním přiblížení dipólovou strukturu, která je samozřejmě prostorově silně deformována interakcí se slunečním větremSluneční vítr – proud nabitých částic ze Slunce, které zaplavují celou Sluneční soustavu. Zejména jde o protony, elektrony a alfa částice (jádra hélia). Typická rychlost částic u Země je kolem 500 km/s (rychlost zvuku v tomto prostředí je 50 km/s), teplota 3 eV (30 000 K) a koncentrace několik protonů v cm³. Částice vylétávající podél otevřených siločar mají vyšší rychlost (přibližně 750 km/s) a nazýváme je rychlý sluneční vítr. Sluneční vítr objevil anglický astronom Richard Carrington v roce 1859, kdy bylo za půl dne po slunečním vzplanutí narušeno magnetické pole Země. Pojmenování sluneční vítr pochází od amerického astronoma Eugena Parkera., což ostatně není překvapivé. Zajímavé ale je rozložení indukčních čar procházejících povrchem planety, tedy závislost magnetické indukce na magnetické šířce. Na severu se magnetické siločáry dostávají blíže k magnetickém pólu planety než na jihu. Díky této asymetrii vzhledem ke geografickému rovníku planety je magnetické pole na severní polokouli planety přibližně třikrát silnější než na polokouli jižní. Magnetický rovník planety je vůči geografickému posunut o 500 km (0,2 poloměru planety) severním směrem a tuto asymetrii si pole zachovává i ve vzdáleném magnetickém ohonu planety. Takováto asymetrie nebyla zatím pozorována u žádné jiné planety a nevyplývá ani z modelu planetárního dynama. Obrovské železné jádro planety zaujímá 85 % jejího poloměru a je zčásti kapalné, velikost tuhého vnitřního jádra však není známa. Narozdíl od zemského jádra je však jádro Merkuru obklopeno ještě vrstvou pevného sulfidu železnatého, která teprve dosedá na silikátový plášť.

Model planetárního dynama předpokládá, že magnetické pole je generováno díky konvektivnímu proudění ve vnějším jádru. Hnací silou konvekce je potom radiativní ochlazování povrchu planety. Jenže z měření vyplývá, že plášť planety má všude zhruba stejnou tloušťku, takže asymetrií konvektivnho proudění v severní a jižní polokouli planety asymetrii magnetického pole vysvětlit nelze. Numerické simulace magnetohydrodynamického dynamaMHD dynamo – magnetohydrodynamické dynamo, tekutinová varianta klasického dynama. Elektrické proudy vznikají při pohybu plazmatu nebo tekutého kovu a generují magnetické pole. Dipólová složka se mění na azimutální tzv. omega efektem a azimutální na dipólovou tzv. alfa efektem. Tekutinové dynamo nemůže být stacionární, jeho základní vlastností je překlápění magnetických pólů. ukázaly, že kvazi-stabilní asymetrie magnetického pole lze docílit za předpokladu, že jsou zdroje konvekce rozmístěny v celém objemu jádra (nejen na jeho hranici) a že tok tepla na rozhraní pláště a jádra je u rovníku vyšší než v ostatních částech planety. Na potvrzení této domněnky si budeme muset počkat nejméně do roku 2022, kdy by na oběžné dráze Merkuru měla zaparkovat euro-japonská sonda BepiColomboBepiColombo – společná mise k Merkuru Evropské kosmické agentury ESA a Japonské kosmické agentury JAXA. Start je plánován na rok 2018, k Merkuru by sonda měla dolétnout v roce 2025. Mise bude hledat původ magnetického pole Merkuru, mapovat magnetosféru a provádět detailní testy obecné teorie relativity. Mise počítá s dvěma nezávislými sondami navedenými na oběžnou dráhu kolem planety. Sonda je pojmenována po italském astronomovi Giuseppe Colombovi (1920–1984), objeviteli rezonančního poměru 2:3 mezi oběžnou dobou Merkuru a jeho rotací. Mimo jiné Colombo objevil mechanizmus gravitačního manévru, na jehož principu bylo možné realizovat první (a také všechny další) misi Marineru 10 k planetě Merkur..

Magnetické pole v okolí severního magnetického pólu planety je třikrát silnější než magnetické pole v okolí jižního pólu. Jižní magnetická „polární čepička“, kde jsou siločáry pole otevřené a napojují se na meziplanetární magnetické pole, je proto mnohme větší, než ta severní. Jižní polární oblasti jsou proto více vystaveny vlivům kosmického počasí, způsobeného dopadaním nabitých částic na povrch planety. Zdroj: NASA, Johns Hopkins University Applied Physics Laboratory, Carnegie Institution of Washington.

Pouť sondy Messenger, zakončená dopadem na povrch tohoto nehostinného tělesa, významně rozšířila obzory našeho poznání. Po třiceti letech od návštěvy Marineru 10 jsme se konečně dozvěděli, jak vypadá celý povrch planety. Na mnoho otázek nám sonda odpověděla, ale, jak už to u vesmírných misí (naštěstí) bývá, mnoho nových sama otevřela, a tak se můžeme těšit na další výzkum této unikátní planety.

Odkazy