Записки дилетанта: Плутон, до "New Horizons"

суботу, 11 липня 2015 р.

Плутон, до "New Horizons"

Пара фотографій, з допомогою яких було відкрито Плутон.
Взято із Wiki

Після багатьох десятиліть очікування(*), після чисельних перипетій(**), автоматична міжпланетна станція (АМС) землян, подолавши неймовірну віддаль(***), зовсім-зовсім скоро пролетить поруч із Плутоном -- ще одним загадковим світом нашої Сонячної системи. За мінімального везіння -- повністю перевернувши наше уявлення про нього.

Про саму станцію, New Horizons, напишу трішки пізніше -- на жаль, недостача часу та втома і так відтягнули написання цього тексту до самого "далі нікуди". А зараз -- трішки про те, що ж ми знаємо про Плутон станом на першу половину 2015 року.

Отож, Плутон, до-"Ново-Горизонтна" ера.

Різноманітна інформація

Друга за розміром відома карликова планета(****), найбільший представник поясу Койпера. Поступається за масою Ерісу, (27%!), можливо, за об'ємом -- найбільша в своєму класі (із вже відомих, звичайно, але так виглядає, що тіла, співмірні із Плутоном ближче 100 а.о. знайти не вдасться).

Порівняння розміру карликових планет за орбітою Нептуна між собою та із Землею.
(с) Nasa, Wiki
Насправді, зовсім крихітна -- приблизно 1/6 маси Місяця, та 1/3 його об'єму. Для любителів чисел, кращі наземні результати наведено тут: "Pluto's atmosphere from stellar occultations in 2012 and 2013", 1190 +/- 5, якщо вважати, що тропосфери немає, 1168 - 1195 км, якщо є (грубо, 1182 +/- 14 км) -- результат залежить від використаної моделі атмосфери, уточнення якої є однією із задач New Horizons, ~~радіус 1184±10 км, діаметр -- 2368 км~~ [закреслено помилково наведені спочатку вже уточнені дані]. Тобто, 0.18 діаметра Землі; площа поверхні \(1.665\cdot 10^7 км^2\) або 0.033 земної, приблизно така ж, як площа Росії; об'єм \(6.39\cdot 10^9 км^3\), або 0.0059 земного, маса (1.305±0.007)×\(10^{22}\) кг, або 0.00218 земної чи 0.178 маси Місяця.
З іншого боку, він більше ніж вдвічі більший за Цереру, і більше ніж на порядок масивніший (в ~14 раз). Взагалі, в 2014 вийшла робота, де отримано діаметр 2368 км -- більший за Еріс... (*****) Будемо зовсім скоро подивитися.
Складається, в основному, з льоду та каменю, середня густина 2.03±0.06 г/см.
Прискорення вільного падіння на поверхні -- 0.655 \(м/с^2\), або 0.067 g. Перша космічна швидкість -- 1.229 км/с. (Раптом колись зразки захочемо назад привезти...)
Орбіта сильно витягнута, віддаль від Сонця -- між 30 і 49 астрономічних одиниць, (48.871х29.657 а. о., ексцентриситет 0.24-0.25), або між 4.4–7.4 мільярдів кілометрів --- періодично знаходиться ближче до Сонця, ніж Нептун, але завдяки орбітальному резонансу (2:3) та іншим схожим механізмам, не може зіткнутися із ним (******). Останній раз Плутон був ближчим до Сонця ніж Нептун з 7 лютого 1979 по 11 лютого 1999. При тому, найближче до Сонця пройшов у 1989.

Орбіта Плутона та Нептуна.
(c) Wiki
Про його "інтимні" зв'язки із Нептуном див. також тут: "Pluto# Origins".
Орбіта сильно нахилена до площини екліптики -- 17 градусів:

Рух Плутона відносно площини екліптики. В принципі, і решта планет цілком впізнавані.
(c) Wiki
Тривалість року: 247.68 земних років, ( 90465 земних днів), або 14164.4 днів Плутона.

Рік на Плутоні.
(с) Emily Lakdawalla after Candy Hansen
Тривалість доби: 6 земних днів, 9 годин 17.0 хвилин.
Нахил осі обертання до площини орбіти: 119.591°±0.014°. Фактично, як і Уран, обертається "лежачи на боці", полярні дні та ночі охоплюють четвертину планетки.
Альбедо: 0.49 to 0.66, географічна варіація 35%.
Температура поверхні: 33 -- 55 K, середня 44 K (−229 °C). Холодно.
Видима зоряна величина: 13.65-16.3, середня 15.1. Абсолютна зоряна величина: −0.7. Видимий (із Землі) кутовий діаметр: 0.065″ to 0.115″.
Поверхня на 98% покрита азотним льодом, із слідами метану та СО. Та сторона, яка повернена до Харона, трішки збагачена метаном, протилежна -- СО та азотом. Також, там мав би бути присутнім водяний лід.
Має атмосферу. Про неї трішки детальніше нижче.
Має 5 супутників: Харон (відкритий в 1978), Стікс (2012), Нікта (2005), Цербер (2011), Гідра (2005). Про них теж написано окремо.

Фото супутників Плутона. "Хаббл".
(c) NASA, Wiki
Харон -- найбільший, із діаметром, трохи більше за половину діаметра самої планети. Так як барицентр -- центр мас системи і, "за сумісництвом", точка, навколо якої обертається система, знаходиться за межами планети, іноді пару Плутон-Харон називають подвійною планетою. Вони завжди повернені один до одного тією ж стороною.

Взаємний орбітальний рух Плутона та Харона.
(c) Wiki
Решта супутників -- "дріб'язок", космічне сміття, типу Фобоса з Деймосом.

Відкрито в 1930, в значній мірі -- завдяки співпадінню. Дівчинка, яка, фактично, його назвала, померла зовсім недавно. Керівник місії "New Horizons" стверджує, що частка попелу першовідкривача Плутона, Клайда Томбо, знаходиться на борту станції.

Венеція Берні, дівчинка, яка придумала назву "Плутон" для свіжо-відкритої планети. На фото їй 11 років -- якраз той час. (c) Wiki

Візуально, згідно до-New Horizons даних, дуже контрастний -- в порівнянні із іншими тілами Сонячної системи, звичайно. Колір від чорного-чорного, як сажа, через оранжевий, до білого.
Теоретичні розрахунки показують (*7), що тепла всередині, завдяки радіоактивному розпаду, мало б виділятися досить для того, щоб планетка диференціювала. Ймовірно, кам'яне ядро має діаметр в 70% діаметру Плутона. Вище -- мантія із льоду та кора із замерзлого азоту. Так як радіоактивний розпад ще не завершився (до речі, на мить повернувшись до нашої планети, думаєте, енергія земних вулканів, землетрусів, руху континентів, звідки? ;-), не виключено існування океану під льодом. (Див. "Pluto on the Eve of Exploration by New Horizons: Is there an ocean, or not?").

Теоретична модель внутрішньої будови Плутона.
(c) Wiki

Вважається, що Плутон, разом із іншими тілами поясу Койпера (як і тіла, більш далекі -- з розсіяного диску, ймовірно, аж до хмари Оорта) є планетоземаллю -- залишком формування планет із прото-планетного диску.

Що там можна ще очікувати -- див, наприклад "Pluto on the Eve of Exploration by New Horizons: Small moons, dust, surfaces, interiors", та взагалі, посилання внизу.

Атмосфера

Має атмосферу. Їй наявність запідозрили в 1985, підтвердили в 1988. Періодично -- зими холодні, вимерзає. Тому, почнемо із тиску.

Дані (але першоджерела не бачив -- не знаю подробиць) за 1988 вказували на тиск 0.15 Паскаль.

Що цікаво, хоча після 1989-го Плутон віддаляється від Сонця і температура падає, вперше за 120 років показалася сонячному випромінюванню північна полярна шапка, сублімація якої підкинула матеріалу атмосфері. Тому, тиск, навпаки зріс, в 2003 було отримано 0.3 Па.

В 2013, згідно статті "Pluto's Atmosphere Does Not Collapse" (популярний огляд якої див. нижче), атмосферний тиск складав 0.27 ± 0.02 Па, або -- 1/370 000 від земного.

Для порівняння, атмосферний тиск у нас \(10^5\) Паскаль -- в сотні тисяч раз більший. Навіть на Марсі тиск в багато сотень раз вищий -- 400-870 Паскаль, хоча і там тиск теж дуже залежить від пори року.

Виміри тиску атмосфери Плутона (чорні кружечки) та різні моделі її поведінки. Подробиці див. огляд "Pluto's atmosphere does not collapse (2013)" та відповідну оригінальну статтю.

А тепер про веселе. Вимірювання тиску на такій віддалі річ складна, здійснюється із використанням затемнення зірок Плутоном -- перш ніж сховатися за планетою, вони якийсь час видимі скрізь її атмосферу. При цьому доводиться користуватися тією чи іншою моделлю згаданої атмосфери. Наприклад, в роботі 2008 року, "Pluto's lower atmosphere structure and methane abundance from high-resolution spectroscopy and stellar occultations", тиск оцінено в 0.65-2.4 Паскаль. Нічогенький такий діапазон... Особливо, якщо порівнювати із результатами, описаними вище. Тому критично необхідна космічна станція, яка роздивиться все на місці, поміж іншого, даючи можливість калібрувати наземні дані.

Трішки про склад. Основний газ атмосфери -- азот, присутні метан (0.44 %), чадний газ --- СО, сліди етану. Атмосфера явно перебуває у рівновазі із поверхнею, покритою льодом тих же газів.

Завдяки метану -- парниковому газу, існує температурна інверсія -- на висоті 10 км над поверхнею, температура вища на 36 К. Поверхня, у свою чергу, охолоджується сублімацією азоту.

Фото

Підсумовуючи, далека, крихітна, замерзла, але загадкова і чимось приваблива планетка (згадати тільки, скільки було шуму з приводу її виключення із списку "повноцінних" планет. :-). Крім того, дуже цікава і з наукової точки зору -- перший (можливо, крім Тритона) об'єкт з поясу Койпера, залишок епохи формування Сонячної системи, хоч і не такий незайманий, як більш далекі об'єкти, який буде досліджено земною АМС.

При чому, об'єкт складний:

система із п'яти супутників, поступається в цьому лише планетам-гігантам;
подвійна планета із нетривіальною динамікою;
помітною азотною атмосферою, в якій, завдяки метану та фотохімії, можуть утворюватися складні сполуки;
сезонними змінами, помітними за півдесятка мільярдів кілометрів;
загадковими структурами на поверхні, можливим підповерхневим океаном, і т.д.

При чому, атмосфера Плутона дозволяє подивитися, як поводилися ранні (примітивні) атмосфери планет Земної групи --- єдиний випадок гідродинамічного втікання, який зараз існує (це коли теплова енергія верхніх шарів достатня, щоб молекули з високою ймовірністю могли подолати першу космічну і втекти -- як колись у "наших" планет втікав водень), а її наявність та відсутність атмосфери у Харона --- вивчити динаміку кратероутворення (на Хароні поверхня мала б модифікуватися, стираючи старі удари, значно повільніше, ніж на Плутоні, де постійно відбувається сублімація-конденсація).

Якщо цього мало, на Землі лише одна сполука постійно змінює агрегатний стан -- вода, на Марсі -- дві, вода і вуглекислий газ, а на Плутоні -- аж три, азот, метан та чадний газ! Ну і, на останок, на Тритоні виявлено кріовулкани/кріогейзери. Чи будуть вони на Плутоні або Хароні?

Хоча перші "карти" намагалися робити ще у 1980-х -- досліджуючи зміну яскравості під час покриття Плутона Хароном, реально щось побачити вдалося завдяки "Хабблу". Однак, навіть для нього це було дуже складно (про те, як фактично будувалися хабблівські фото, див., наприклад, тут: "How the Pluto maps were made"). Ось краще, що вдалося отримати за всі ті роки:

Перша карта -- отримана із даних про затемнення, за 1954-1990 (опубліковано в 1992).
Друга та третя -- "Хаббл", дані 1994 (публікація 1997, інший аналіз тих же даних -- 2010), друга -- в ультрафіолеті, третя -- в синьому світлі (детальніше див. за посиланням).
Останніх дві -- "Хаббл", дані 2002-2003 року, в синьому та зеленому (остання) світлі.
На жаль, після останніх ремонтів, на "Хабблі" не залишилося камер, здатних розділити Плутон -- щоб він займа більше одного пікселя.
(c) Marc W. Buie, Southwest Research Institute

Як видно --- не вражає... Крім того, різні карти хоч і схожі, але відмінні. Зокрема, південні регіони потемніли, а північні стали яскравішими. Толком не зрозуміло, різниця викликана реальними сезонними змінами чи є артефактом методів побудови зображень. З іншого боку, "почервоніння" за той час однозначне.

При чому, так як Плутон на зображеннях із "Хаббла" займає лише декілька (!) пікселів, для отримання карт вище було зроблено сотні фото, які потім 4 роки аналізувалися двома десятками комп'ютерів!

Кольорову карту, знаючи, з чого складається поверхня та спектр цих складових, можна зобразити якось так:

Оцінка вигляду Плутона в кольорі, за даними "Хаббла".
Альтернативне "зафарбовування" див. тут.
(с) Marc W. Buie, Southwest Research Institute

Кольоровий "глобус" Плутона за даними "Хаббла" 2002-2003 років.
(с) NASA / STScI

Супутники

Щодо супутників -- вони взагалі просто крапочки. Навіть Харон. Чотири із них не були б відкриті, якби до Плутона не приглядалися так ретельно з приводу візиту New Horizons -- це велика нагода відкалібрувати земні виміри відносно спостережень зблизька.

Всі вони обертаються навколо Плутона в одній площині, а так як він нахилений до екліптики на 120 градусів, ми цю систему бачимо "зверху". Це ускладнює роботу станції --- з одного боку, слід встигнути оглянути все, пролітаючи через систему майже перпендикулярно, з іншого -- між супутниками може бути всіляке сміття, такі собі кільця, тому багато уваги довелося приділяти безпеці станції.

Траєкторія прольоту New Horizons через систему Плутона. Взято на сторінці, де відображається її поточне положення: "Current Position".

Припускається, що вони виникли в результаті зіткнень Плутона із іншим тілом співмірного розміру (аналогічна теорія домінує зараз і в поясненні походження нашого Місяця). Не виключено, що це тіло "вижило" і стало Хароном.

Малюнок (не фото!) супутників Плутона, в масштабі.
(c) NASA/ESA/M. Showalter (SETI)/G. Bacon (STScI), NASA/ESA/A. Feild (STScI)

В порядку віддалі від центральної планети:

Харон:

Достатньо великий, щоб бути в гідростатичній рівновазі -- по іншому, близьким до сфери.
Не виключено існування кріогейзерів на його поверхні --- виявлено сліди гідратів аміаку в кристалічній формі, яка в космічних існує не дуже довго (за розрахунками, порядку 30 тисяч років), перетворюючись в аморфну, під дією сонячного випромінювання. [Скоро знатимемо!]
Орбіта -- 17536±4 км від барицентру, 19571±4 км від поверхні Плутона (~17.5 тисяч км). Середня віддаль між їх поверхнями -- 19 570 км.
Ексцентриситет нульовий -- орбіта практично кругла. Нахил орбіти до екватору Плутона практично нульовий (0.001°).
Середній радіус: 603.5±1.5 км (0.095 радіусів Землі).
Площа \(4.58×10^6 км^2\) або 0.095 земної, об'єм: \(9.027×10^8 км^3\) або 0.0008 земного.
Маса: (1.52±0.06)×\(10^{21}\) кг, або \(2.54×10^{−4}\) земної, або 11.6% від маси Плутона.
Густина -- 1.65±0.06 \(г/см^3\). Із неї оцінюється, що він на 55 ± 5% складається із каменю та на 45% із льоду (в Плутона каменю 70%-65%).
Прискорення вільного падіння -- 0.278 \(м/с^2\), або 2.8% земного (0.028 g).
Перша космічна швидкість: 0.58 км/с.
Температура поверхні: −220 °C (53 K).
Альбедо: 0.36-0.39, видима зоряна величина 16.8, абсолютна зоряна величина: 1.

Відкрито в 1978, вперше побачили як невелику асиметрію Плутона, виступ, що рухався із періодом обертання планети:

Перші фото Харона. Темні плями -- Плутон, виступ зверху-праворуч на лівому зображенні --- Харон.
(с) U.S. Naval Observatory / Wiki

Вперше розділити їх зміг "Хаббл":

Плутон і Харон. "Хаббл", ще до корекції оптики -- 1990 р.
(c) NASA
На відміну від Плутона, вкритий водяним льодом (який, за такої температури, дуже твердий і практично не сублімується).
Помітної атмосфери не має.
Екватор трішки світліший за полюси.

Все...

Стікс

Тьмяний і крихітний -- просто каменюка.
Радіус орбіти: 42 656±78 км.
Ексцентриситет: 0.0058, практично нульовий.
Орбітальний період -- 20 днів (20.16155 ± 0.00027).
Радіус -- між 4 і 14 км.
Видима зоряна величина: 27±0.3.
Відкритий в 2012, за даними "Хаббла", отриманими в рамках підготовки до прольоту АМС.

Нікта (Nyx):

Радіус орбіти: 48 694 ± 3 км.
Ексцентриситет: 0.0020, практично нульовий.
Орбітальний період -- 25 днів (24.85463 ± 0.00003).
Розміри -- 56 km × 26 km ± ? км, сильно не-сферичний.
Альбедо 0.04–0.35...
Обертається хаотично.
Температура: 33–55 K.
Видима зоряна величина: 23.38–23.7.
Відкритий в 2005, за даними "Хаббла".
Нікта -- мама Харона.

Цербер (Кербер -- Kerberos):

Ще одна каменюка.
Радіус орбіти: 57 783±19 км.
Ексцентриситет: 0.0033, практично нульовий.
Орбітальний період -- 32 дні (32.16756±0.00014).
Розміри -- 15 км (7 - 22 км...)
Альбедо 0.06 -- 0.35...
Видима зоряна величина: 26.1±0.3.
Відкритий в 2011, за даними "Хаббла", отриманими в рамках підготовки до прольоту АМС.

Гідра:

Радіус орбіти: 64 738±3 км.
Ексцентриситет: 0.0059, практично нульовий.
Орбітальний період -- 38 днів (38.20177±0.00003).
Розміри -- 58 km × 34 km ± ? км, сильно не-сферичний.
Альбедо 0.04–0.35...
Обертається хаотично.
Температура: 33–55 K.
Видима зоряна величина: 22.9–23.3.
Відкритий в 2005, за даними "Хаббла".

"Нові горизонти", наближаючись до системи, відкриває нам все більш детальніші подробиці, Плутон перетворюється із плямки на геологічне тіло. Вже зараз ми його бачимо значно краще, ніж описано вище. Але про це -- в наступному пості.

Виноски

(*) Voyager-1... -- мав шанс відвідати Плутон, але віддали перевагу більше детальному дослідженню Титану. Виправдане рішення в тих умовах, немає ради.

(**) "The Pluto Campaign: A Successful Advocacy Effort to Send a Mission to Pluto" --- цитуючи, "The Bush Administration cancelled it twice, NASA claimed its budget couldn't cover it and Congress earmarked funds to be cut in mid-development; yet the trail-blazing New Horizons Pluto-Kuiper Belt mission has survived. This is no doubt due in part to the relentless public campaigning led by The Planetary Society."

"New Horizons is a Triumph for Space Advocates" -- "But remember this: New Horizons—what will be NASA’s greatest success of 2015—was cancelled multiple times in its early life, and many times before that in its previous incarnations. A mission to Pluto was not inevitable, despite the overwhelming scientific and public excitement. Same for Europa.

New Horizons (and the current state of the Europa mission) exist because of the unyielding commitment of many individuals within NASA, the scientific community, and external advocates like The Planetary Society. Back in the early 2000s, we were an aggressive force in lobbying for Pluto, making numerous visits to Capitol Hill and triggering over 25,000 letters of support from its members (then board member Bill Nye has vivid memories carting those around Congress). The industry magazine Aviation Week even presented us with a “Laurel” award for our Pluto advocacy efforts in 2002."

(***) Зараз (11-07-2015) до нього 7.5 мільярдів кілометрів, а летів апарат далеко не по прямій.

(****) Одна із причин "пониження у ранзі". Хоча, звичайно, важливішим була виразна відмінність у фізичних властивостях від решти планет. Цитуючи вікіпедію: "Карликова планета — небесне тіло, що обертається безпосередньо навколо Сонця (тобто, не є супутником іншої планети), має достатню масу, щоб гравітація надала їй гідростатично-рівноважної форми, проте не розчистила околиці своєї орбіти від інших подібних тіл — вони «не домінують» на своїй орбіті."

(*****) Lellouch, Emmanuel; de Bergh, Catherine; Sicardy, Bruno et al. (13 March 2014). "Exploring the spatial, temporal, and vertical distribution of methane in Pluto's atmosphere".

(******) Ну, принаймні на періоді десятки мільйонів років. Див. про детермінований хаос в русі планет та "Stability of the Solar System".

Про орбітальні резонанси Сонячної системи: "SP-345 Evolution of the Solar System: 8. RESONANCE STRUCTURE IN THE SOLAR SYSTEM",

(*7) Про те, що це за моделі, як розуміти згадки про них, але на іншому прикладі, див., наприклад, цю серію постів: "Чим займаються фізики-теоретики".

Посилання