Uran: potężny, daleki i zimny nieznajomy
Opowieść o Uranie, siódmej planecie od Słońca (to tzw. olbrzym lodowy), uzmysławia nam, jak słabo znamy Układ Słoneczny. Chcemy lecieć do gwiazd, a o naszym najbliższym kosmicznym podwórku niewiele wiemy. Poznaliśmy trochę Księżyc – ale niezbyt dobrze – trochę lepiej Marsa (wiele misji, próbników i lądowników, nawet helikopter), dolecieliśmy też do Jowisza (obecna misja europejskiej sondy JUICE i wcześniejsze) i do Saturna (niezwykła, najwspanialsza w historii amerykańsko-europejska misja Cassini-Huygens). Dalej dotarła jeszcze tylko jedna sonda: New Horizons – aż do Plutona. A co z Uranem albo z sąsiednim Neptunem? Przecież to są ogromne planety bliższe niż Pluton, chociaż też bardzo dalekie. Co tam się dzieje? Jaki jest Uran czy Neptun? Weźmy na warsztat Urana.
Kto poleci do Urana?
To ciekawe, ale żadna agencja kosmiczna nie zaplanowała misji specjalnie do tej planety. Może dlatego, że Uran znajduje się daleko? 20 jednostek astronomicznych (czyli dystansów Ziemia–Słońce) – a więc ok. 3 mld km – od nas. A poza tym jest na nim niewiarygodnie zimno (to najzimniejsza planeta w naszym układzie; najniższa zmierzona temperatura w jej troposferze to –224°C) i długo wydawało się, że to martwy, zmrożony na kość i nieruchomy świat. Po co tam lecieć i ogromnym nakładem środków oraz wysiłków badać gigantyczny (o średnicy czterech średnic Ziemi i masie 14,5 masy Ziemi) glob lodowy, na którym pewnie niewiele się dzieje? Czy są jakieś ważne naukowe, eksploracyjne powody, by to zrobić? Trudno powiedzieć. W kosmosie wiele ciał – poza gwiazdami – to po prostu kule gazu, lodu lub skał, na których nie widać śladów ciekawych aktywności. Uran też do niedawna wydawał się taki. Dzisiaj wiemy już, że jest to planeta niezwykła i sporo się na niej dzieje.
Poza tym NASA znalazła powody, by wysłać np. wspomnianą już sondę New Horizons do jeszcze dalszego niż Uran, zapomnianego przez świat i ludzi maleńkiego Plutona, który dzisiaj już nawet nie jest uznawany za planetę. Tymczasem misja New Horizons wspaniale się powiodła i wciąż trwa. Sonda odwiedziła Plutona i jego księżyce, zebrała mnóstwo drogocennych danych i leci teraz aż do Pasa Kuipera, a kiedyś w ogóle opuści Układ Słoneczny. Taki jest jej ostateczny cel. Czyli Plutona nieźle zbadaliśmy, tymczasem Urana – nie. Jedyną sondą, która zbliżyła się do niego, był Voyager 2, który minął planetę w styczniu 1986 r. w odległości ponad 81 tys. km od szczytu jej najwyższych chmur i szybko poleciał do Neptuna, a potem jeszcze dalej. Misji orbitalnej nie było nigdy i na razie żadna agencja kosmiczna jej nie przewiduje. Na szczęście my mamy inne plany.
Dlatego lecimy do Urana
Uran został odkryty w marcu 1781 r. przez urodzonego w Hanowerze kompozytora Friedricha Wilhelma Herschela. Herschel jako 19-latek wyemigrował z Niemiec i osiadł na stałe w Anglii. Chociaż skomponował ponad 20 symfonii i kilkanaście koncertów, sławę przyniosły mu nie umiejętności muzyczne, lecz badania astronomiczne. 13 marca wspomnianego roku Herschel skierował teleskop własnej konstrukcji w stronę konstelacji Bliźniąt i dostrzegł obiekt w kształcie dysku wolno poruszający się na tle gwiazd. Początkowo sądził, że to gwiazda. Później skłaniał się ku komecie, bo obiekt wydawał mu się zbyt duży. Nie znalazł jednak ani śladów komy, ani warkocza. Dalsze badania i samego kompozytora, i innych astronomów wykazały, że jest to planeta. Była to pierwsza planeta odkryta od starożytności i pierwsza zaobserwowana za pomocą teleskopu. Wielkie dokonanie.
Uran okrąża Słońce raz na 84 lata i jest pochylony inaczej niż pozostałe planety naszego układu. Kąt między osią obrotu a prostopadłą do ekliptyki wynosi aż 97,77°. Uran obraca się więc tak, jakby leżał całkowicie na boku – niemal w płaszczyźnie Układu Słonecznego. Nie do końca wiadomo, skąd to ogromne nachylenie (np. w przypadku Ziemi to tylko nieco ponad 23°, pozostałe planety też są lekko nachylone), przypuszcza się jedynie, że zostało ono wywołane kolizją Urana z jakimś dużym ciałem w okresie formowania się Układu. W rezultacie pory roku na tej planecie wyglądają zupełnie inaczej niż w przypadku pozostałych. Najbardziej wystawione na działanie Słońca są bieguny, a nie okolice równikowe, przy czym dla każdego z biegunów zarówno noc polarna, jak i dzień polarny trwają po 42 lata. Notabene temperatura w okolicach równika jest wyższa niż w obszarach okołobiegunowych, co wciąż pozostaje zagadką.
Uran posiada niewielkie skaliste jądro, potężny płaszcz lodowy i atmosferę. Jego struktura w ogóle nie przypomina innych olbrzymów, Jowisza czy Saturna, ponieważ w jego wnętrzu lód dominuje nad gazem, przy czym nie jest to lód znany nam choćby z Ziemi, a raczej zamrożone substancje lotne składające się głównie z metanu, amoniaku i wody oraz śladowych ilości węglowodorów. Planeta nie ma dobrze określonej stałej powierzchni, choć jej zewnętrzne warstwy określa się mianem atmosfery. Ta składa się przede wszystkim z wodoru, helu i metanu i jest niezwykle spokojna w porównaniu z atmosferami innych olbrzymów. Wynika to prawdopodobnie z tego, że Uran emituje mniej więcej tyle ciepła, ile otrzymuje ze Słońca, tymczasem i Jowisz, i Saturn, a nawet Neptun oddają tego ciepła istotnie więcej. Uran ma aż 27 znanych księżyców (są to niewielkie ciała, złożone z lodu i skał), z których dwa największe – Tytanię i Oberona – też odkrył Herschel, oraz 13 znanych pierścieni, przy czym dwa są słabo widocznymi pierścieniami pyłowymi.
Najnowsze odkrycia
W końcu maja br. naukowcy z NASA poinformowali o tym, że korzystając z ogromnych anten radiowych teleskopu Very Large Array w Nowym Meksyku, nad północnym biegunem tej planety wykryli potężny cyklon. Już wcześniej, gdy Voyager 2 w 1986 r. zbliżył się do Urana, zaobserwował nad jego południowym biegunem wyraźne zawirowanie. Ruch chmur metanu w centrum polarnym był wyraźnie szybszy niż nad resztą bieguna, co sugerowało, że może to być cyklon. Jednak badania w podczerwieni, wykonane wówczas przez Voyagera 2, nie wykryły żadnych istotnych zmian temperatury tego miejsca. Obecnie naukowcy ustalili, że krążące chmury na biegunie północnym są wyraźnie cieplejsze i suche, a to cechy charakterystyczne dla silnych cyklonów. Tym samym potwierdziły się przypuszczenia badaczy Układu Słonecznego, że na wszystkich planetach posiadających atmosferę (jeśli nie jest ona śladowa) występują silne biegunowe zawirowania atmosferyczne. Wykonane w latach 2021 i 2022 obserwacje Urana sięgały głębiej w atmosferę planety niż kiedykolwiek wcześniej. Stało się to możliwe dzięki obecnej pozycji planety na orbicie. Przez ostatnie kilkadziesiąt lat jej bieguny nie były skierowane ku Ziemi i dopiero od 2015 r. naukowcy mogą zajrzeć głębiej w atmosferę polarną. Wykryty cyklon przypomina biegunowe cyklony obserwowane przez sondę Cassini na Saturnie. I na Saturnie, i na Uranie te wiry nie przemieszczają się, nie dryfują i są zamknięte, jak to się mówi, w słupach.
Z kolei w końcu marca br. Urana obserwował nasz najpotężniejszy teleskop kosmiczny, czyli James Webb Space Telescope. Kiedy Voyager 2 spojrzał na Urana, jego kamera ukazała prawie pozbawioną cech charakterystycznych jednolitą niebieskozieloną kulę. Teraz teleskop Webba dostrzegł bardzo wyraźnie strukturę pierścieni planety, w tym dwa pierścienie pyłowe, oraz jej biegun północny. Obecnie na biegunie tym panuje wiosna, a lato rozpocznie się w 2028 r. Z kolei biegun południowy znajduje się „po ciemnej stronie” planety. Webb dostrzegł też wyraźne jego centralne pojaśnienie, będące czapą polarną. Na krawędzi czapy znajduje się bardzo jasna chmura, a także tuż za tą krawędzią – kilka słabszych rozszerzonych struktur. Druga jasna i wyraźna chmura leży na lewej krawędzi planety. Te struktury atmosferyczne są prawdopodobnie wynikiem aktywności burzowej Urana. Obserwacja trwała tylko 12 min. Uczeni uważają więc, że to zaledwie wierzchołek góry lodowej tego, co James Webb Space Telescope może dokonać, obserwując tajemniczy obiekt.
Wcześniejsze odkrycia
Już 12 lat temu teleskop Hubble’a wykonał pierwsze zdjęcia zórz polarnych na Uranie. Kilka lat później zespół astronomów z Observatoire de Paris przyjrzał się tym zorzom dokładniej w ultrafiolecie za pomocą spektrografu STIS (Space Telescope Imaging Spectrograph), zainstalowanego na Hubble’u. Śledzili międzyplanetarne zaburzenia spowodowane dwiema potężnymi erupcjami wiatru słonecznego, który dotarł do Urana, i zaobserwowali najintensywniejsze zorze polarne, jakie kiedykolwiek widziano na tej planecie. Analizując ich przebieg w czasie, dowiedli też, że te potężne lśniące regiony poruszają się wraz z Uranem.
Wreszcie temperatura i ciśnienie wewnątrz Urana, podobnie jak Neptuna, są na tyle wysokie, aby metan przekształcał się w mieszaninę pyłu diamentowego i węglowodorów. W związku z tym już jakiś czas temu niektórzy badacze przewidywali, że na planetach tych mogą występować diamentowe deszcze i diamentowe morza. We wrześniu ub.r. podejrzenia te częściowo potwierdzili naukowcy z Helmholtz-Zentrum Dresden Rossendorf oraz francuskiej École polytechnique.
Uran, o którym przed misją Voyagera 2 i jego zbliżeniem do planety 37 lat temu nie wiedzieliśmy prawie nic, po przelocie sondy nieco odsłonił swoje tajemnice. Teraz z racji jego korzystnej pozycji na orbicie – z naszego punktu widzenia – i dzięki nowym narzędziom badawczym dowiadujemy się coraz więcej. To planeta potężna, daleka i zimna, ale dzieje się na niej na pewno wiele niezwykłych rzeczy. Pozostaje mieć nadzieję, że może kiedyś wyruszy ku niej wspaniała naukowa misja.