Jaroslav Heiniš - revize plynu, Ostrava a okolí, stavební práce, rekonstrukce, hodinový manžel (www.heinis.cz). Ženklava, Kopřivnice, Příbor, Nový jičín, Bělotín, Bílovec...=Jaroslav Heiniš - revize plynu, Ostrava a okolí, stavební práce, rekonstrukce, hodinový manžel (www.heinis.cz). Ženklava, Kopřivnice, Příbor, Nový jičín, Bělotín, Bílovec...
DOMŮ   ARCHIV   IBT   IAN 1-50   IAN 50-226   IAN 227-500   RÁDIO   PŘEKVAPENÍ  
STALO SE

Drobky ve vzdálených končinách -- díl čtvrtý

Na přelomu srpna a září letošního roku uplynulo deset let od objevu prvního tělesa z Kuiperova pásu -- dosud nejvzdálenější domény ve výzkumu Sluneční soustavy. U příležitosti tohoto výročí uveřejňujeme seriál, který by měl shrnout naše dosavadní znalosti nejen o transneptunických objektech, ale i celé vnější oblasti Sluneční soustavy.

Nejmenší z nejmenších

Ilustrační foto...Jak velká tělesa z Kuiperova pásu jsme dnes schopni detekovat? Dvěstěkilometrová a stokilometrová tělesa jsou rutinou, padesátikilometrová poměrně častá, ale s menšími rozměry je to horší a horší. Předpokládáme, a zdá se to být zcela logické, že Kuiperův pás se menšími tělesy jen hemží. Pokud má být zdrojem krátkoperiodických komet, musí obsahovat i objekty velikosti deseti či pěti km. Takové velikosti mají totiž jádra krátkoperiodických komet. Jejich jasnost se musí pohybovat mezi 27 a 28 magnitudami, zatím zcela mimo dosah pozemských dalekohledů. Ne však pro Hubblův vesmírný dalekohled -- jak se ukázalo v roce 1994. Tým astronomů z Texaské univerzity, Southwest Research Institutu a Queens Univerzity v Kanadě ukázal, že je možné použít HST i pro prohlídku Kuiperova pásu, byť s pomocí značně sofistikovaných metod.

Během 21. až 23. října 1994 pořídil HST celkem 34 snímků jednoho malého políčka oblohy s co nejmenším množstvím hvězd a vzdálených galaxií, u ekliptiky, v souhvězdí Býka, o celkové ploše pouhých 4 čtverečních úhlových minut. Na rozdíl od jiných prohlídek byla vybrána oblast nikoliv v opozici se Sluncem (kde jsou objekty v "úplňku" a tudíž nejjasnější), ale v tzv. kvadratuře, úhel Slunce -- Země -- objekt svíral 90 stupňů. Pro objekty v kvadratuře se totiž do jejich pohybu na obloze nepromítá pohyb Země a tak je jejich pozorovaná úhlová rychlost dána čistě jen jejich vlastním pohybem. To umožňuje daleko snáze určit vzdálenost objektu, jestliže předpokládáme, že se pohybuje okolo Slunce po kruhové dráze (bylo již předem jasné, že žádná follow-up pozorování nebudou moci být uskutečněna, a proto bylo třeba, aby si astronomové byly jisti, že to, co pozorují, jsou skutečně objekty z Kuiperova pásu).

Každá expozice byla dlouhá přibližně deset minut. Na CCD kameře dalekohledu (byla použita WFPC2) se za tuto dobu objekt z Kuiperova pásu posune asi o jeden pixel, nicméně v průběhu 30 hodin, ve kterých byly jednotlivé snímky pořizovány, už to znamenalo celkem 300 pixelů dlouhou stopu, "vytečkovanou" tak, jak se objekt objevoval na jednotlivých snímcích posunutý.

Bohužel, nalézt na těchto snímcích stopy po pomalém pohybu objektů bylo zprvu zcela nemožné. Každý snímek byl zaplaven stovkami stop po průletu částic kosmického záření. Některé vypadají jako čárky, jiné jako body, v závislosti na směru letu částice, a jsou běžným průvodním jevem i u snímků pořizovaných pozemskými dalekohledy (ovšem ne v tak velkém počtu). Náhodné koincidence těchto falešných "objektů" na různých snímcích, vytvářející iluzi pohybujícího se objektu, by byly mnohem častější, než skutečně zachycené reálné těleso.

Takto poznamenány jsou veškeré surové snímky z HST. Tento šum se běžně odstraňuje tak, že se pořídí více snímků téže oblasti oblohy, a ty se poté "spojí" v jeden snímek takovým způsobem, že výsledný obrázek obsahuje pouze to, co mají všechny surové snímky společné (tzv. mediánový filtr). Výsledkem jsem ony krásné obrázky, které všichni známe. Naneštěstí je to postup použitelný pouze pro statické objekty -- jakýkoliv pohybující se objekt je tímto způsobem ze snímků "vyčištěn" stejně jako stopy kosmických částic.

A tak se astronomové rozhodli použít přesně obrácený postup -- takto vyčištěný snímek odečetli od všech 34 expozic. Získali 34 snímků, na kterých nebyly žádné hvězdy ani galaxie, ale jen stopy částic a možná objekty z Kuiperova pásu. A jak v nich tato tělesa nalezli? Nejprve zvolili náhodně parametry 500 drah typických pro KBOs. Pro každou z těchto náhodně zvolených drah spočítali, jakou rychlostí a jakým směrem by se takový objekt na snímcích pohyboval. Snímky vyčistili mediánovým filtrem, ale tak, že je na sebe poskládali vzájemně posunuté o tento vypočtený pohyb. Ze snímků tedy zmizelo vše, co tomuto pohybu neodpovídalo. Zůstala jen tělesa s drahami podobnými dané zvolené dráze. Tímto postupem bylo nalezeno 53 objektů do 28,6 mag. Mnoho z nich ale stále mohly být jen náhodné kombinace chyb. Aby i tuto možnost ošetřili, provedli stejný postup, ale snímky poskládali tak, jak by to odpovídalo pohybu těles v opačném směru. Hledali tak objekty, které by se musely vyskytovat na retrográdních drahách. I na takto upravených snímcích skutečně nalezli "objekty", ale bylo více než o polovinu méně. A protože v Kuiperově pásu zatím neznáme jediný objekt, který by se pohyboval na retrográdní dráze (tedy opačným směrem než všechny ostatní) a rovněž vznik takového tělesa je krajně nepravděpodobný, lze se domnívat, že tyto objekty jsou pouze důsledkem šumu.

Nuže, je-li zastoupení šumu mezi prográdními a retrográdními objekty stejné, pak část z oněch 53 nalezených je pouhý šum a zbude 29 objektů v rozsahu 27,8 až 28,6 mag (předpoklad albeda 4 procenta dává rozměry 5 až 10 km) . Které z nich jsou pravé, a které falešné, stanovit nelze. Nicméně 29 těles o velikosti na snímku o velikosti čtyř čtverečních úhlových minut představuje 25 tisíc těles na čtvereční stupeň, odkud dostáváme odhad 2 x 108 takovýchto kometárních jader v celém Kuiperově pásu.

 

Rezonance 3:2

Pojem orbitální resonance 3:2 s Neptunem již v článku několikrát padl, ale on sám i vše ostatní, co s ním souvisí, si zaslouží více pozornosti. Sama rezonance 3:2 znamená, že těleso uskuteční tři oběhy okolo Slunce, zatímco Neptun stihne oběhnout dvakrát. Podle třetího Keplerova zákona jsou velké poloosy jejich drah přibližně 39,4 astronomické jednotky. V současnosti známe na těchto drahách něco přes 110 těles a Pluto představuje jejich největšího člena -- proto se jim přezdívá Plutinos.

Zajímavé je, že mnohá z nich mají perihel uvnitř dráhy Neptunu -- jeho dráhu kříží -- a řada dalších se k ní přibližuje na malou vzdálenost. Přesto nedochází k jejich blízkému setkání s touto planetou. Zásluhu na tom má právě ochranný mechanismus 3:2 rezonance. Ten je znám již od roku 1964 pro Pluto a zřejmě se uplatňuje i u ostatních těles. C. J. Cohen a E. C. Hubbard z U. S. Naval Weapons Laboratory ve Virginii tehdy použili vojenský počítač k výpočtu dráhy Pluta zpět do minulosti o 120 tisíc let se započtením gravitačních poruch všech velkých planet (výpočet běžel asi 80 hodin).

Ilustrační foto...

Vzájemný poměr oběžných dob Pluta a Neptuna způsobuje, že během jednoho oběhu Pluta, od perihelu do perihelu (od přísluní do přísluní), vykoná Neptun 1,5 svého oběhu. Je-li tedy v okamžiku jednoho přísluní Pluta Neptun například o 90 stupňů za Plutem, bude při následujícím přísluní 90 stupňů před ním, a tato situace se po dvou obězích Pluta vždy periodicky opakuje. Pluto se tak nikdy nemůže přiblížit k Neptunu na vzdálenost menší, než je jistá minimální hodnota (asi 18 AU), a tak k těsnému setkání (které by způsobilo jeho vyvržení na velmi excentrickou dráhu -- mezi Kentaury či SDOs) nemůže dojít.

Poměr oběžných dob Pluta a Neptunu není přesně ideálních 3:2, to by bylo samo o sobě velmi nepravděpodobné a navíc na Pluto působí Neptun sám i další planety. A tak se úhel mezi Plutem v perihelu a Neptunem zvolna mění. Nikdy ale neklesne až blízko k nule -- zásluhu na tom má sám Neptun. Pokud je úhel mezi Plutem v přísluní a Neptunem malý a Pluto se nachází před Neptunem, Neptun ho na jeho dráze mírně zpomaluje. To vede k tomu, že se oběžná doba Pluta zmenšuje, a proto do následujícího přísluní (přesněji řečeno, do přísluní po dvou obězích, v němž je opět blízko Neptunu) dorazí o trochu dříve. Neptun tak za Plutem začíná "zaostávat" a úhel mezi Plutem v přísluní a Neptunem se začíná zvětšovat. To se děje tak dlouho, až druhé přísluní (které do té doby nastávalo vždy v dostatečné vzdálenosti od Neptunu, než aby to mělo nějaký vliv) "dožene" Neptun zezadu. Úhel mezi Plutem v perihelu a Neptunem je tak opět malý, tentokrát se ale Neptun nachází před Plutem a začíná ho na dráze urychlovat. Oběžná doba Pluta se zvětšuje, do perihelu tak dospívá pokaždé později a situace je opačná než v případě předchozím -- přísluní vzadu za Neptunem začíná couvat. Oběžná dráha Pluta se tak chová jako veliké kyvadlo, s periodou jednoho kyvu 19 670 let.

Další otázkou (dnes již zodpovězenou) je, jak vůbec došlo k tomu, že Pluto a další tělesa byla zachycena v rezonanci 3:2. Pokud srovnáme celkový počet těles v Kuiperově pásu s počtem Plutinos, uvidíme, že na rezonantních drahách je jich až neobvykle mnoho. Na první pohled by se mohlo zdát, že se zde uplatnil jakýsi přírodní výběr: tělesa, která křížila dráhu Neptunu a nebyla chráněna rezonancí byla již dávno ze svých drah vymetena blízkými setkáními s planetou. Jenže všechna tělesa v rezonanci mají velké excentricity a sklony drah, což naznačuje, že na těchto drahách nemohla vzniknout (srážkové rychlosti částic by byly tak vysoké, že by se vzájemně nespojovaly ve větší objekty, ale naopak tříštily), ale odehrál se zde nějaký složitější proces, který vedl k tomu, že se na tyto dráhy tělesa dostala až následně. Vysvětlení tkví ve vzniku a dalším vývoji velkých planet -- Jupiteru až Neptunu.

Ilustrační foto...Po vzniku vnějších planet Sluneční soustavy, nebo alespoň jejich dostatečně hmotných zárodků, zbylo v těchto oblastech ještě velké množství malých těles, mnohem větší -- až o několik řádů, než dnešní pozorovaná hustota Kuiperova pásu. Při častých setkáních s planetami byla tato malá tělesa systematicky vypuzována na výstředné dráhy. Některá mířila směrem ke Slunci -- byly to obří komety, které v době zvané "éra velkého bombardování" přinesly vodu na planetu Zemi. Další směřovala do vzdálených oblastí Sluneční soustavy a dala vznik Oortovu oblaku komet.

Při každém takovém setkání malého objektu s planetou se rovněž lehce měnila dráha planety. Jestliže bylo těleso vyvrženo na dráhu mířící ven, planeta sama trochu energie ztratila a dostala se na dráhu mírně bližší ke Slunci. V opačném případě naopak na úkor ztráty energie malého tělesa si planeta "přilepšila" a dostala se na vzdálenější dráhu. Jednotlivé situace byly závislé na geometrii takového setkání a pro osamocenou planetu by byly zhruba vyrovnané -- stejné množství těles by bylo vyvrženo dovnitř i ven a planeta by svou dráhu neměnila.

Kombinací vzájemného působení všech čtyř vnějších planet byla ale situace složitější. Většina Neptunem dovnitř rozptýlených těles vstupovala do sféry vlivu Uranu, Saturnu a Jupiteru. Naopak tělesa, která rozptýlil Jupiter směrem od Slunce se setkávala se Saturnem, Uranem a Neptunem. A proto tato setkání již nebyla vyrovnaná -- vzdálenější planety se potkávali více s tělesy o vyšších energiích, které jim udělil Jupiter, a naopak k Jupiteru proudila již zbržděná tělesa z vnějších oblastí. Jupiter, jakožto nejhmotnější planeta, snižoval svou dráhu nejméně, ale o to více intenzivnější byl tok těles od něj rozptýlený vně. Během "čištění" prostoru od zbylého materiálu se tak Jupiter dostal o 0,2 astronomické jednotky blíže ke Slunci, na jeho dnešní dráhu. Naproti tomu Saturn zvýšil svou dráhu o 0,8 AU, Uran o 3 AU a Neptun asi o 8 astronomických jednotek! Zdá se to až neuvěřitelné, nicméně tato čísla nepadají z nebe, jsou výsledkem mnoha numerických simulací, které provedli zejména astronomové J. A. Fernandez a W. H. Ip v roce 1984 a Renu Malhotra z Lunárního a planetárního institutu v Texasu v 90. letech dvacátého století.

V dobách svého vzniku byl tedy Neptun ve vzdálenosti zhruba 22,2 AU od Slunce. Stejně tak i poloosy drah, příslušející 3:2 rezonanci (i všech ostatních rezonancí) byly blíže Slunce. Během doby, za níž se Neptun přesouval na jeho současnou dráhu, což trvalo asi 30 milionů let, putovala spolu s ním i 3:2 resonance a působila jako jakýsi "pluh" na tělesa za drahou Neptunu. Jak narůstal gravitační vliv Neptunu na tělesa za jeho drahou, excentricity i sklony jejich drah rostly a poté, co se dostala do resonance, zvyšovaly se i velké poloosy jejich drah, spolu s narůstající vzdáleností Neptunu od Slunce. Tělesa zůstala uvězněna v resonanci, která je "odtlačila" až do dnešních poloh.

Vedle 3:2 rezonance se v Kuiperově pásu objevují i další poměry oběžných dob, zejména 2:1 resonance (pro dráhy s velkými poloosami 47,8 AU) a 4:3 na 36,5 AU. Dnes i na nich známe některé objekty, ale jejich počty jsou nižší, než by vycházelo ze simulací. I tyto resonance totiž putovaly skrz dřívější Kuiperův pás a tělesa by se v nich měla nahromadit. Tento pozorovaný deficit zatím není zcela objasněn. Co ovšem vysvětluje průchod 2:1 resonance Kuiperovým pásem, jsou velké excentricity a sklony drah ostatních těles -- klasických KBO. Právě v rezonancích je vliv Neptuna na malé objekty největší a jejich excentricity i sklony drah podléhají, než se ustálí na nějaké výsledné hodnotě, značným změnám. Ale ne všechny byly v těchto rezonancích zachyceny. Tato zbylá tělesa, která nebyla odtlačena až k hranici 47,8 AU nyní tvoří klasický Kuiperův pás.

(pokračování příště)

Petr Scheirich

 IAN.cz
Probíhá experiment. Stránky se pomalu dostávají ze záhrobí zpět na světlo digitálního světa... Omluvte nedostatky, již brzy snad na této adrese najdete víceméně kompletní archiv IAN...
archiv zdroj
RULETA
Víc objektivů, víc vidí
Ilustrační foto...
Několik vět: Antonín Vítek
Ilustrační foto...
Stelární biliár
Ilustrační foto...
Pohleďte na místo stvoření!
Ilustrační foto...
Protoplanetární disk za galaktickými humny
Ilustrační foto...
STALO SE
4.12.2012 -
Probíhá experiment. Stránky se pomalu dostávají ze záhrobí zpět na světlo digitálního světa... Omluvte nedostatky, již brzy snad na této adrese najdete víceméně kompletní archiv IAN...

WEBKAMERA
 Upice webcam / widecam
UPICE WEBCAM

Add to Google

 

Pridej na Seznam
 

  © 1997 - 2017 IAN :: RSS - novinky z astronomie a kosmonautiky SiteMap :: www :: ISSN 1212-6691