Největší trpasličí planeta Kuiperova pásu, podvojný systém s Charonem, konvekční ledovec Sputnik Planitia a modravá dusíkatá atmosféra.

Obsah hesla

[Rejstřík]

1.Objev a éra deváté planety
2.Překlasifikování v Praze (2006)
3.Průlet New Horizons (2015): Geologický šok
4.Dvojplaneta Pluto–Charon a další měsíce
5.Modrá atmosféra v hlubinách vesmíru

Pluto: Král Kuiperova pásu a srdce z dusíkatého ledu

Pluto je nejznámější trpasličí planetou naší Sluneční soustavy a největším známým tělesem v rozsáhlé oblasti za drahou Neptunu zvané Kuiperův pás. Po dobu celých 76 let od svého objevu v roce 1930 až do historického hlasování Mezinárodní astronomické unie (IAU) v Praze v srpnu 2006 byl Pluto oficiálně veden jako devátá planeta Sluneční soustavy.

Ačkoli byl v roce 2006 překlasifikován do nové kategorie trpasličích planet, jeho vědecký význam tím naopak nesmírně vzrostl. V červenci 2015 proletěla kolem Pluta americká sonda New Horizons a odhalila neuvěřitelně pestrý, geologicky mladý a aktivní svět s horami z vodního ledu vysokými přes 3 500 metrů, konvekčními dusíkatými ledovci a modravou atmosférou.

1. Objev a éra deváté planety #

Hledání tajemné „Planety X“ inicioval na počátku 20. století americký boháč a astronom Percival Lowell na své observatoři ve Flagstaffu v Arizoně. Lowell byl přesvědčen, že gravitační odchylky v drahách Uranu a Neptunu ukazují na existenci deváté planety.

Úspěch se dostavil až po Lowellově smrti: 18. února 1930 teprve čtyřiadvacetiletý asistent Clyde Tombaugh objevil po měsících vyčerpávajícího porovnávání fotografických desek v blikacím komparátoru nepatrný posunující se bod. Nová planeta dostala jméno Pluto – po římském bohu podsvětí. Název navrhla jedenáctiletá britská školačka Venetia Burney, kterou napadlo, že jméno vládce temnoty se skvěle hodí pro takto vzdálené, mrazivé a temné těleso.

2. Překlasifikování v Praze (2006) #

Na přelomu 20. a 21. století začali astronomové objevovat v Kuiperově pásu desítky dalších velkých těles (Quaoar, Sedna, Makemake, Haumea). V roce 2005 byl objeven objekt Eris, který byl dokonce hmotnější než samotný Pluto. Vědecká komunita stanula před volbou: buď rozšířit počet planet na desítky, nebo vytvořit novou, přesnou definici.

Na XXVI. valném shromáždění IAU v Praze dne 24. srpna 2006 byla schválena nová definice planety. Těleso musí:

Obíhat kolem Slunce.
Mít dostatečnou hmotnost, aby ho vlastní gravitace zformovala do hydrostatické rovnováhy (přibližně kulového tvaru).
Vyčistit okolí své oběžné dráhy od ostatních srovnatelných těles.

Pluto třetí podmínku nesplňuje – v oblasti své dráhy tvoří pouhý nepatrný zlomek celkové hmotnosti těles Kuiperova pásu. Společně s Ceresem a Eridou byl proto zařazen do nově vzniklé kategorie trpasličích planet.

3. Průlet New Horizons (2015): Geologický šok #

Dne 14. července 2015 prolétla sonda New Horizons pouhých $12,500\text{ km}$ nad povrchem Pluta rychlostí přes $50,000\text{ km/h}$ . Namísto mrtvého, krátery rozsekaného světa spatřila neobyčejně dynamickou geologii:

Srdce Pluta (Tombaugh Regio): Obří světlá oblast ve tvaru srdce o průměru přes $1,600\text{ km}$ .
Ledovec Sputnik Planitia: Západní lalok „srdce“ tvoří gigantická bezkráterová pláň z dusíkatého, metanového a uhelnatého ledu. Led zde neustále pomalu konvektuje v polygonálních buňkách o průměru $20-40\text{ km}$ , podobně jako hustá polévka na mírném ohni. Stáří tohoto povrchu je méně než 10 milionů let!
Ledová pohoří: Na okrajích pláně se tyčí monumentální hory Tenzing Montes a Hillary Montes dosahující výšek až $3,500\text{ metrů}$ . Jsou tvořeny tvrdým vodním ledem, který se při teplotě $-230^\circ\text{C}$ chová jako žula a unese váhu obřích horských štítů.
Kryovulkány: Obří osamocené dómy Wright Mons a Piccard Mons o průměru přes $100\text{ km}$ a výšce $4\text{ km}$ s centrálními propadlinami představují kryovulkány, z nichž v minulosti vyvěrala břečka z vodního ledu a těkavých látek.

4. Dvojplaneta Pluto–Charon a další měsíce #

Pluto má mimořádně fascinující rodinu pěti satelitů: Charon, Styx, Nix, Kerberos a Hydra.

Systém Pluta a jeho největšího měsíce Charonu (průměr $1,212\text{ km}$ , více než polovina průměru Pluta!) je v celé soustavě unikátní:

Těžiště ve volném prostoru: Hmotnost Charonu dosahuje celých 12 % hmotnosti Pluta. Společné těžiště (barycentrum) soustavy neleží pod povrchem Pluta, nýbrž v otevřeném prostoru zhruba $960\text{ km}$ nad jeho povrchem. Jedná se o skutečnou podvojnou planetu.
Vzájemně vázaná rotace (Double Tidal Lock): Pluto i Charon jsou k sobě trvale natočeny stále stejnou stranou. Obě tělesa rotují kolem své osy se stejnou periodou, s jakou obíhají kolem barycentra: 6 dní, 9 hodin a 17 minut. Pozorovatel na jedné polokouli Pluta by viděl Charon nehybně stát na obloze, zatímco z odvrácené polokoule by nebyl vidět nikdy.

5. Modrá atmosféra v hlubinách vesmíru #

Při pohledu zpět k zastíněnému Slunci vyfotografovala sonda New Horizons kolem Pluta nádherný modrý závoj atmosféry.

Atmosféra je velmi řídká (povrchový tlak je pouhý $1\text{ Pa}$ , zhruba stomiliontina tlaku na Zemi) a je tvořena převážně dusíkem se stopami metanu a oxidu uhelnatého. Atmosféra dýchá v rytmu ročních období: když se Pluto na své výstřední dráze přiblíží ke Slunci (kolem $30\text{ AU}$ ), ledy sublimují a atmosféra houstne; při vzdálení až na $49\text{ AU}$ plyn opět vymrzá na povrch. Sluneční UV paprsky štěpí metan a vytvářejí desítky soustředných vrstev modravého fotochemického aerosolu sahajícího do výšky přes $200\text{ km}$ .

Odborný astrofyzikální text včetně stavových rovnic, efemerid a spektrální klasifikace.

Profi režim

Termofyzika a dynamika systému Pluto–Charon: Reologie dusíkatého ledu, TPW a barycentrická orbitální mechanika

Pluto ( $M = 1{,}303 \times 10^{22}\text{ kg}$ , $R = 1,188{,}3\text{ km}$ , $\rho = 1,854\text{ kg/m}^3$ ) představuje dynamicky svázaný binární systém s Charonem ( $q = M_C / M_P = 0{,}1218$ ) vykazující nelineární solid-state konvekci a gravitační reorientaci rotační osy (True Polar Wander).

1. Barycentrická orbitální mechanika podvojného systému #

Pro systém dvou těles se srovnatelnou hmotností $M_P$ a $M_C$ leží barycentrum $R_{\text{bar}}$ ve vzdálenosti od středu Pluta:

R_{\text{bar}} = a \, \frac{M_C}{M_P + M_C} = a \, \frac{q}{1 + q}

Kde poloosa vzájemné kruhové dráhy činí $a = 19,596 \pm 0{,}5\text{ km}$ . Dosazením $q = 0{,}1218$ :

R_{\text{bar}} = 19\,596 \times \frac{0{,}1218}{1{,}1218} \approx 2\,128\text{ km}

Protože fyzický poloměr Pluta je $R_P = 1,188{,}3\text{ km}$ , barycentrum leží:

\Delta h = R_{\text{bar}} - R_P = 2\,128 - 1\,188 = 940\text{ km}

Barycentrum se nachází ve volném prostoru téměř tisíc kilometrů nad povrchem Pluta. Vzájemná slapová synchronizace je oboustranná:

\omega_{\text{rot}, P} = \omega_{\text{rot}, C} = n_{\text{orb}} = \frac{2\pi}{P_{\text{sync}}}, \quad P_{\text{sync}} = 6{,}387230\text{ dne}

2. Termální konvekce a reologie ledovce Sputnik Planitia #

Sputnik Planitia ( $170,000\text{ km}^2$ ) představuje impaktní pánev vyplněnou vrstvou dusíkatého ledu ( $N_2$ ) s příměsí $CH_4$ a $CO$ o tloušťce $D \approx 3-10\text{ km}$ .

Povrch je segmentován do polygonálních buněk o charakteristickém průměru $L \approx 20-40\text{ km}$ . Tepelná konvekce v pevném stavu je řízena bezrozměrným Rayleighovým číslem pro viskózní médium:

Ra = \frac{\rho^2 g \alpha \Delta T D^3}{\eta \kappa}

Kde:

$\rho_{N_2} \approx 1,000\text{ kg/m}^3$ je hustota dusíkatého ledu
$g = 0{,}62\text{ m/s}^2$ je povrchové gravitační zrychlení
$\alpha \approx 2 \times 10^{-3}\text{ K}^{-1}$ je koeficient teplotní objemové roztažnosti
$\Delta T \approx 5-10\text{ K}$ je teplotní gradient napříč vrstvou (udržovaný radiogenním tepelným tokem jádra $F \approx 3-5\text{ mW/m}^2$ )
$\kappa \approx 10^{-6}\text{ m}^2/\text{s}$ je teplotní difuzivita
$\eta \approx 10^{14}-10^{15}\text{ Pa}\cdot\text{s}$ je efektivní střižná viskozita $N_2$ ledu při $T \approx 40\text{ K}$

Dosazením hodnot získáváme $Ra \sim 10^7-10^8$ , což vysoce překračuje kritickou hodnotu $Ra_{\text{crit}} \sim 10^3$ . Konvekce v pevném stavu probíhá bouřlivým laminárním režimem s vertikální rychlostí výstupu v centrech buněk:

v_{\text{conv}} \sim \frac{\kappa}{D} Ra^{2/3} \approx 1-10\text{ cm/rok}

Stáří povrchu buněk nepřesahuje $\tau_{\text{turnover}} \sim 5-10\text{ milionů let}$ , což perfektně vysvětluje úplnou absenci impaktních kráterů na ploše celé planiny.

3. Skutečné putování pólů (True Polar Wander) a podpovrchový oceán #

Sputnik Planitia leží téměř přesně na protilehlé straně slapové osy spojující Pluto a Charon (zeměpisná šířka $\approx 15^\circ\text{ N}$ , délka $\approx 175^\circ\text{ E}$ ).

Pravděpodobnost náhodného výskytu takto masivní deprese v těsné blízkosti slapové přílivové osy je nižší než $1,%$ . Pozice je důsledkem gravitační reorientace tělesa (True Polar Wander):

Vznik impaktní pánve vyhloubil původní ledovou kůru.
Následná izostatická odezva způsobila vyboulení hlubokého, hustšího kapalného oceánu ( $H_2O + NH_3$ , $\rho \approx 1,000\text{ kg/m}^3$ ) směrem vzhůru proti méně husté kůře z vodního ledu ( $\rho \approx 920\text{ kg/m}^3$ ).
Pánev byla následně zaplněna hustým dusíkatým ledem ( $\rho_{N_2} \approx 1,000\text{ kg/m}^3$ ).
Vznikla čistá pozitivní gravitační anomálie (kladný hmotnostní přebytek $\Delta M$ ).
Odstředivé a slapové síly v rotujícím systému natočily tuto oblast s přebytkem hmoty směrem k minimálnímu momentu setrvačnosti – přímo na osu směřující od Charonu.

Existence této reorientace je nepřímým, avšak robustním geofyzikálním důkazem přítomnosti parciálně kapalného oceánu pod kůrou Pluta dodnes.

4. Atmosférická sublimační rovnováha a tholinová mlha #

Tlak atmosféry Pluta je svázán s teplotou povrchového dusíkatého ledu $T_{\text{ice}}$ prostřednictvím Clausius-Clapeyronovy rovnice fázové rovnováhy:

P_{\text{sat}}(T) = P_0 \exp\left( -\frac{\Delta H_{\text{sub}}}{R_{\text{univ}}} \left( \frac{1}{T} - \frac{1}{T_0} \right) \right)

Při změně teploty o pouhý $1\text{ K}$ (např. z $37\text{ K}$ na $38\text{ K}$ ) dochází ke zdvojnásobení atmosférického tlaku. Spektrometr Alice na palubě New Horizons detekoval absorpční profily solárních zákrytů prokazující více než 20 oddělených aerosolových vrstev sahajících do výšky přes $200\text{ km}$ , tvořených fraktálními agregáty tholinů o velikosti primárních zrn $\sim 10-50\text{ nm}$ .

5. Vědecké reference a primární literatura #

[1] Tombaugh, C. W. (1946). The Search for the Ninth Planet, Pluto. Astronomical Society of the Pacific Leaflets, 5(209), 73–80.
[2] Stern, S. A., et al. (2015). The Pluto system: Initial results from its exploration by New Horizons. Science, 350(6258), aad1815.
[3] McKinnon, W. B., et al. (2016). Convection in a volatile nitrogen-ice-rich layer on Pluto as a mechanism for the Sputnik Planitia indentation. Nature, 534(7605), 82–85.
[4] Nimmo, F., et al. (2016). Reorientation of Sputnik Planitia implies a subsurface ocean on Pluto. Nature, 540(7631), 94–96.
[5] Gladstone, G. R., et al. (2016). The atmosphere of Pluto as observed by New Horizons. Science, 351(6279), aad8866.
[6] Moore, J. M., et al. (2016). The geology of Pluto and Charon through the eyes of New Horizons. Science, 351(6279), 1284–1293.

Literatura a vědecké reference

Stern et al.: The Pluto system: Initial results from exploration by New Horizons. Science, Vol 350, Issue 6258, aad1815 (2015)[online]
McKinnon et al.: Convection in a volatile nitrogen-ice-rich layer on Pluto. Nature, Vol 534, pp. 82–85 (2016)[online]
Nimmo et al.: Reorientation of Sputnik Planitia implies a subsurface ocean on Pluto. Nature, Vol 540, pp. 94–96 (2016)[online]

Typ	Trpasličí planeta (plutoid / binární systém)
Objevitel	Clyde Tombaugh
Datum objevu	18. února 1930
Metoda objevu	Fotografické porovnání (blikací komparátor)
Stredni prumer	2 376,6 km (0,186× Země, 0,68× Měsíc)
Hmotnost	1,303 × 10^22 kg (0,178× Měsíc)
Prumerna hustota	1,85 g/cm³
Povrchova gravitace	0,62 m/s² (0,063 g)
Stredni vzdalenost od slunce	5,906 miliardy km (39,48 AU)
Perihélium afélium	29,66 AU – 49,30 AU (výstřední dráha)
Obezna doba	247,94 pozemského roku
Doba rotace	6 dní 9 h 17 min (vázaná s Charonem)
Sklon drahy	17,16° k ekliptice
Sklon rotační osy	122,53° (retrográdní rotace)
Povrchová teplota	-230 °C (44 K)
Povrchový tlak	1,0 Pa (mikroatmosféra dusíku a metanu)
Počet měsíců	5 (Charon, Styx, Nix, Kerberos, Hydra)

Hmotnost M	1,303(3) × 10^22 kg
Stredni polomer R	1 188,3 ± 1,6 km
Hustota rho	1 854 ± 6 kg/m³
Hmotnostni pomer Charon Pluto	q = 0,12178 ± 0,00008
Poloha barycentra	2 128 km od středu (940 km nad povrchem)
Vzdalenost Pluto Charon	19 596 ± 0,5 km
Rayleighovo cislo sputnik planitia	Ra ~ 10^7 až 10^8 (solid-state konvekce)
Rychlost obnovy bunek	1–10 cm/rok (stáří povrchu < 10 Myr)
Tloustka dusikateho ledu	3–10 km
Sublimacni entalpie N2	ΔH_sub = 7,2 kJ/mol

Pluto

Pluto

Obsah hesla

Pluto: Král Kuiperova pásu a srdce z dusíkatého ledu

1. Objev a éra deváté planety #

2. Překlasifikování v Praze (2006) #

3. Průlet New Horizons (2015): Geologický šok #

4. Dvojplaneta Pluto–Charon a další měsíce #

5. Modrá atmosféra v hlubinách vesmíru #

Termofyzika a dynamika systému Pluto–Charon: Reologie dusíkatého ledu, TPW a barycentrická orbitální mechanika

1. Barycentrická orbitální mechanika podvojného systému #

2. Termální konvekce a reologie ledovce Sputnik Planitia #

3. Skutečné putování pólů (True Polar Wander) a podpovrchový oceán #

4. Atmosférická sublimační rovnováha a tholinová mlha #

5. Vědecké reference a primární literatura #

Literatura a vědecké reference

AstroHub Podpora

Váš nákupní košík

Pluto

Obsah hesla

Pluto: Král Kuiperova pásu a srdce z dusíkatého ledu

1. Objev a éra deváté planety #

2. Překlasifikování v Praze (2006) #

3. Průlet New Horizons (2015): Geologický šok #

4. Dvojplaneta Pluto–Charon a další měsíce #

5. Modrá atmosféra v hlubinách vesmíru #

Termofyzika a dynamika systému Pluto–Charon: Reologie dusíkatého ledu, TPW a barycentrická orbitální mechanika

1. Barycentrická orbitální mechanika podvojného systému #

2. Termální konvekce a reologie ledovce Sputnik Planitia #

3. Skutečné putování pólů (True Polar Wander) a podpovrchový oceán #

4. Atmosférická sublimační rovnováha a tholinová mlha #

5. Vědecké reference a primární literatura #

Literatura a vědecké reference

Související hesla v AstroWiki

AstroHub Podpora

Váš nákupní košík