Magyar Tudomány, 2006/8 955. o.

Planetológia



A Szaturnusz és környezete


Erdős Géza

a fizikai tudomány kandidátusa

KFKI Részecske- és Magfizikai Kutatóintézet

erdos @ rmki.kfki.hu



Miért érdekes a Szaturnusz és környezete?



1997. október 16-án a NASA az Európai Űrügynökséggel (ESA) közösen hosszú útjára bocsátotta minden idők legdrágább tudományos célú űrszondáját, a Cassini–Huygens elnevezésű párost. A küldetés célja a Szaturnusz és Titán nevű holdjának tanulmányozása, amelyhez 2004 júliusában érkezett meg, és előreláthatóan a méréseket négy éven keresztül fogja végezni. A magas költségek (mintegy 3,5 milliárd dollár) ellenére az űrmisszió szükségességét könnyen lehetett indokolni, mert a Naprendszer talán legizgalmasabb égitesteiről van szó. Közismert a Szaturnusz gyűrűje, amely kölcsönhat a közelében mozgó holdakkal. Ez a dinamikai folyamat analóg azzal a folyamattal, amely a Naprendszer keletkezésekor, a bolygók formálódásakor ment végbe. Habár az analógia nem tökéletes, és sokak számára erőltetettnek is tűnhet, mindkét esetben apró részecskék (gáz, por, jég) és nagyobb égitestek olyan bonyolult rendszeréről van szó, amely még napjaink szuperszámítógépeivel is igen nehezen modellezhető. A folyamatok helyszíni tanulmányozása tehát közelebb vezethet a 4,5 milliárd évvel korábbi események megértéséhez is.

A Cassini–Huygens misszió más szempontból is időutazásnak tekinthető. A Szaturnusz körül keringő Titán a Naprendszer második legnagyobb holdja. 5150 km-es átmérője csak kevéssel marad le a Jupiter Ganymedes holdjától, és két bolygónál (Merkúr és Plútó) nagyobb is. A bolygókéval összemérhető méret mellett a Titán igazi érdekessége, hogy a Naprendszer egyetlen olyan holdja, amelyet sűrű légkör borít. A légkör összetétele hasonlít a Föld ősi atmoszférájához, vagyis ahhoz, amely az élet megjelenése előtt volt jellemző térségünkre. Az analógia persze itt sem tökéletes, hiszen például a Szaturnusz és a körülötte keringő Titán tízszer távolabb van a Naptól, mint a Föld, így a Titán légkörének hőmérséklete igen alacsony. De mindenképpen figyelemre méltó, hogy benne megtalálhatók azok az összetevők (nitrogén, metán, etán stb.), amelyek nagyobb, szerves molekulák létrejöttéhez szükségesek.



Történelmi visszatekintés



Érdemes röviden megemlékeznünk a korábbi felfedezésekről, hogy a Cassini–Huygens kísérlet eddigi és további várható eredményeit is megfelelően értékeljük. A következőkben főleg olyan korábbi felfedezéseket említek, amelyek az írás tárgyához valamiképpen kapcsolódnak.

Az első távcsövek megjelenésekor a Szaturnusz már az érdeklődés homlokterében állt, de Galilei 1609-ben még csak „tripla bolygónak” látta az égitestet. A későbbi megfigyelők is különböző alakúnak látták és rajzolták le. Christiaan Huygens holland csillagász zsenialitása kellett ahhoz, hogy 1659-ben rájöjjön arra, ha a rajzokat időrendbe helyezi a Szaturnusz Nap körüli harmincéves keringése szerint, a megfigyelt furcsa alak gyűrűként értelmezhető. A gyűrű síkja eltér a Szaturnusz Nap körüli keringésének síkjától, ezért látjuk az égitestet időben a keringés fázisa szerint különböző alakúnak (1. ábra). Huygens másik érdeme, hogy ő fedezte fel a Titánt. A távcsövek tökéletesedésével Jean-Dominique Cassini olasz-francia csillagász 1675-ben kimutatta, hogy a gyűrűben rés van. A szondapáros elnevezése a két csillagász munkásságáról emlékezik meg.

Az elektrodinamika alapegyenleteinek megalkotásáról híres James Maxwell 1857-ben elméleti úton levezette, hogy a gyűrű nem lehet szilárd. A központi égitest körül keringő testek szögsebessége ugyanis a távolsággal csökken (a Kepler-törvények szerint), míg szilárd test esetében a szögsebességnek állandónak kellene lennie. Ha a Szaturnusz gyűrűje szilárd lenne, a természetes mozgástól (Kepler-pályáktól) való eltérés olyan nagy árapály-erőket eredményezne, amelyeket egyetlen anyag sem képes elviselni. Ma tudjuk, hogy a gyűrű anyaga törmelék, amelyben a részecskék nagysága az egészen apró portól a ház méretű testekig terjed.

A közelmúlt, de még az űrkutatás előtti korszak is tartogatott szenzációs felfedezést. 1944-ben Gerard Kuiper spektroszkópiai vizsgálatokkal metánt mutatott ki a Titánon, ezzel felfedezte a hold légkörét. A későbbi kísérleteket viszont már az űreszközök uralják. A Cassini előtt három szonda repült el a Szaturnusz mellett 1979-1981 között (Pion-er-11, Voyager-1 és -2). A Cassini szondát 2004-ben a Szaturnusznál lefékezték, és ezzel az óriásbolygó első mesterséges holdjává tették. A vele együtt utazó Huygens 2005. január 14-én sima leszállást hajtott végre a Titán holdon.



A Cassini űrszonda pályája, műszerei



A Cassini hosszú úton, 1997-től 2004-ig utazva jutott el a Szaturnusz közelébe. Az út során kétszer találkozott a Vénusszal, egyszer a Földdel és egyszer a Jupiterrel. Ezek a találkozók gravitációs lendítésekkel növelték a szonda sebességét, amelyekkel jelentős üzemanyagot lehetett megtakarítani. A Szaturnusz körüli pályák (2. ábra) még bonyolultabbak, a gravitációs lendítéseket a Szaturnusz óriási holdja, a Titán végzi, amellyel a szonda a négyévesre tervezett túrázás során összesen 45-ször fog találkozni.

A Napból szuperszonikus sebességgel kiáramló napszél (ionizált gáz, vagyis plazma) kölcsönhatásba lép a Szaturnusz plazmakörnyezetével. Ennek következtében két, nagyjából paraboloiddal közelíthető felület alakul ki, amelyeknél a plazma paraméterei ugrást szenvednek. A külső felületet, a fejhullámot az jellemzi, hogy ott lassul le a szuperszonikus napszél szubszonikussá. A magnetopauzának nevezett belső felület a bolygó eredetű plazmatartományt (magnetoszférát) választja el az interplanetáris plazmától (lelassult napszéltől). A 2. ábrán a holdak közül csak a Titán pályáját tüntettük fel. Látható, hogy a kb. 20 RS sugarú közel körpálya a magnetoszférán belül helyezkedik el (RS = Szaturnusz sugár = 60 000 km). A legtöbb jeges hold pályája és a gyűrű is néhány RS távolságra terjed ki, ami az ábrán alig lenne látható.

A Cassini virágszirmokra hasonlító pályája felkeresi a legérdekesebb plazmatartományokat. Ha nem lennének pályakorrekciók, a Cassini ellipszispályán mozogna, amelynek nagytengelye csak nagyon lassan, a Szaturnusz harmincéves Nap körüli keringésének sebességével fordulna körbe. Az ellipszispályától való eltéréseket a Titán gravitációs lendítéseivel végzik. Ezek a hintamanőverek arra is alkalmat adnak, hogy segítségükkel jeges holdakat keressen fel a szonda. A bonyolult pálya kialakításához csak kevés üzemanyagra van szükség (annyira, amellyel a szondát 0,5 km/s sebességre lehetne gyorsítani). A gravitációs lendítésekkel annyi üzemanyagot lehetett megtakarítani, amely-lyel a szondát 33 km/s sebességre lehetne gyorsítani (ez a mozgási energia tízszer nagyobb, mint amennyi a fellövéshez kellett).

A Cassini űrszonda tizenkét műszere két csoportba osztható: távérzékelő berendezések és a helyszíni fizikai paramétereket mérő berendezések egyaránt helyet kaptak rajta. A távérzékelő műszerek a látható fényben, az infravörös és az ultraibolya tartományban készítenek felvételeket, végeznek spektroszkópiai vizsgálatokat. A szonda radarberendezéssel is fel van szerelve, ez a Titán felszínének feltérképezésében hasznos, ami a felhős, ködös, sűrű atmoszféra miatt másképp nem lenne lehetséges (hasonlóan a Vénuszhoz). Egy új képalkotó technikát is alkalmaznak, amely a gyorsan mozgó semleges atomokat, molekulákat detektálja. Ezek a térképek a magnetoszféráról adnak információt. Ugyanis a detektált részecskék eredetileg a magnetoszférában felgyorsult ionok, amelyek töltéscserével válnak semlegessé. A semleges részecskék már kiszámítható pályán (sőt egyenes vonalban) terjednek, ami elengedhetetlen feltétele a képalkotásnak.

A helyszíni viszonyokat mérő műszerek közül a KFKI Részecske- és Magfizikai Kutatóintezet (RMKI) két berendezés építésében és az adatok vizsgálatában vett, illetve vesz részt. Az egyik a plazmarészecskéket detektáló CAPS nevű műszer, magyar társkutatója Szegő Károly. A másik a MAG mágneses térerősséget mérő műszer (magyar társkutatója a cikk szerzője). Ezenkívül a szondán van még pordetektor, tömegspektrométer, valamint rádió- és plazmahullámokat detektáló műszer.

A Cassini szonda magával vitte az ESA által épített Huygens leszálló egységet. Ez a mintegy 300 kg tömegű, korong alakú szonda ejtőernyővel ereszkedett le a Titán felszínére. A műszereket úgy állították össze, hogy alkalmasak legyenek arra, hogy a leszállás során mérjék a légkör fizikai, kémiai tulajdonságait, a szél sebességét, valamint aeroszolokat gyűjtsenek, gázkromatográfiai vizsgálatokat végezzenek. Ellátták videokamerával, hogy a leereszkedéskor és utána is felvételeket készítsen. A felszín vizsgálatára alkalmas műszerrel is felszerelték.

Tudományos célok és eddigi eredmények



A Cassini–Huygens misszió tudományos céljainak részletes ismertetése túl hosszú lenne, ezért inkább csak vázlatos felsorolásra vállalkozunk. A következő objektumok vizsgálatát tűzték célul:

• Szaturnusz (légkör összetétele, fizikai tulajdonságai, mozgása)

• gyűrűk (hőmérséklet, összetétel, részecskék mérete, kölcsönhatás holdakkal)

• jeges holdak

• Titán (légkör, felszín)

• a Szaturnusz magnetoszférája (belső mágneses tér, részecskeforrások és -elnyelők)

• a Titán plazmakörnyezete

Már a Cassini által a Szaturnusznál végzett első mérések nagy érdeklődést váltottak ki. A magyar részvétellel történő plazma- és mágnesestér-mérések szempontjából érdekes megfigyelés volt, hogy a Szaturnusz körüli pályára álláskor a szonda több alkalommal áthaladt a fejhullámon és a magnetopauzán (Dougherty et al., 2005; Young et al., 2005). Ez úgy lehetséges, hogy a két elválasztó felület ki-be mozog. A Szaturnusz magnetoszférája időben változó, nagyon dinamikus rendszer. Az összehasonlítás a korábbi Voyager-megfigyelésekkel azt mutatja, hogy a magnetoszféra mérete most sokkal nagyobb, mint a 80-as évek elején. Fontos eredmény, hogy első alkalommal sikerült méréseket végezni a Titán plazmakörnyezetében (Szegő et al., 2005). A mérésekből következtetni lehetett a Titánról származó ionok összetételére, amely a metán meglepően nagy koncentrációját mutatja.

A továbbiakban három, általam a legérdekesebbnek, leglátványosabbnak ítélt eddigi eredményt ismertetek.



Leszállás a Titánon



Az ESA nagy sikert ért el azzal, hogy az általa épített Huygens szonda sima leszállást hajtott végre a Titánon. A Titán sűrű légköre miatt nem volt ismert, hogy a hold felszíne szilárd vagy folyékony halmazállapotú-e. A Titán felszínének hőmérséklete (-180 oC) és összetétele (metán, etán) alapján mindkét eset elképzelhető volt. A Huygens szondát úgy tervezték, hogy „vízre” szállást is képes legyen túlélni, és még néhány percig adatokat sugározni, amíg az akkumulátorok ki nem merülnek. A művelet várakozáson felül jól sikerült. A leereszkedéskor a lassulást mérő műszer szerint a talaj szilárd volt, de süppedékes, mocsárra emlékeztető. A leszállás után küldött képek homokhoz és folyami kavicsokhoz hasonlítható tájat mutatnak, a felvételek kiszáradt folyó- vagy tómederre emlékeztetnek. Ez arra utal, hogy folyadék okozta erózió formálja a felszínt.

Még meggyőzőbb bizonyítékokat szolgáltattak a folyadék okozta erózióra a leszállás során készített panorámafelvételek. A 3. ábra az egyik legszebb mozaikfelvételt mutatja. Laikusok számára is nyilvánvaló, hogy a képen folyadék vájta medreket, kanyonokat láthatunk. Ez azért fontos felfedezés, mert a Földön kívül eddig nem ismertünk olyan égitestet, amely felszínét még napjainkban is folyadék formálja. A folyadék jelenlétére további bizonyítékokat szolgáltat a Cassini szondán elhelyezett radar, amely a Titán minden megközelítésekor szorgalmasan térképezi a sűrű légkör alatti felszínt.

A Titánon való leszállás komoly technikai bravúr, ilyen nagy távolságban lévő égitesten még nem sikerült az emberiségnek leszállást végrehajtania. Jellemző adat, hogy a rádiójelek ebből a távolságból másfél óráig utaznak hozzánk. A Huygens szonda adását a Cassini szonda vette a leszállás során, majd a leszállás után néhány órával a Cassini Föld felé fordított parabolaantennájával sugározta vissza a begyűjtött információt. Egy szerencsés kimenetelű rendellenességet érdemes megemlíteni, amely rávilágít a technikai nehézségekre és azok leküzdésére. A Cassini szonda a Huygens rádióadásának vételekor mérte a jelek frekvenciájának Doppler-eltolódását, amiből az ejtőernyővel leereszkedő szonda sebességét és ezzel a Titán légkörének szélsebességét lehetett meghatározni. Sajnos ezek az adatok a visszajátszáskor elvesztek. De a Huygens mindössze mobiltelefon teljesítményű rádióadását a Földről is lehetett észlelni, és ki lehetett mutatni annak frekvenciaeltolódását. A leereszkedő szonda sebességének mérése a Földről olyan teljesítmény, mintha a Holdon teniszezők labdájának mozgását akarnánk a Földről követni.



Gyűrűk és holdak kölcsönhatása



Érzékeny műszerekkel kimutatható, hogy sok bolygónak, például a Földnek is van gyűrűje. A gyűrű olyan bolygó körüli körpályáknál alakul ki, amelyek perturbációkkal szemben stabilitást mutatnak, és emiatt apró részecskék is hosszú ideig képesek a pályájukon maradni. A Szaturnusz azért egyedülálló a Naprendszerben, mert a gyűrűje nagy kiterjedésű és sűrűségű. A külső átmérője 282 ezer km. Ezzel szemben a vastagsága hihetetlenül kicsi, helyenként mindössze 30 méter (tehát a gyűrű arányait tekintve egy papírlapnál mintegy ezerszer vékonyabb). A kis vastagság miatt a Szaturnusz gyűrűje nem tartalmaz sok anyagot, egy kisebb méretű jeges hold felrobbanása képes lenne az anyagmennyiségét biztosítani. A gyűrű keletkezésének ez az elmélete valóban hihető, amelyet alátámaszt, hogy a gyűrű fő összetevője vízjég. Ide vonatkozó Cassini-eredmény, hogy a CAPS plazmadetektor vízmolekulák jelentős kipárolgását mutatta ki a gyűrű környezetében, s emiatt úgy tekinthető, hogy a gyűrűnek saját légköre is van.

A gyűrű anyaga nem egységes, a már említett Cassini-rés mellett más réseket is felfedeztek, így a Szaturnuszt koncentrikusan elhelyezkedő több gyűrű veszi körül, amelyeket az ábécé betűivel jelölnek A-tól G-ig. A Voyager szondák nagy felbontású felvételei a gyűrűk fraktálszerkezetre utaló strukturálódását mutatták ki. Továbbá, a résekben keringő holdak gravitációs hatásuk révén a gyűrűkben hullámokat keltenek, ezek a hullámok jól látszanak a Cassini szonda felvételein (4. ábra).

A Cassini szonda több kisebb, néhány kilométer átmérőjű holdat fedezett fel, egy ilyen felfedezés az ún. Keeler-résben keringő holdacska is. A 4. ábrán látható a hold által keltett hullám a Keeler-rést határoló két gyűrűben. Érdemes megfigyelni az aszimmetriát: a belső gyűrűben a hullámok balra, a külsőben jobbra helyezkednek el a holdtól. Ez a már említett differenciális rotáció miatt van, amely szerint a belső gyűrűk nagyobb szögsebességgel mozognak, mint a külsők. A holdhoz képest tehát a belső gyűrű balra, a külső jobbra mozog, ez magyarázza az aszimmetrikus hullámkeltést. Megjegyzendő, hogy a hullámokból meghatározható a hold tömege, ezzel a hold anyagának átlagos sűrűsége is megbecsülhető.



Az Enceladus szökőkútjai



Az égitestek, különösen ha légkör nem védi őket, kisebb-nagyobb testek folyamatos bombázásának vannak kitéve, amelyek krátereket ütnek a felszínükön. Ha egy égitesten a kráterek száma alacsony (például a Föld esetében), az a felszínének jelentős, folyamatos átformálódására, eróziójára utal. Ebből a szempontból tűnt érdekes holdnak az Enceladus a Voyager szondák felvételein (5. ábra), amelyek szerint a hold egyik oldalán hiányoznak a kráterek. A megszokott, kráterekkel borított felszín helyett a kép bal oldala inkább jégtáblákra, rianásokra emlékeztet.

A mintegy 500 km átmérőjű Enceladus közel gömb alakja arra utal, hogy valaha az égitest olvadt állapotban volt, de geológiai aktivitást napjainkban már nem várunk tőle. Ezért volt meglepő, a Cassini űrszonda eddigi felfedezései között talán a legnagyobb, hogy az Enceladus déli sarkánál aktív kitörést figyeltek meg. A 6. ábra a felkelő Nap fényében szökőkutakra emlékeztető kisugárzásokat mutat az Enceladusnál, a kiáramló anyag a hold átmérőjével összemérhető magasságig követhető a felvételen. Ezzel az Enceladus egy igen exkluzív társaság negyedik tagja lett. Ugyanis már négy olyan bolygótestről tudunk a Naprendszerben, amelyek anyagkilövelléssel járó aktivitást mutatnak. A Föld esetében közismert a vulkáni és gejzírtevékenység, amelyet a radioaktivitás keltette hő táplál energiával. A Jupiter Io holdján ként kilövellő vulkánok vannak, ott a hő forrása az óriásbolygó által keltett árapályfűtés. A Neptunusz Triton holdja is mutat gejzírszerű, néhány kilométer magasságig kiterjedő nitrogén- és porkilövelléseket. Az Enceladus most felfedezett „szökőkútjai” jégrészecskéket lövellnek ki. A jelenség magyarázata még nem ismert, de a lemezmozgások szerepet játszhatnak benne. Erre utal, hogy az infravörös felvételek szerint a lemezhatárok kb. 10 fokkal melegebbek a környezetüknél.

Az Enceladus aktivitásának felfedezése érdekes történet. A képalkotó kamerák helyett először egy másik műszer, a Cassini magnetométere jelezte gyenge légkör jelenlétét a hold környezetében. Az Enceladus 2005. január 16-i megközelítésekor a mágneses tér elhajlását észlelték, valamint olyan hullámokat detektáltak, amelyeket ionizált vízmolekulák idézhetnek elő. A felfedezést összefüggésbe hozták olyan Cassini-felvételekkel, amelyeken jégrészecskék kilövellésére utaló nyomokat találtak. A következő megközelítéskor már úgy irányították a kamerákat, és olyan expozíciós időket használtak, hogy a jelenség a legjobban észlelhető legyen.

A kilövellt jégszemcsék visszahullva az Enceladus felszínére folyamatosan friss „hóval” borítják be a holdat. Ez magyarázatot ad arra, miért az Enceladus a Naprendszer legnagyobb fényvisszaverő képességű égiteste (a napfény 90 %-át veri vissza). A szökőkutak felfedezése kapcsolódik a Szaturnusz E gyűrűje keletkezésének megértéséhez is. Az E gyűrű eltérő tulajdonságokat mutat a többi Szaturnusz-gyűrűhöz képest, mert nagyon apró porszemcséket és gázokat tartalmaz. A részecskék eredetére már korábban is számításba vették a gyűrű közelében keringő Enceladust mint forrást, ez a feltételezés most megerősítést nyert. Az E gyűrűt alkotó apró részecskék mozgásának modellezésében az RMKI munkatársa, Juhász Antal fontos eredményeket ért el.



Összehasonlítás korábbi megfigyelésekkel



A Cassini nem az első űrszonda, amely felkereste a Szaturnusz rendszerét. Érdemes tehát elgondolkodnunk azon, hogy ez az új küldetés mennyiben nyújt jobb lehetőséget, előrelépést a korábbiakhoz képest.

A Cassini műszerparkja korszerűbb és jobb felbontást tesz lehetővé, mint a korábbi Pioneer-11 és Voyager-1, -2 szondáké. A Cassini szondán például radar is van. További előny, hogy a Cassini szondának alkalma adódik a tanulmányozott égitesteket közelebbről is meglátogatni. Ebből a szempontból a legnagyobb előny a leszállás a Titánon. Továbbá a Szaturnusz körüli keringés lehetőséget kínál ismételt megfigyelésekre, ezzel időbeli változásokat tanulmányozhatunk, illetve megállapíthatjuk, mely események tekinthetők átlagosnak, tipikusnak és melyek a szokásostól jelentősen eltérőek. Az időbeli változásoknál maradva azonban a korábbi megfigyelések is rendkívül hasznosak, az összehasonlítás velük nagyon fontos. A hosszú idejű változások oka közül kettő lehet érdekes: a naptevékenység tizenegy éves ciklusa, és a Szaturnusz harmincéves keringése. Az előbbi a napszél paramétereiben fontos, ami befolyásolhatja a Szaturnusz plazmakörnyezetét. Az utóbbi a gyűrűket megvilágító napsugarak beesési szöge miatt lehet érdekes. Ahogy azt Christiaan Huygens már 350 évvel ezelőtt lerajzolta (1. ábra).

Visszatérve a jelenbe, bízhatunk benne, hogy a Cassini misszió tartogat még meglepetéseket számunkra.



Kulcsszavak: csillagászat, űrfizika, Szaturnusz, Titán




1. ábra.• Christiaan Huygens rajza a Systema Saturnium című könyvében a Szaturnusz gyűrűjének inklinációjáról az ekliptikához képest.


2. ábra • A Cassini űrszonda pályája a Szaturnusz körül.


3. ábra • A Huygens leszálló szonda fényképe a Titán felszínéről (ESA–NASA–JPL–University of Arizona)


4. ábra • A Szaturnusz gyűrűjében hullámokat keltő holdacska (NASA–JPL felvétele)


5. ábra • Az Enceladus hold a Voyager-2 űrszonda felvételén (NASA–JPL)


6. ábra • Szökőkút az Enceladus déli sarkánál (NASA–JPL felvétele)



IRODALOM

Dougherty, Michele K. et al., incl. Erdős, G. (2005). Cassini Magnetometer Observations During Saturn Orbit Insertion. Science. 307, 1266–1270.

Szegő Károly– Bebesi Z(s). – Erdős G. – Földy L. et al. (2005). The Global Plasma Environment of Titan as Observed by Cassini Plasma Spectrometer during the First Two Close Encounters with Titan. Geophysical Research Letters. 32, DOI:10.1029/2005GL022646

Young, David T. et al., incl. Bebesi Zsófia, Szegő Károly (2005). Composition and Dynamics of Plasma in Saturn’s Magnetosphere. Science. 307, 1262–1266.


<-- Vissza a 2006/8 szám tartalomjegyzékére


<-- Vissza a Magyar Tudomány honlapra