Plutolla yllättävä ilmiö: JWST vahvistaa usvan viilentävän vaikutuksen

KAK – Kaukainen kääpiöplaneetta Pluto on jälleen kerran yllättänyt tutkijat. Vuosikymmenen vanha arvoitus sen ilmakehän kylmyydestä on saanut ratkaisun, kiitos James Webb -avaruusteleskoopin (JWST) tarkkojen havaintojen. Tuore Nature Astronomy -lehdessä julkaistu tutkimus vahvistaa teorian vuodelta 2017: Pluton usvainen huntu ei ainoastaan lämmitä, vaan toimii myös tehokkaana jäähdyttimenä, joka selittää planeetan hyytävät olosuhteet.

Pluto New Horizons -luotaimen kuvaamana suunnilleen sellaisena kuin jos me näkisimme sen omin silmin. Kuva NASA/New Horizons.

Kaikki alkoi heinäkuussa 2015, kun NASAn New Horizons -luotain lensi Pluton ohitse ja lähetti Maahan ensimmäiset tarkat kuvat ja mittaustulokset tästä jäisestä maailmasta. Yksi suurimmista yllätyksistä oli Pluton ilmakehä. Se oli odotettua huomattavasti kylmempi.

Ilmakehämallien mukaan auringonvalon osuessa Pluton typpi- ja metaanipitoiseen kaasukehään sen olisi pitänyt lämmetä noin 100 kelviniin (noin –173 °C). New Horizonsin mittaukset paljastivat kuitenkin todellisen lämpötilan olevan vain noin 70 kelviniä (–203 °C). Jokin mekanismi siis poisti ilmakehästä lämpöä tehokkaammin kuin osasimme odottaa. Mutta mikä?

Vuonna 2017 tutkijat Xi Zhang, Darrell F. Strobel ja Hiroshi Imanaka esittivät Nature-lehdessä julkaistussa artikkelissaan selityksen. Heidän teoriansa mukaan avainasemassa ovat Pluton ilmakehän monimutkaiset hiilivety-yhdisteistä koostuvat usvahiukkaset – samat hiukkaset, jotka antavat Pluton ilmakehälle sinisen hohdon.

Pluton usvainen ilmakehä näkyy tässä osittain vastavaloisessa kuvassa. Kuva NASA/ New Horizons.

Teoria oli kaksijakoinen ja hieman paradoksaalinen:

1. Lämmitys: Kuten aiemmin oli ajateltu, usvahiukkaset imevät itseensä Auringon ultraviolettisäteilyä. Tämä prosessi lämmittää ilmakehän yläosia. Tämä oli odotettu osa yhtälöä.
2. Jäähdytys (uusi oivallus): Zhangin ja kollegoiden mullistava idea oli, että nämä samat usvahiukkaset säteilevät absorboimaansa energiaa erittäin tehokkaasti takaisin avaruuteen, mutta tekevät sen keski-infrapunan aallonpituuksilla. Tämä infrapunasäteily pääsee karkaamaan avaruuteen lähes esteettä, kuljettaen mukanaan valtavan määrän lämpöenergiaa.

Heidän mallinsa mukaan tämä jäähdytysmekanismi oli niin voimakas, että se ylitti reilusti hiukkasten aiheuttaman lämmitysvaikutuksen. Lopputuloksena oli ilmakehä, joka oli juuri niin kylmä kuin New Horizons oli mitannut. Teoria oli vakuuttava, mutta siltä puuttui vielä suora havaintotodiste – kukaan ei ollut havainnut tätä ennustettua infrapunahehkua.

Tässä kohtaa tarinaan astuu mukaan James Webb -avaruusteleskooppi. Sen MIRI-instrumentti (Mid-Infrared Instrument) on suunniteltu havaitsemaan juuri niitä keski-infrapunan aallonpituuksia, joilla Pluton usvan ennustettiin säteilevän.

Juuri julkaistussa Nature Astronomy -artikkelissa "Evidence of haze control of Pluto’s atmospheric heat balance from JWST/MIRI thermal light curves" tutkijaryhmä raportoi havainnoista, jotka osuvat naulan kantaan. JWST mittasi Pluton lämpökäyrää – eli sitä, miten planeetan lämpösäteily vaihtelee sen pyöriessä.

Havainnot paljastivat, että Pluton ilmakehä todellakin säteilee voimakkaasti keski-infrapuna-alueella, juuri kuten Zhangin ja kumppaneiden malli vuodelta 2017 ennusti. Tämä on suora todiste siitä, että usvahiukkaset toimivat Pluton ilmakehän termostaattina ja hallitsevat sen lämpötasapainoa. Usvan jäähdyttävä vaikutus on todellinen ja merkittävä.

Pluton arvoituksen ratkeaminen on merkittävä saavutus, jolla on laajempia vaikutuksia. Se osoittaa, että usvahiukkasilla voi olla yllättävän monimutkainen ja hallitseva rooli planeettojen ilmakehien energiataseessa. Tämä on otettava huomioon, kun tutkimme muita usvaisia kohteita Aurinkokunnassamme, kuten Saturnuksen kuuta Titania.

Mutta havainnon vaikutukset ulottuvat laajemmallekin kuin vain meidän Aurinkokuntaamme. Monet kaukaisista eksoplaneetoista voivat olla usvan peitossa! Pluton tapaus antaa meille uuden työkalun ja ymmärryksen siitä, miten näiden vieraiden maailmojen ilmastot voivat toimia. Usvainen ilmakehä ei välttämättä tarkoita lämmintä, vaan se voi päinvastoin viitata tehokkaaseen jäähdytykseen.

Tämä tarina on myös täydellinen esimerkki tieteellisestä prosessista toiminnassa: ensin arvoituksellinen havainto (New Horizons), sitten selittävä teoria ja ennuste (Zhang et al. 2017), ja lopulta teorian vahvistava ja ratkaiseva havainto (JWST 2025).

 

Ensimmäiset matalaresoluutioiset kuvat Ultima Thulesta

Nasa julkaisi ensimmäiset matalaresoluutioiset kuvat Ultima Thulesta. Kuvat vahvistavat oletuksen, että kuiperoidi on muodostunut kahdesta kappaleesta. Hieman hämmästyttävää on, että kappaleet ovat lähes pallon muotoisia. Yleensä kymmen–parinkymmenen kilometrin kokoiset kappaleet poikkeavat muodoltaan pallosta merkittävästi. Selitys saattaa olla kappaleiden primitiivisyydessä, ne ovat säilyttäneet noin 4,6 miljardia vuotta sitten syntyessään saaneen muodon.

Ultima Thule matalaresoluutioisessa kuvassa. Vasemmalla alkuperäinen kuva ja oikealla kuvankäsittelyn terävöityksen jälkeen. Kuva (NASA/JHUAPL/SwRI).

Nyt julkaistut kuvat ovat on otettu noin puoli tuntia ennen ohilennon hetkeä. Julkistetut kuvat ovat matalaresoluutioisia versioita, sillä täyden resoluution kuvien lähettäminen Maahan kestää pitkään. Luotain sijaitsee yli kuuden valotunnin etäisyydellä (noin 6,5 miljardia km) ja jotta signaali tulisi ymmärrettävässä muodossa Maahan asti, sen bittimäärä sekunnissa pitää olla hyvin alhainen. Luotaimen lähettimen teho on vain 15 W.

Nasa on nimennyt (485968) 2014 MU69 kuiperoidin osat Ultimaksi (isompi pallukka) ja Thuleksi (pienempi pallukka). Jääkö nimet viralliseen käyttöön jää nähtäväksi, IAU saattaa hylätä ehdotetut nimet. Näin on käynyt melko monta kertaa aikaisemminkin.

New Horizons -luotaimen rata vei sen ensin Pluton ohilenntoon ja sen jälkeen Ultima Thulen ohilentoon. Nasa tekee päätöksen luotaimen toiminnan jatkamisesta ehkä vuonna 2020. Energiaa sen lämpöydinpgeneraattorissa riittää vielä vuosikymmeneksi. Kuva NASA.

New Horizons-luotain ohitti Ultima Thulen

Nasan planeettaluotain New Horizons on tehnyt onnistuneen ohilennon Kuiperin vyön kappaleen (485968) 2014 MU69, joka tunnetaan nimellä Ultima Thule^[1]. Ohilento tapahtui tammikuun 2. päivän aamuna kello 7.33 Suomen aikaa noin 6,5 miljardin kilometrin etäisyydellä Auringosta ja noin 3 500 km etäisyydeltä kuiperoidista^[2]. Samalla Ultimasta tuli etäisin planeettaluotaimen ohi lentämä kappale aurinkokunnassamme. Ultima Thulen koko on noin 32×16 km.

Vasemmanpuoleinen kuva on yhdistelmä New Horizons -luotaimen LORRI-kameran kuvista, joita luotain otti ennen ohilentoa. Oikealla on taitelijan näkemys Ultima Thulesta ja kuvaan on merkitty myös kappaleen (pää)pyörimisakseli. Kuva NASA/JHUAPL/SwRI/James Tuttle Keane.

Lähestyessään kuiperoidia, New Horizons valokuvasi kohdettaan lähes koko ajan. Ensimmäiset pieniresoluutioiset kuvat on jo vastaanotettu ja niistä on selvinnyt jo parikin Ultimaan liittyvää arvoitusta. Ensinnäkin kuiperoidi näyttää olevan muodoltaan keila, ilmeisesti kahdesta eri kappaleen liittymässä muodostunut.

Kuiperoidin pyörimisakseli on yhdistelmän massakeskipisteen kohdalla lyhyemmän akselin suuntainen ja pyörimisakseli on suunnaltaan sellainen, että se osoitti kohti New Horizons -luotaimen lähestymissuuntaan. Pyörimisasento selittää myös sen, miksi kuiperoidin kirkkauden vaihtelu oli lähes olematonta.

Ultima Thule sijaitsee niin etäällä Auringosta, että se vastaanottaa vain 0,05 % siitä Auringon säteilymäärästä mitä maapallo vastaanottaa ^[3], eli noin 0,7 W/m². Väriltään Ultima on punertava ja sen tiedetään olevan seurausta jääpeitteisen kappaleen pinnalle kertyvästä orgaanisesta materiaalista, joka on väriltään punaisen ruskeaa. Orgaaninen materiaali syntyy ultraviolettivalon vaikutuksesta lähinnä metaanista ja mahdollisesti muista hiilipitoisista molekyyleistä. Kuiperin vyössä punertavan pinnan synty vie miljardeja vuosia.

New Horizons jatkaa lentoaan Kuiperin vyössä. Lähikuukausina luotain lähettää valokuvia ja mittausdataa Maahan. Dataa kertyi ohilennolta niin runsaasti, että viimeisimmät bitit datasta saadaan tutkijoiden käyttöön vasta noin 20 kuukauden kuluttua, siis vuoden 2020 lopulla.

Huomautukset

[1] Ultima Thule nimitys tulee antiikin roomalaisilta, jotka merkitsivät karttoihinsa hallitsemiensa alueiden ulkopuolella olevat maa-alueet tällä nimityksellä. Käännettynä Ultima Thule merkitsee lähinnä ”tunnetun maailman ulkopuolella olevaa”.

[2] Kuiperoidi on asteroidin kaltainen Neptunuksen radan ulkopuolella Aurinkoa kiertävä kappale. Asteroideista poiketen kuiperoidit ovat säilyttäneet kemiallisen ja fyysisen rakenteen aurinkokuntamme alkuajoista lähtien (primitiivinen) ja muistuttavat hyvin paljon planetesimaaleja, joista myöhemmin muodostui planeetat.

[3] Maapallon kohdalla avaruudessa Auringon säteilee noin 1368 W/m² teholla.

New Horizons lähestyy Ultima Thulea

Nasan New Horizons -luotain on lähestymässä Kuiperin vyön kohdetta Ultima Thule. Luotain tekee sen ohilennon uuden vuoden yönä. Valmistautuessaan ohilentoon, luotain on ottanut kuvia kuiperoidista jo kolmen kuukauden ajan. Kuvien avulla tutkijat ovat pyrkineet selvittämään sen pyörimisaikaa ja mahdollisesti myös sen muodon.

New Horizons -luotaimen ottama kuva Ultima Thule -kuiperoidista.
Kuva NASA/JHUAPL/SwRI.

Kuiperinvyön kappaleet eivät yleensä ole pyöreitä, vaan pikemminkin pitkulaisia tai jopa kahdesta kappaleesta koostuvia. Valokuvien avulla tehdyssä valokäyrässä ei kuitenkaan ole havaittavissa vähäistäkään vaihtelua, mikä sinällään on vähintäänkin pieni yllätys. Mahdollisia selityksiä on useita, mutta yksikään niistä ei ole kovin todennäköinen.

Ensimmäinen mahdollisuus on se, että Ultima Thulen pyörimisakseli on suoraan lähestyvää luotainta. Paitsi, että tämä on epätodennäköistä, niin se vaatisi jonkin erityisen prosessin kuiperoidin kehityshistoriassa.

Toinen selitys voisi olla se, että kuiperoidin ympärillä olisi komeettamainen koma, ilmakehä, joka koostuu haihtuvista kaasuista ja vapautuvasta pölystä. Jälleen selitys olisi mahdollinen, mutta se vaatisi jonkin ylimääräisen lämmönlähteen syntyäkseen. Auringon lämpö kaukana Neptunuksen radan ulkopuolella ei kuitenkaan ole riittävä selitys.

Kolmas, vielä oudompi selitys olisi se, että Ultima Thule koostuisikin pienistä kuita, joiden valokäyrät sulautuisivat yhteen muodostaen muuttumattoman kirkkauden. Tällaista erillisistä kappaleista kostuvaa ryhmää ei vain ole koskaan havaittu aurinkokunnassamme (eikä muuallakaan).

Ohilennon jälkeen olemme jo selkeästi viisaampia tämäkin asian suhteen. Ensimmäiset kuvat saadaan ensivuoden alussa, jotka varmaankin ratkaisevat valokäyrän mysteerin.

New Horizons teki lentoratatarkistuksen

New Horizons-luotaimen rata ja sijainti.
Kuva NASA/Johns Hopkins University Applied Physics Laboratory/
Southwest Research Institute.

NASAn New Horizons-luotain teki keskiviikkoiltana Suomenaikaa lentoradan tarkistuksen käyttämällä ohjausrakettejaan 44 sekunnin ajan. 

Nopeuden muutos oli 0,44 m/s ja sen jälkeen luotain päätyy seuraavien 23 kuukauden lennon jälkeen noin 10 000 km lähemmäksi seuraavaa Kuiperivyön kohdetta, joka on KBO 2014 MU69. Luotain ohittaa kuiperoidin tammikuun 1. päivänä vuonna 2019.

Korjaus tehtiin automaattisesti luotaimen tietokoneen ohjaamana ja siitä saatiin tieto vasta yli viisi tuntia myöhemmin, sillä luotaimen etäisyys Maasta on 5,6 miljardia kilometriä. Ratakorjaus oli ensimmäinen sitten syksyn 2015, jolloin tehtiin peräti neljä perättäistä korjausta.

Hiilivetyutua ja tholinia

Utukerroksia Pluton ilmakehässä.

Nasa julkaisi uusimpia tutkimustuloksia joita on tehty New Horizons -luotaimen tuottamasta datasta. Merkittävämpänä löytönä voidaan pitää Pluton aina 130 km korkeudella ilmakehässä leijuvaa utua, joka on kerrostunut kahdeksi tiheämmäksi kerrokseksi 80 km ja 50 km korkeuksiin.

Utu on kemiallisesti hiilivetyjä, jotka ovat syntyneet ultraviolettivalon vaikutuksesta metaanista. Metaani  (CH₄) pilkkoutuu uv-fotonin osuessa siihen ja sitoutuu kemiallisesti toisien pilkkoutumistuotteiden kanssa monimutkaisemmiksi hiilivedyiksi kuten etyleeniksi (C₂H₄) ja asetyleeniksi (C₂H₂). Raskaampina molekyyleinä nämä hiilivedyt laskeutuvat alemmaksi Pluton ilmakehässä ja tiivistyvät erittäin kylmissä olosuhteissa uduksi. Ultraviolettivalo jatkaa edelleen näissä kerroksissa molekyylien muokkaamista vielä monimutkaisimmiksi hiiliyhdisteiksi, tholiniksi, joka puolestaan laskeutuu lopulta Pluton pinnalle ja antaa tälle sen punertavan sävyn.

Tutkijat osasivat odottaa utukerroksen esiintymistä, mutta aikaisemmat laskelmat osoittivat ilmakehän olevan liian lämmin yli 30 km korkeudella udun syntymiseen.  Tutkijat joutuvatkin kehittelemään tai ainakin hiomaan olemassa olevia malleja selittäessään nyt tehdyt havainnot.

Tutkimukset Charonin ilmakehästä ei vielä ole onnistuneet        
osoittaamaan sen olemassa oloa.

Pluton ilmankehän paine pinnalla ei vielä osoita ”romahtamisen” merkkejä, pikemminkin päinvastoin. Pluto oli ratansa perihelissä vuonna 1989 ja ilmakehästä on tehty havaintoja sen jälkeen 2000-luvun alkupuolella. Silloin havainnot osoittivat ilmanpaineen kohonneen. Nyt New Horizons -luotaimella tehdyt havainnot osoittavat edelleen korkeampaa ilmanpainetta. Havainnot ilmanpaineesta muodostavat nousevan suoran, joka ei vielä ole taittunut. Luonnollisesti Pluton etääntyessä aina vain kauemmaksi Auringosta, sen ilmakehänpaineen nousu täytyy taittua laskevaksi aivan lähivuosina.

New Horizons lensi myös Charonin takaa Auringosta katsottuna, jolloin luotain teki havaintoja myös mahdollisesta Charonin ilmakehästä. Toistaiseksi kaikkea mittausdataa ei ole saatu vielä Maahan, mutta ensimmäiset tulokset eivät osoita ilmakehän olemassa oloa.

Tästä kuvasta voi helposti erottaa Sputnik-tasangon virtaavan
jäätikön.

Tombaugh Region  Sputknik-tasangon virtaava jää muistuttaa virtaavia jäätikköjä Maassa.  Sputnik-alueella on jäätä, joka on muodostunut typestä, hiilimonoksidista ja metaanista. Toistaiseksi tutkijoilla ei ole selkeää käsitystä mikä saa jään virtaamaan ja mistä se saa energiansa. Lämpötila alueella on 46 K (-227 °C). Virtaava jää peittää alleen alueen reunoilla vanhempaa ja samalla karkeampaa pintaa. Ilmiö näkyy selkeästi korkean erotuskyvyn kuvissa.

Kaikki kuvat: NASA/Johns Hopkins University Applied Physics Laboratory/Southwest Research Institute.

Nix ja Hydra

New Horizons otti Pluton ohituksen aikana kuvia myös Pluton pienistä kuista. Tässä Nasan julkaisemat ja aikaisempaa erotuskykyisemmät kuvat.  

Nix-kuusta otettu kuva on värikuva ja tässä versiossa sen värejä on vahvistettu. Kuva on otettu heinäkuun 14. päivänä noin 165 000 km etäisyydeltä Nix-kuusta. Kuun mitat ovat noin 42×36 km ja yksityiskohdat noin 3 km kokoisia.

Hydrasta otettu kuva on monokromaattinen. Se otettiin myös heinäkuun 14. päivänä, jolloin luotaimen etäisyys kuusta oli 231 000 km. Kuu on 55 km pitkä ja pienimmät yksityiskohdat kuun pinnalla on noin 1,2 km kokoisia.

Kuva NASA/Johns Hopkins University Applied Physics Laboratory/Southwest Research Institute.

Pluton jäinen ”sydän”

Pluton jäinen "sydän" on jatkuvasti uudistuva jäätikkö.

New Horizons -luotaimen ottamat lähikuvat Pluton vaaleana näkyvästä sydämenmuotoisesta alueesta (Tombaugh Regio) osoittavat sen olevan jäätikkö. Tutkijat arvioivat jään muodostuneen suurimmaksi osaksi hiilimonoksidista ja pinnan iäksi arvioidaan enintään 100 miljoonaa vuotta. Ilmeisesti jonkin geologinen prosessi uudistaa alueen pintaa, sillä kraattereita ei juuri alueella näytä olevan. Pinnan uudistumista vahvistavat myös kuvissa näkyvät pienet kuopat, joiden arvellaan syntyneen jään sublimoituessa suoraan kaasuksi.

Plutosta karkaava typpi ja aurinkotuuli kohtaavat
kymmenientuhansien kilomterin etäisyydellä, jonne
muodostuu sokkiaalto.

Pluton ilmakehä kostuu lähinnä typestä ja se ulottuu ainakin 270 km korkeuteen. Ilma kehä näyttää myös ”vuotavan” avaruuteen, sillä New Horizonsin instrumentit ovat havainneet ionisoitunutta kaasua kymmenien tuhansien kilometrien etäisyydellä Plutosta. Karkaavan tyyppikaasun ja aurinkotuulen kohdatessa muodostuu Pluton ympärille sokkirintama (tai sokkiaalto), jossa aurinkotuulen yliäänennopeus (supersonic) hidastuu alle äänennopeuden (subsonic).

Pluton sydänjäätikkö ei ole pelkkää tasankoa,
vaan siellä on kuoppia ja mäkiä sekä jonkinlaisia laaksoja,
jotka kenties ovat tuulten aikaansaamia.

Nix-kuu on vain noin 40 km halkaisijaltaan. Kuvan pikselimössöstä
erottuu noin 6 km kokoisia yksityiskohtia.

Kuvat NASA/Johns Hopkins University Applied Physics Laboratory/Southwest Research Institute.

Metaanijäätä ja tarkkoja kuvia

Ralph-spektrometrillä tuotettu kuva Pluton metaanijäästä.

Aikaisemmista tutkimuksista on ollut selvää, että Plutolla on metaanijäätä. Nyt New Horizons -luotaimen Ralph-spektrometri on kartoittanut metaanijään esiintymisen. Erityisen paljon metaanijäätä näyttää esiintyvät Pluton pohjoisnavan alueella ja ekvaattorilla olevilla tummilla alueilla.

Ralphin värikanavat edustavat erilaisia aallonpituuksia: sininen kanaa mittaa aallonpituuksia 1,62–1,7 µm (1 620–1 700 nm), jolla metaanijään absorptiovaikutus on keskivahva; vihreän kanavan aallonpituuksilla 1,97–2,05 µm (1 970–2 050 nm)  metaanijää ei absorptoi ja punaisen kanava aallonpituudet 2,30–2,33 µm (2 300–2 330 nm)puolestaan absorptoituvat erittäin voimakkaasti. Kuvassa näkyvä absorptiospektri on voimakkaampi vihreällä kanavalla kuin punaisella kanavalla vaikka imeytyminen ko. aallonpituuksilla on hieman vähäisempää.

Vuoristoa Plutossa. Juiput kohoavat noin 3,5 km korkeuteen
ympäristöään korkeammalle.

Ehkä yllättävin havainto Pluton pinnalla ovat lähellä ekvaattoria sijaitsevat vuoret, joiden korkeus on noin 3 500 metriä. Tutkijat eivät odottaneet näin suuria korkeuseroja Plutolta löytyvän. Vuorten täytyy olla muodostuneet vesijäästä, sillä metaanijää ei ole riittävän lujaa näin korkeiden vuorien muodostamiseen edes Pluton heikossa gravitaatiokentässä.  Lisäksi vuorien alueen pinta näyttäisi olevan enintään noin 100 miljoonan vuoden ikäistä, joten tutkijat arvelevat Pluton olleen geologisesti aktiivinen vielä hyvin lyhyen aikaa sitten, todennäköisesti se on sitä vielä nykypäivänä.

Syy Pluton aktiivisuuteen ei vielä ole selvillä. Aurinkokuntamme suurten planeettojen jääkuut saavat energian aktiivisuuteensa vuorovesivoimista, mutta Plutolla tämä ei ole mahdollista. Pluton ja Charonin pyörimisajat ovat lukkiutuneet kiertoaikaan ja näin ollen niiden samat puolet ovat jatkuvasti toisiaan kohti. Tällaisissa olosuhteissa kappaletta lämmittävää energiaa vuorovesivoimilla ei saa syntymään.

Charonin näkyvimmät maamerkit ovat napa-alueen tumma
alue ja keskileveyksillä oleva hautavajoama.

Charonkin tuotti pienen yllätyksen tutkijoille. Kuun pinta näyttää olevan lähes kraatteriton. Tämä yleensä merkitsee sitä, että pinta on nuori. Toinen odottamaton havainto oli noin 1 000 km pituinen hautavajoama jolla on syvyyttä 7–9 km. Tämä merkitsee sitä, että myös Charon on täytynyt olla geologisesti aktiivinen hautavajoaman syntyaikoihin.

Mielenkiintoista tilanteessa on se, että kaksi kappaletta, jotka sijaitsevat kaukana aurinkokuntamme ulko-osassa ovat mitä ilmeisimmin olleet geologisesti aktiivisia vielä lyhyen aikaa sitten. Asia vaatii selvästikin tutkimuksiin hieman panostamista, sillä jokin syy aktiivisuudelle täytyy olla.

Matalaresoluutioinen kuva Hydrasta.

Pluton kuu Hydra on osoittautunut epäsäännöllisen muotoiseksi. Sen koko on noin 43×33 km ja sen pinnalta on havaittavissa kirkkauden vaihteluita. Tässä vaiheessa kuva Hydrasta on lähinnä pikselimössöä, mutta lähitulevaisuudessa saamme nähtäväksemme tarkempia kuvia. Hydran pinnan uskotaan olevan vesijäätä.

Artikkelin kaikki kuvat: NASA/Johns Hopkins University Applied Physics Laboratory/Southwest Research Institute.

Ohi meni

Kuva Plutosta on otettu 13. heinäkuuta New Horizons -luotaimen
LORRI-kameralla. Kuvan ottohetkellä luotain lähestyi
Plutoa ja oli siitä 768 000 km etäisyydellä. Alkuperäinen kuva on
monokromaattinen ja väri on lisätty Ralph-instrumentin
kokoaman datan perusteella. Monokromaattinen LORRI-
kameran (Long Range Reconnaissance Imager) kuvat ovat
suuriresoluutioisia. Kuva NASA/APL/SwRI.

Nasan New Horizons -luotain on ohittanut Pluton suunnitelmien mukaisesti noin 12 500 km etäisyydeltä Pluton pinnasta. Nasan tiedote itse ohilennosta oli hyvin niukka ja nyt odotellaan New Horizons ”soittoa kotiin”. Tämän odotetaan tapahtuvan noin kello 4 Suomen aikaa ensiyönä. Yhteys Maahan jää lyhyeksi, sillä luotain jatkaa Pluton järjestelmän havainnointia ja valokuvien ottamista. Huomenna kello 8-11 Suomen aikaan luotain on yhteydessä Maahan Nasan DSN-verkoston kautta.

Pluton ja kuiden koot tarkentuivat

Pluto ja Charon. Kuva NASA-JHUAPL-SWRI.

Pluton koko on määritelty uudelleen. Se on nyt 2 370 km, siis jonkin verran aikaisempia laskelmia suurempi. Aikaisemmin Pluton halkaisijaksi oli määritelty 2 329 km. Vaikka ero vanhan ja uuden arvon välillä ei ole kovin suuri, merkitsee se sitä, että Pluton tiheys on hieman pienempi ja jään osuus hieman suurempi aikaisemmin käytettyihin arvoihin verrattuna. Tarkempi koon määrittely osoittaa sen olevan suurin Neptunuksen radan takaisista suurista kappaleista, plutoideista, sillä Eris on halkaisijaltaan 2 339 km.

Syy aikaisempien mittausten epätarkkuuteen on kahtalainen. Ensinnäkin Pluto on aikaisemmin Hubblen ottamissa kuvissa ollut alle pikselin kokoinen. Toinen asiaan vaikuttava tekijä on ollut Pluton ilmakehä, joka troposfäärin osalta on oletettua ohuempi. Pluton kokoa on määritelty tähdenpeittojen avulla, jolloin ilmakehän tiheys ja sen vaihtelut ovat vaikuttaneet tulokseen.

Charon, jolla ei ole ilmakehää, on osoittautunut olevan juuri aikaisempien mittausten kokoinen, eli 1 208 km halkaisijaltaan. Pluton kaksi muuta kuuta, Nix ja Hydra, ovat kooltaan noin 35 km ja 45 km. Näin ollen ne ovat kirkkaampia kuin mitä aikaisemmin oletettiin, johtuen ilmeisesti niitä peittävästä jääkuoresta. Kaksi muuta pientä kuuta, Kerberos ja Styx, ovat niin pieniä, että niiden koon määrittäminen ei ole mahdollista New Horizon -luotaimen LORRI-kameralla otetuista kuvista, ainakaan vielä. Pieni mahdollisuus niiden koon määrittelyn onnistumiseen on myöhemmin tehtävällä kuvien tarkemmalla analyysillä.

Pluto 11. heinäkuuta

Kuvaan on merkitty joitakin mielenkiintoisimpia yksityiskohtia
Pluton pinnalta. Kuva NASA/Johns Hopkins University
Applied Physics Laboratory/Southwest Research Institute.

New Horizons -luotain kuvaa jatkuvasti Plutoa ja Charonia. Päivittäin julkaistavat kuvat ovat toinen toistaa yksityiskohtaisempia ja molemmista kappaleista paljastuu uusia pintarakenteita. 

Tässä tuoreessa kuvassa Pluton pinnalta erottuu kraattereiden lisäksi mahdollisia jyrkänteitä, joten voi olla, että jossakin geologisen historian aikana Plutoon on vaikuttanut muitakin voimia kuin kuiperoidien törmäykset.

Charonilla rotkoja ja kraattereita

Heinäkuun 11 päivän otettu kuva Charonista.
Kuva NASA/Johns Hopkins University Applied Physics Laboratory/
Southwest Research Institute.

Pluton kuulla, Charonilla on havaittu olevan kraatterien lisäksi myös merkittäviä rotkoja. Suurin niistä sijaitsee eteläisellä pallonpuoliskolla ja se on syvempi ja pidempi kuin Grand Canyon Yhdysvalloissa. 

Kraattereista suurin näyttäisi olevan lähellä etelänapaa. Sen halkaisija on noin 100 km. Kraatteri on syntynyt kuiperoidin törmäyksen seurauksena suhteellisen myöhään (jopa äskettäin), sillä siitä lähtee useita vaaleita säteitä, kuten Kuussa aivan tuoreimmista kraattereista. Tutkijat arvioivat kraatterin iäksi vähemmän kuin miljardi vuotta.

Kraatterin pohjan tummuus on ihmetyttänyt tutkijoita. Törmäys on ehkä paljastanut syvemmällä olevan tummemman jään, tai kraatterin pohjan rakenne on hieman karkeampaa kuin reunavallien ja säteiden materiaali. Charonin pohjoisnavan ympäristö näyttää myös hieman muuta pintaa tummemmalta. Tumman alueen halkaisija on hieman yli 300 km.

Pluton kuvat paranevat

Heinäkuun 11. päivänä otetu kuva Plutosta.
Kuva NASA/Johns Hopkins University Applied Physics
Laboratory/Southwest Research Institute

New Horizons –luotain lähestyy Plutoa vauhdilla. Eilen se oli enää 4 miljoonan kilometrin etäisyydellä ja luotaimen ottamissa kuvissa näkyy jo monia pinnan yksityiskohtia. Yksityiskohtien paljastuminen selittää myös aikaisemmin näkyneet tummat täplät. Pluton pinta on selvästi törmäyskraattereiden peittämä, etenkin tummilta kohdiltaan. Vaaleiden alueiden pinnanmuodot eivät ole vielä tässä vaiheessa yhtä helposti määriteltävissä.

Ensi tiistaina New Horizons –luotain ohittaa Pluton vain 12 500 km etäisyydeltä, mutta kiireisimmän ohilennon aikana luotain ei pysty lähettämään ottamiaan kuvia ja mittausdataa Maahan. Ne lähetetään vasta ohilennon jälkeen kun luotaimen ohjelma sen mahdollistaa. Nasan insinöörit haluavat välttää heinäkuun 4 päivänä esiintyneen tilanteen, jossa luotaimen tietokonetta kuormitettiin liiaksi useilla samanaikaisilla tehtävillä.  Ohilennon aikana suoritetaan yli 380 000 erilaista mittausta ja tehtävää.

New Horizons lähestyy Plutoa pohjoiselta pallonpuoliskolta, sillä Pluton pohjoisnapa on tällä hetkellä suunnilleen kohti Aurinkoa. Seuraavassa kaaviossa kaikki ajat ovat UTC-aikoja ja Suomen ajaksi ne voidaan muuttaa lisäämällä 3 tuntia. 

Pluton oihilennon aikataulu. Kuva NASA/Johns Hopkins University Applied
Physics Laboratory/Southwest Research Institute.

Plutolla on tumma ”Valas” ja vaalea ”Sydän”

Kuva NASA/Johns Hopkins University Applied Physics
Laboratory/Southwest Research Institute.

Heinäkuun 8. päivän aamuna tutkijat saivat vastaaotetuksi viimeisimmän kuvan Plutosta alueelta jonka New Horizons –luotain ”näkee” ohilentonsa aikana. Kuva otettiin edellisenä päivänä noin 8 miljoonan kilometrin etäisyydeltä. Kuva oli samalla myös ensimmäinen heinäkuun 4. päivänä tapahtuneen vikasietotilasta palautumisen jälkeen.

Pitkä tumma alue on nimetty epävirallisesti ”Valaaksi” ja sen vieressä oleva kirkas alue on muotonsa mukaan saanut nimen ”Sydän”. Alueen halkaisija on noin 2000 km. Kuvassa näiden alueiden yläpuolella on keskikirkkausalue, joka on Pluton napa-aluetta.

Kuva NASA/Johns Hopkins University Applied Physics
Laboratory/Southwest Research Institute.

New Horizons toimii jälleen

Kuva NASA/Johns Hopkins University Applied Physics
Laboratory/Southwest Research Institute.

Nasa Pluto-luotain New Horizons oli hetken aikaa pois toiminnasta heinäkuun 4. päivänä. Luotain siirtyi yllättäen suojatilaan ”vaikeasti havaittavissa olevasta ajoitusongelmasta johtuen” suoritettaessa komentosekvenssiä. Ongelma esiintyi, kun luotain oli valmistautumassa Pluton ohilentoon. Samaa tai samankaltaistakaan operaatiota ei enää ole tulossa ennen ohilentoa.

Oheisen kuvan luotain otti heinäkuun 3. päivänä LORRI-kamerallaan. Kuva oli mustavalkoinen mutta väri-informaatio saatiin Ralph-instrumentin aikaisemmin kokoamasta datasta. Kuvanottohetkellä luotain oli 7,8 miljoonan km etäisyydellä Plutosta.

Plutossa tummia laikkuja

Pluto ja Charon värikuvassa. Kuva Nasa/JPL.

Nasa on julkaissut värikuvia Pluton eri puolilta. Kuvissa Pluto näkyy hieman punertavana, mutta sen ekvaattorilla on tummia laikkuja joiden välissä on vaaleampia alueita. Toistaiseksi tutkijoilla ei ole selkeää käsitystä siitä mitä laikut voisivat olla. Tummien alueiden halkaisijat ovat noin 500 km.

New Horizons -luotaimen instrumentit ovat tehneet ensimmäisiä havaintoja kohteestaan. Valokuvista (kameroita on kaksi: LORRI ja Ralph Color Imager) etsitään Plutolla mahdollisesti esiintyviä pilviä. Pilvet saattavat olla mahdollisia, sillä Nasan SOFIA lentokoneeseen sijoitetulla infrapuna-alueella toimivalla teleskoopilla on onnistuttu havaitsemaan Pluton ilmakehän. Tutkijat ovat havainnoista innoissaan, sillä ilmakehän on pelätty romahtavan ennen kuin New Horizons ehtii perille. Ilmakehän romahtaminen tarkoittaa sitä, että siinä olevat kaasut tiivistyvät Pluton pinnalle jääksi, kun etäisyys Aurinkoon kasvaa riittävän suureksi.

Pluton ilmakehää tutkitaan myös PEPPSI-instrumentilla. Se tekee havaintoja luotaimen läheisyydessä olevista ioneista, jotka ovat peräisin Pluton ilmakehästä. Ionisoituneet kaasukehän atomit karkaavat aurinkotuulen mukaan Plutosta ja näin mahdollistaa ilmakehän tutkimisen.

New Horizons on vielä noin 15 miljoonan kilometrin etäisyydellä mutta matka lyhenee 14 km joka sekunti.

New Horizons, vain kaksi viikko Plutoon!

New Horizons -luotaimen ottamia kuvia Plutosta
lähestymisvaiheen aikana. Kuva NASA/JPL.

Nasan New Horizons -luotain on lähestymässä matkansa tärkeintä kohdetta, Pluton järjestelmää. Pluto on eriskummallinen aurinkokuntamme merkillinen kohde, jonka tutkijat arvelevat koostuvan suurelta osin erilaisista jäistä[1]. Eikä siinä vielä kaikki, Plutolla on viisi kuuta, joista Charon kiertää sitä hieman yli kuudessa vuorokaudessa. 

Vuorovesivoima on lukinnut molempien kappaleiden pyörimisen yhtä pitkäksi kuin yksi kierros järjestelmältä kestää ja tästä seuraa, että molemmat kappaleet kääntävät aina saman puolen toisiaan kohti.

Vaikka matka-aikaa on jäljellä vain kaksi viikkoa, valokuvat Plutosta ja sen seuralaisista ovat vielä varsin vaatimattomia. Pluto näkyy kuvissa vain muutaman kymmenen pikselin kokoisena. Plutoa ei ole koskaan aikaisemmin pystytty kuvaamaan edes tällä tarkkuudella.  Ohilennon aikana otettavien kuvien tarkkuus on sitten aivan omaa luokkansa. NASA ilmoittaa kuvissa näkyvien kohteiden kooksi noin 50 metriä.  Ensimmäiset kuvat ja mittausdataa saadaan maapallolle noin vuorokausi ohilennosta.

Pluton ohilento tapahtuu heinäkuun 14. päivänä noin 12 500 km etäisyydeltä Pluton pinnasta. 

Havainnot ohilennon aikana tehdään New Horizons -luotaimen tietokoneen ohjaamina, sillä yhteyttä Maahan ei ole, ja signaalin kulkuaika Plutosta Maahan on 4 tuntia 25 minuuttia. Pluton etäisyys Maasta ohilennon aikana on noin 4,77 miljardia kilometriä (32 au).

Pluto on määritelty kääpiöplaneetaksi ja sen lasketaan kuuluvaksi Kuiperin vyön kohteisiin. Se on näistä kohteista suurin tunnettu. Pluton etäisyys Auringosta vaihtelee suuresti johtuen radan soikeudesta: lähimmillään se on noin 4,4 miljardin kilometrin ja etäisimmillään jopa 7,7 miljardin kilometrin etäisyydellä. Sen keskietäisyys on 5,9 miljardia kilometriä eli noin 40 au.

Vuosina 1979–1999 Pluto oli lähempänä Aurinkoa kuin Neptunus. Vaikka Pluto tuleekin lähemmäs kuin Neptunus, törmäysvaaraa ei ole, sillä Pluton radan kaltevuus on 17 astetta. Pluton pyörimisakseli on kallistunut 118 astetta ekliptikan kohtisuorasta, eli se muistuttaa pyörimisellään Uranusta (noin 98°).

Pluton erikoisuuteen kuuluu myös se, että sillä on äärimmäisen ohut ilmakehä. Ilmakehä on suurimmaksi osaksi typpeä, mutta siitä on löydetty jälkiä metaanista, hiilimonoksidista ja muutamista hiilivedyistä. Ilmakehän paine on vain 1/50 000 maapallon ilmakehän paineesta. Pluton pintamateriaalin jäiden on havaittu muodostuneen jo mainittujen aineiden jäistä, lämpötila on noin -233 °C.

Pluton halkaisija on 2 380 ± 25 km. Charonin halkaisija on 1 200 km ja sen pinta muodostuu suurimmaksi osaksi vesijäästä johon on sekoittunut jonkin verran ammoniumhydraatteja.

New Horizons -luotaimen havainnot Pluton neljästä muusta kuusta (Hydra, Nix, Styx ja Kerberos) jäävät vähäisiksi. Pluton ohituksen jälkeen luotain tekee edelleen havaintoja järjestelmästä aina ensi tammikuuhun asti. Sen jälkeen sille etsitään uusi tai uusia Kuiperin vyön kohteita ohilentoa varten. Joitakin kandidaatteja on löydetty mutta valintaa ei vielä ole tehty.

Huomautukset

[1] Koostumuksen arvellaan olevan noin 65 % kiveä ja 35 % jäitä.

New Horizons valokuvasi Pluton pienet kuut

Alkuperäinen viiden kuvan pino vasemmalla ja oikealla
kaksi käsiteltyä kuvaa. Kuva Nasa/JHUAPL/New Horizons.

Pluton järjestelmää lähestyvä Nasan New Horizons -luotain on onnistunut valokuvaamaan ensimmäistä kertaa kaikki Pluton tunnetut kuut^[1]. Tutkijat ovat kuitenkin valppaana ja etsivät järjestelmästä mahdollisesti vielä pienempiä kuita, jotka ehkä voisivat muodostua uhkaksi luotaimelle sen tehdessä Pluton lähiohitusta muutaman kuukauden kuluttua.

Valokuvaaminen tehtiin Long Range Reconnaissance Imager – kameralla josta käytetään lyhennettä Lorri. Kuvat otettiin huhtikuun 25 ja toukokuun 1. päivien välisenä aikana.  Havainto koostuu viidestä kuvasta joita kutakin valotettiin 10 sekuntia. Kuvat ylivalottuivat mutta raskaalla kuvankäsittelymenetelmillä niistä voitiin poistaa Pluton häiritsevä kilo ja tausta tähdet, joten pienet kuut saatiin näkyville. Ne sijaitsivat juuri siellä missä niiden laskelmien mukaan pitikin sijaita.

Pienistä kuista Kerberos ja Styx löydettiin vuosina 2011 ja 2012. Styx kiertää Plutoa kerran 20 vuorokaudessa ja sen rata sijaitsee Charonin ja Nix-kuiden välissä. Styxin halkaisija on noin 7–21 km. Kerberos kiertää Plutoa kerran noin 32 vuorokaudessa Nix ja Hydra-kuiden välissä ja on noin 10–30 km halkaisijaltaan. Kumpikin kuu on vain muutaman prosentin Nix- ja Hydra-kuun kirkkaudesta.

Huomautukset

[1] Pluton tunnetut kuut ovat: Charon, Stysx, Nix, Kerberos ja Hydra.

New Horizons vain kolmenkuukauden etäisyydellä Plutosta

New Horizons -luotaimen ottama kuva Plutosta ja Charonista.

Kuva NASA/Johns Hopkins University Applied Physics Laboratory/
Southwest Research Institute.

Nasan planeettaluotain New Horizons on lähestymässä kääpiöplaneetta Plutoa ja sen viittä tunnettua kuuta. Luotaimen matka on kestänyt yli yhdeksän vuotta ja matkalla on ollut pituutta melkein viisi miljardia kilometriä. Vaikka matkaa on vielä jäljellä ja tutkijoilla ja insinööreillä paljon tehtävää ennen varsinaista H-hetkeä, luotain on ottanut ensimmäiset kuvansa pääkohteestaan.

Kuvassa Pluto ja Charon näkyvät vain sumuisina täplinä, mutta kertaakaan aikaisemmin emme ole onnistuneet kuvaamaan Plutoa tällä tarkkuudella. Avaruuskaukoputki Hubblen ottamissa kuvissa Pluto on ollut hyvin pieni piste.

Varsinainen ohilento tapahtuu heinäkuun 14 päivänä. Silloin kuuden tunnin aikana luotain tekee tarkimmat havaintonsa mitä on koskaan on tehty, ja pitkälle tulevaisuuteen tullaan tekemäänkään.  Ei vain valokuvia, vaan havaintoja tehdään useilla eri instrumenteilla ja mittauksia on kymmeniä erilaisia.

New Horizons –luotain ei kuitenkaan jää Plutoa kiertämään vaan jatkaa matkaansa Kuiperin vyöhön. Tutkijat tekevät parhaansa, jotta sieltä löytyisi mielenkiintoisia kappaleita sellaiselta etäisyydeltä, jonka saavuttaminen luotaimella on mahdollista. Tässä aikaisemmin vaikutti siltä, että sopivia kohteita ei olisi löydetty, mutta nyt parin viime vuoden aikana on ilmaantunut pari varsin varteenotettavaa ja ainakin yksi mahdollinen kohde. Mikä tai mitkä vaihtoehdot todella tulevat todeksi jää nähtäväksi.

Missä New Horizons on?

Se selviää oheisista kuvista.

Kuvat NASA/Johns Hopkins University Applied Physics Laboratory/Southwest Research Institute.