Bolygótudomány: Működés közben

 

 

Bolygótudomány:

működés közben elkapva

Talán most láthatunk a Naprendszer legkülönlegesebb objektumai közül néhányat dicsőségük legritkább pillanatai közben.

 

Maggie McKee

 

Forrás:

Nature, 30 January 2013

Fordította: Konkoly Dávid

 

 

 

 

Mióta Kopernikusz megfosztotta a Földet a Naprendszer központját érintő kivételezett helyzetéből, a kutatók magukévá tették azt a gondolatot, hogy az Univerzumban elfoglalt időnk és helyünk tekintetében semmi különös nincs. Amit a megfigyelők ma látnak, feltevésük szerint milliárd évek óta zajlik — és folytatódni fog még hosszú korszakokon át.

Azonban az elmúlt pár évben a Naprendszer távoli hatósugarában tett megfigyelések kikezdik ezt az elképzelést. A legaktívabb égitestek — a Jupiter Io holdja és a Szaturnusz Enceladus ill. Titán holdjai — lehetséges, hogy korlátozott „mozgásbemutatót” tartanak, így az ember szerencsés, hogy mindennek tanúja lehet. A Szaturnusz csodálatos gyűrűi is viszonylag nem túl rég jelenhettek meg, és idővel „elkophatnak” (fakulhatnak). Ezek a megfontolások a bolygókutatókat kényelmetlen helyzetbe hozzák, mert statisztikailag valószínűtlen, hogy az ember akárcsak egy objektumot is szokatlan aktivitás közben kapjon el — pláne nem többet.

Ezen megközelítések szintén szembe mennek a geológia alapelveinek magjával: az uniformitarianizmussal, amely azt állítja, hogy a bolygók fokozatos, előrehaladó folyamatok által alakulnak. “A geológusok azon formájukban szeretnek tekinteni a dolgokra, amilyenek korábban valaha is voltak” — mondja Jeff Moore, a Kalifornia államban található Moffett Field-i NASA Ames Research Center [Ames Kutatóközpont] bolygókutatója. A változatlan világ” filozófiailag kényelmes, mert nem kell azzal az alapfeltevéssel élned, hogy különleges időben élsz” — mondja ő.

Azonban időnként a rendelkezésre álló bizonyítékok arra kényszerítik a kutatókat, hogy tágítsák a komfortzónájukat. Ezúttal a Nature magazin megvizsgál néhány olyan “fagyott” világot, amely valamilyen nem szokványos látványosságot hordoz magán.

 

 

A Szaturnusz gyűrűi

 

A kutatók sokáig úgy gondolták, hogy a Szaturnusz a maga csodálatos díszét életének elején szerezte, mintegy 4 milliárd évvel ezelőtt. A gyűrűk lehetnek egy sérült hold vagy egy hatalmas bolygó gravitációja által leszakított üstökös fénylő maradványai.

Azonban egyes bolygókutatók azt mondják, hogy a gyűrűk csillogását nehéz összeegyeztetni milliárd évnyi életidővel1. A gyűrűk részecskéi 90%-a vízjég és az idők folyamán elsötétedik az üstökösökből és aszteroidákból származó széntartalmú por miatt. “Ha az összes többi bolygó — Jupiter, Uránusz és Neptunusz — gyűrűire nézünk, ezek mind nagyon sötétek,” mondja Jeff Cuzzi, az Ames bolygókutatója. “Ez olyasvalami, amit erősen szennyezett anyagoktól vársz el.”

Cuzzi szerint a Szaturnusz gyűrűinek ragyogása arra utal, hogy valami — talán egy jeges betolakodó a Neptunuszon túlról vagy magának a Szaturnusznak egy nagy holdja — letörhetett a bolygó közelében és alakította ki a gyűrűket az elmúlt több száz millió év során, amely a bolygó eddigi életidejének kevesebb, mint 10%-a. A ragyogás múlandó, mivel a gyűrűk az idő múlásával “egyre csak fakulnak” — mondja Cuzzi.

Azonban a fiatal gyűrűs elképzelésnek is megvannak a maga nehézségei. Az olyan nagy testek, amelyek kialakíthatták a gyűrűket, össze-vissza repdesnek az egész Naprendszerben, annak első mintegy 700 millió éve óta, de azóta sokkal ritkábbak. Nagyon pici esélye van annak, hogy egy ilyen nagy objektum elsüvített a Szaturnusz mellett az elmúlt egymilliárd évben, mondja Cuzzi. Hasonlóképpen — teszi hozzá — nehéz lenne megmagyarázni, hogy egy meglehetősen nagy hold, amely formálta a gyűrűket, hogyan eshetett elegendően közel a bolygóhoz ebben az időkeretben.

Az eredeti cikk kép felírata: A Szaturnusz B gyűrűje (balra) annyira fényes, hogy egyes kutatók azon tűnődnek, vajon elég fiatal-e.

Egy másik lehetőség, hogy a gyűrűk milliárd évekkel ezelőtt alakultak ki, de valahogy megőrizték fiatalos csillogásukat. Ez lehet a helyzet abban az esetben, ha legalább tízszer sűrűbbek, mint ahogy korábban gondolták, így a pornak eddig csak kis hatása volt rá. “Ha van egy gyűszűnyi fekete festéked, és ezt beledobod egy gallonnyi fehér festékbe, akkor elég sötét lesz”, mondja Cuzzi. “De, ha úszómedencébe dobod, akkor nem.”

Ez a magyarázat elnyeri Robin Canup tetszését, aki a coloradói Boulderben található Southwest Research Institute [Southwest Kutatóintézet] bolygótudományi igazgatóságának társult alelnöke. “Nem ismerek semmi olyan ésszerű módot, ahogyan mostanság ezek a gyűrűk kialakulhatnának,” mondja ő.

Egyelőre nincs bizonyíték semmilyen hiányzó anyagra (tömegre). Azonban ez a hiányzó tömeg megbújhat a legnagyobb gyűrűben (B gyűrűként van feltüntetve), amely olyan áttetsző, hogy a kutatók nem képesek vizsgálni az összetételét a fényáteresztő képességének megmérésével. Erre a rejtélyre a megoldás hamarosan a Cassini űrhajóról érkezhet, amely 2004 óta a Szaturnusz körül kering. A Cassinit 2017-ben, a tervezett élettartamának a végén, a küldetés irányítói a bolygó és a legbelső gyűrű közé fogják küldeni. Az űrsikló különböző bolygóközi távolságokon tett mozgását összehasonlítva a gyűrűk tömege példátlan pontossággal fog feltárulni, mondja Cuzzi.

Azonban Canup arra figyelmeztet, “hogy ha a Cassini eredményei a gyűrűkre alacsonyabb tömeget fognak mutatni, akkor ez egy valódi rejtély lesz”.

Az eredeti cikk kép felírata: Az Enceladus rücskös felszíne arra utal, hogy számottevő geológiai aktivitás ment végbe rajta.

 

Enceladus

Az Enceladus egy mesebeli hold. Ahogy a Szaturnusz körül kering, egy ragyogó jégösvényt formáz — az E gyűrűt —, a vízi gejzíreknek köszönhetően, amelyek a déli sarkáról erednek. Azonban a kutatók nehezen tudják magyarázni, hogyan tudja fenntartani ezt a fajta aktivitást. Az Enceladus 16 gigawattnyi hőt ad ki magából: tízszer többet, mint amennyit a szakemberek szerint termelnie kellene a radioaktív elemek bomlásából, az ár-apály melegedés belső és legegyszerűbb modellje, a hold felszínének ingadozása alapján, melyet a Szaturnusz erős gravitációja okoz.

Számos magyarázat kísérelte meg értelmezni ezt az intenzív hőkibocsátást, azonban mindegyik azokra az érvekre támaszkodik, melyek szerint a kutatók a holdat egy kitüntetett időszakban vizsgálták. Az egyik ilyen javaslat, melyet Craig O’Neill, a Macquarie University [Macquarie Egyetem] (Sidney), és Francis Nimmo, a University of California [Kaliforniai Egyetem] (Santa Cruz) bolygókutatói terjesztettek elő, azt mondja, hogy 100 millió és 1 milliárd év közötti időtartamon túl az árapály mozgásokból származó belső nyomás és feszültség termelhetett elegendő hőt ahhoz, hogy megrepessze a hold kérgét, energiát és vízgőzt juttatva a világűrbe2.

Ilyenfajta aktivitás mindössze 10 millió éven át tarthatott, mielőtt a kéreg lehűlt és a gejzír élettartama végéhez ért. Ezután a hőtároló ciklus ismét beindult. “Ez félrevezető érvelésnek látszik — mi éppen elkaptuk működés közben”, mondja O’Neill, visszhangozva azokat a kritikákat, hogy hallgatott, miközben konferenciákon a modell lett bemutatva. Azonban rámutat arra, hogy a körfolyamat olyasmi volt, mint a gejzírek az USA-beli Yellowstone Nemzeti Parkban, a hosszabb időtartamot leszámítva.

 

Az epizódszerű lemezmozgások egy másik ellentmondásra is válaszul szolgálhatnak: arra, hogy a hold bizonyos részei miért tűnnek különböző korúaknak; egyes területeket kráterek és más olyan sima felületű régiók szegélyeznek, melyeket feltehetően egy frissebb porréteg fedett be. A felszíneknek egy hasonló elrendezése látható több más holdon, mint például a Jupiter hatalmas Ganümédeszén és az Uránusz kis Mirandáján.

Ha ezek is keresztülmentek volna az aktivitás körforgásán, akkor az Enceladus kevésbé lógna ki a sorból. Bármely adott időben jó lehetőség lett volna arra, hogy ezek közül legalább egy keresztülmenjen egy mozgalmas időszakon, mondja O’Neill.

A rejtély tehát az, hogy a Szaturnusz Mimas nevű holdja, amely közelebb fekszik a hatalmas bolygóhoz, mint az Enceladus és ezért nagyobb ár-apály aktivitásnak van kitéve, miért nem mutatja jelét semmilyen tektonikus aktivitásnak.

Nimmo azt mondja, hogy a Mimas olyan eltérő belső összetétellel rendelkezhet, amely túl merevvé teszi a deformálódással szemben, azonban elismeri, hogy ez csak egy lehetőség. “A Mimasnak több hőt kellene termelnie, mint az Enceladusnak, de ez még sincs így, és nem igazán értjük, hogy miért” mondja.

A Cassini 2015 és 2017 között további nyomokat fog gyűjteni az Enceladus déli pólusáról készített képek alapján, olyan méréseket végezve, melyek finomíthatják a gejzírek hőkibocsátásával kapcsolatos becsléseket.

Az eredeti cikk kép felírat: Az Enceladus déli sarkáról vízsugarak gőzölögnek ki.

“LEHETSÉGES, HOGY EGYSZERŰEN NEM ÉRTJÜK EZEKET.”

Az eredeti cikk kép felírata: Az Io pályája leállíthatja a hold vulkánjait, mint amilyenek ezek a kitörni készülő kráterek.

 

IO

Hőkibocsátás szempontjából az Enceladus egy szentjánosbogár a Jupiter Io holdjának kohójával összehasonlítva. A Naprendszer vulkanikusan legaktívabb objektuma az Io, amely vulkanikus jellemzők százait rejti magában, néhányuk 500 kilométerre ként és kén-dioxidot lövell ki az űrbe — olyan távolságba, amely a Földről tovább ér el, mint a Nemzetközi Űrállomás. Azonban az Io által kibocsátott 90.000 gigawattnyi hő sokszor több, mint amennyi a Jupiter és holdja közötti árapály interakciók legegyszerűbb modelljeiből várható lenne. Ez az eltérés arra utal, hogy az “Io bizonyos periódusokban vulkanikusan aktívabb, mint más holdak”, mondja David Stevenson, a pasadenai California Insitute of Technology [Kaliforniai Műszaki Egyetem] bolygókutatója.

Egy lehetséges magyarázat az, hogy az Io pályája periodikusan változik. Az Io jelenleg egy kissé megnyújtott, furcsa pályát ír le a Jupiter körül, köszönhetően két másik hold, az Európa és a Ganümédész gravitációs hatásának. Minden esetben, amikor az Io tesz egy kört a Jupiter körül, a másik két hold lök rajta egyet, “mint a gyermek a hintán”, mondja Stevenson, megakadályozva ezzel a Jupiter tömegvonzását attól, hogy az Io-t egy tökéletesen kör alakú pályára állítsa. A különc mozgás felerősíti az árapály-ferdülést, amely mintegy 10 méterrel deformálja az Io felszínét minden egyes keringésnél. A görbülésből származó súrlódási hő vulkanikus kitörések során szabadul fel.

Azonban ugyanez a folyamat energiát von el a keringéstől, így az Io adott esetben nem tud a rá következő körében olyan messzire eltávolodni a Jupitertől. Végső soron, amint az energia belső hővé alakul át, az Io pályája még inkább kör alakúvá válik, amelynek következtében az árapály erők gyengülnek, és a hold lehűl. Aztán millió évek során az Európa és a Ganümédész ráteheti az Io-t egy szeszélyesebb pályamenetre — sokszor megismételve ezt a fajta különcséget, mondja Stevenson — és a folyamat újrakezdődik.

Valéry Lainey, a Párizsi Obszervatórium bolygókutatója egyetért abban, hogy az Io pályája hordozhat magán ilyen ciklikus változékonyságot. Néhányan támogatják azt a feltevést, hogy az Io több, mint egy évszázada tartó megfigyelései azt mutatják, hogy pályája egyre inkább kör alakúvá válhat3. Amennyiben így van, úgy a hold intenzív vulkanikus aktivitása hanyatlóban van.

A holdpályák ilyen átalakulásai “megfelelhetnek az adatoknak”, mondja Stevenson. Bár a természet bővelkedik ciklikus mintázatokban, mondja, az Io  viselkedése, akárcsak az Enceladus holdé, annyira meglepően változékonynak mutatkozik, hogy “lehetséges az, hogy egyszerűen nem értjük őket”.

 

TITÁN

Amikor a Cassini elküldte Huygens-szondáját a Szaturnusz legnagyobb holdjának homállyal burkolt atmoszféráján keresztül, a kanyargós folyómedreknek olyan látképére derült fény, amely nagyban hasonlít a Földére egy nagy csavart kivéve: az a folyadék, ami a felszín nagyobb részét kivájja, metán, amely szénhidrogén felhőkből csapódik le. Mégis az atmoszferikus metánnak — valamint a holdfelszínre gyakorolt hatásának — rövid életűnek kell lennie. A napfény lebontja a metánt, és az ebből származó reakciók nehezebb szénhidrogénekhez vezetnek, amelyek néhány tízmillió év alatt felélik a Titán légköri víztározóját. Vagy a kutatók figyelik meg a Titánt egy ritka pillanatában, nem sokkal a metánnak az atmoszférába történő nagy mennyiségű kibocsátása után, vagy — ahogy sokan gondolják — valami helyreállítja, amit a napfény lerombol.

A Cassini kiderítette, hogy hány jégvulkán pumpálhat fel metánt a hold belsejéből. Ezt a folyamatot a hold belsejében levő radioaktív elemek bomlásából származó hő és a Szaturnusztól származó árapály lökések hajthatják előre. Az egyik ilyen vulkánjelölt a Titán legnagyobb ismert hegye, a Doom Mons, amely a hold legmélyebb ismert szakadéka mellett fekszik a Sotra Facula elnevezésű régióban. Rosaly Lopes, a Pasadenában található NASA Jet Propulsion Laboratory [Sugárhajtási Laboratórium] bolygókutatója azt veti fel, hogy ennek a területnek a rétegei a hegyből kitörő metánban gazdag sárban keletkeztek, a környező terep szétesését okozva ezzel.

Moore nézőpontot vált úgy érvelve, hogy más folyamatok, mint például a metánfolyók által okozott erózió is létrehozhatták az állítólagos vulkanikus jellemzőket4. Úgy gondolja, hogy a kutatók a Titánt egy egyszeri és geológiai értelemben múlandó időszakban látják. Nézete szerint a metán és a nitrogén — a Titán atmoszférájának fő összetevője — a hold felszínén fagyott állapotban volt néhány tíz vagy százmillió évig. Ekkor a Nap, amely a 4,6 milliárd éves élettartama alatt folyamatosan melegedett, megolvasztotta a jeget és ezzel egy metánban gazdag légkört hozott létre pár millió év alatt.

A metán később cseppfolyósodott és “pokoli módon esett” a hold egész területén, ezzel formálva a táj jellemzőit, mondja Moore. A napfény fokozatosan változtatta át a metánt nehezebb szénhidrogénekké, és az eső alábbhagyott. Újabb 40 millió év alatt, mondja Moore, a metán teljesen eltűnhetett, és a Titán vissza tudott térni egy közel ugyanolyan kinézethez, kék, nitrogénnel telített légkörrel, mely a pirosas, szénhidrogénnel borított felszín fölé emelkedik.

Ralph Lorenz a marylandi Laurelben található Johns Hopkins University Applied Physics Laboratory [Johns Hopkins Egyetem Alkalmazott Fizikai Laboratóriuma] munkatársa úgy érvel, hogy Moore leírása túlságosan leegyszerűsített. Egyes bizonyítékok arra utalnak, mondja, hogy milliárd évekre lehetett szükség a légköri metán lebontásához, amely hozzájárult a Titán felszínének 20%-át borító a szénhidrogénnel telített dűnék kialakulásához. Ha ez így van, akkor a folyékonymetán-ciklus a hold története nagy része során kitartott.

A Cassini által végzett további megfigyelések ki fogják deríteni, hogy a Titán felszíne mennyit változott néhány év leforgása alatt — ez segíteni fogja a kutatókat jobb becslések megtételében arra vonatkozóan, hogy a metán eső mennyi ideig formálta a felszínt.

“Véleményem szerint az idő előrehaladtával sokkal pontosabb képet kell, hogy kapjunk a Titánról,” mondja Lorenz. “A Titán irtó bonyolult.”

 

Irodalom:

Maggie McKee szabadúszó író Bostonban, Massachusetts államban.

1. J.N. Cuzzi és társai, Science 327, 1470-1475 (2010)

2. C. O’Neill és F. Nimmo, Nature Földtudomány 3, 88-91 (2010)

3. V. Lainey, J.E Arlot, Ö. Karatekin & T. Van Hoolst, Nature 459, 957–959 (2009)

4. J.M. Moore & R.T. Pappalardo, Icarus 212, 790–806 (2011)