Sluneční vítr - úklidová četa Slunečního systému

Každou vteřinou ztrácí Slunce díky tzv. "slunečnímu větru" milión tun částic. Zdá se, že je to hodně. Vzhledem ke stáří,  jakého se Slunce dožije, ale vyzáří během svého života slunečním větrem jen 1/100 000 své hmoty.

Slunce posílá rychlostí až 3 milióny kilometrů za hodinu do svého okolí vysoce energetickou plasmu. Skládá se z elektronů,  protonů a heliových jader, „horkých“ až milión stupňů. Z oblastí kolem pólů Slunce pochází tzv. „rychlý“ sluneční vítr (900 km/s), z ostatních oblastí tzv. „pomalý“ vítr, s rychlostí kolem 400 km/s.

Heliosféra

Proud těchto částic v minulosti postupně vyčistil sluneční systém od původní mezihvězdné hmoty. Dnes se v systému nachází (kromě větších těles, která vznikla v dávných dobách) už jen hmota, vyvržená Sluncem. Naše centrální hvězda tak kolem sebe vytvořila víceméně prázdnou bublinu, které říkáme heliosféra a která sahá do vzdálenosti 100 – 150 astronomických jednotek.

 Obrázek: Schema Sluneční soustavy - heliosféra, terminační vlna, heliopauza. Zdroj: https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/4/4f/Voyager_1_entering_heliosheath_region.jpg?uselang=de

AU - Astronomická jednotka

Vzhledem k obrovským rozměrům Slunečního systému se vzdálenosti často neudávají v kilometrech, ale v jednotkách, které jsou daleko vyšší. Často se používá tzv. Astronomická jednotka (AU). Je to vzdálenost mezi Sluncem a Zemí, zhruba – 150 000 000 km. Pokud je těleso vzdáleno 100 AU, je tedy od Slunce 100x vzdálenější, než Země.

Terminační vlna

Na hranici Sluneční soustavy naráží sluneční vítr na mezihvězdnou hmotu. Tím se rychle letící částice brzdí – z původních zhruba 350 km/s na 130 km/s. Jejich energie přispívá k nahřívání částic, na které vítr narazil i k jejich urychlení. Této oblasti vědci říkají "terminační vlna".

Terminační vlna není stabilním předělem. Je dynamická a podobá se spíše příboji. Sondy Voyager, které se dostaly až na kraj Sluneční soustavy, objevily terminační vlnu ve vzdálenosti 94 a 84 AU. Jedna ze sond (Voyager 2) dokonce prošla terminační vlnou během svého letu hned několikrát.

Heliosheath

Další vrstvě, která se nachází na samé hranici Slunečního systému, se anglicky říká heliosheath. Pozorujeme v ní nárůst teploty a hustoty hmoty. Částice slunečního větru se mísí s mezihvězdnou hmotou, která sem částečně proniká z vnějšku Slunečního systému. Tvoří turbulence a víry. Tato vrstva není symetrická. Ve směru pohybu Slunce prostorem je silná zhruba 10 AU, v opačném směru až 100 AU. Vytváří se zde efekt ne nepodobný ohonu komet, které se dostaly blízko ke Slunci.

Heliopauza

Za samotnou hranici Slunečního systému se dá považovat tzv. heliopauza. Částice, vyvržené Sluncem se tu mísí s mezihvězdnou hmotou. Nepozorujeme zde už žádné další cílené proudy slunečního větru.

Sluneční vítr a jeho vliv na Zemi

Jedna ze součástí slunečního větru, který naráží na povrch Měsíce, se podílí na vzniku tamní vody.  Z měsíčního prachu (regolitu) a protonů, vyslaných Sluncem se tvoří předstupně a poté i molekuly H2O. Výrony hmoty,  tzv. sluneční protuberance pro změnu povrch Měsíce „frézují“. Jejich působením ztrácí náš Měsíc až 100 tun hmoty za den. Oba jevy umožňuje stejný jev – Měsíc nemá podobnou ochranu proti slunečnímu větru, jakou vlastní Země. Bez ní by byl život na Zemi jistě jen krátkou epizodou.

Povrch Země chrání před slunečním větrem její magnetické pole. Zachytává částice záření a odklání je, nebo je koncentruje v tzv. Van-Allenových pásech. Sluneční protuberance, které vysílají do okolí Slunce proudy ionizované hmoty, mohou pozemské magnetické pole sice „ohnout“, ale neumí ho zničit. Na Slunci přilehlé straně se formuje „příbojová vlna“, na odlehlé straně se magnetické pole formuje do protáhlého tvaru. (viz obrázek dole).

Obrázek: Vliv Slunce na magnetické pole Země. Zdroj: https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/f/f3/Magnetosphere_rendition.jpg?uselang=de

Polární záře

Intenzita slunečního větru je závislá na sluneční aktivitě, konkrétně na stavu magnetického pole Slunce.

Na Slunci vznikají díky kolísání magnetického pole tzv. sluneční skvrny. Tyto skvrny pak přispívají k tvorbě výronů hmoty – protuberancí. Mrak částic slunečního větru tvořený protony, elektrony a alfa částicemi se pohybuje sluneční soustavou, dokud se na své cestě nesetká s magnetickým polem Země. To ho z větší části odkloní dál do vesmíru, ale část ho zachytí a stáčí po spirálách směrem k magnetickým pólům Země. Tam sluneční vítr interaguje s atmosférou a tvoří světelný úkaz, kterému říkáme lidově polární záře.

Vliv slunečního větru na komety

Sluneční vítr se podílí také na jednom z nejkrásnějších jevů, jaké pozorujeme na noční obloze. Čas od času navštíví vnitřní Sluneční soustavu a tím i naši Zemi, vzácná návštěva z poměrně chladných vnějších oblastí. Objekt,  který se přiblíží Slunci blíže, než je dráha Jupitera, začne díky slunečnímu záření ztrácet svou hmotu. Kondenzovaná voda nebo plyn se začnou vypařovat a spolu s uvolněným prachem vytváří dlouhý kometární ohon.

Nemíří, jak by se mohlo možná zdát, proti směru pohybu komety. Právě díky slunečnímu větru míří kometární ohon vždy směrem  od Slunce a následuje tím směr, kterým se ubírá sluneční vítr. Tento jev je dobře viditelný také proto, že podobný kometární ohon může být až několik miliónů kilometrů dlouhý.

Naše Slunce – jeden z trpaslíků

Slunce patří do rodiny hvězdných trpaslíků. Je naší nejbližší hvězdou a zároveň tou, která je nejlépe prozkoumaná. Je jednou z průměrných hvězd, jakých existují ve vesmíru miliardy. Jak to vypadá uvnitř Slunce? 

Několik čísel

Je s odstupem tím největším objektem ve Sluneční soustavě. Jeho průměr činí 1 400 000 km, hmotností převyšuje Zemi zhruba 333 000 krát. V jeho centru probíhá termonukleární reakce, ve které se během jedné vteřiny spálí 564 miliónů tun vodíku na helium. Teplota zde dosahuje 15 miliónů Kelvina, zatímco tlak je pro nás téměř nepředstavitelný: 220 miliónů atmosfér. Během každé vteřiny se v něm přemění 4 milióny tun hmoty na energii.

Země od něj dostává ročně 750 biliónů kilowatthodin sluneční energie. Pro srovnání – je to 8000x více, než za stejnou dobu spotřebuje celá naše civilizace.

 Diferenciální rotace

Některé jeho vlastnosti se dají vysvětlit specifickou rotací Slunce. Rovníková zóna rotuje daleko rychleji než polární. Příčinou této specifické rotace je nejspíše konvekce (přenos hmoty) v podpovrchové oblasti Slunce.

Slunce rotuje ve stejném směru jako Země při svém oběhu kolem něj, stejně jako většina planet. Je to logické – všechny objekty ve Sluneční soustavě vznikly ze stejného prachoplynného disku. Dnešní výjimky ve směru rotace různých menších objektů jsou způsobeny srážkami v někdejším mladém systému.

Obrázek: struktura Slunce. Zdroj: s laskavým dovolením NASA [Public domain or Public domain], via Wikimedia Commons, https://commons.wikimedia.org/wiki/File:469368main_sun_layers_unlabeled_full.jpg

Jádro

Pokud bychom mohli Slunce rozříznout a nahlédnout do jeho nitra, ukázalo by se, že se skládá z několika zón. V jeho jádru se nachází oblast,  ve které probíhá fúze vodíku na helium. Je zhruba 28 000 km velká. Panuje v ní teplota kolem 14 600 000 Kelvinů. Právě v ní vzniká gama-záření a neutrina, které následovně putují k povrchu hvězdy.

Vrstva v zářivé rovnováze

Transport energie, vzniklé  v centru Slunce, se může realizovat dvěma různými způsoby: zářením a konvekcí. Významná část transportu se děje pomocí záření. Odpovídající oblast bychom našli ve vrstvě silné 530 000 kilometrů. Hraničí se slunečním jádrem a zabírá zhruba ¾ slunečního poloměru. Teplota v ní postupně klesá až k 1 300 000 stupňům Kelvinů.

Gama-fotony se v této vrstvě srážejí s elektrony místní hmoty a jsou jimi absorbovány. Elektrony tím získají vysokou energii, kterou následně vyzáří formou nového fotonu. Vzhledem k tomu, že mezitím část energie spotřebovaly, zvyšuje se postupně vlnová délka fotonů. Původní gama-kvanta pokračují ve své cestě směrem k povrchu Slunce jako rentgenové záření. Už jen cesta ven z jádra Slunce trvala  fotonům zhruba 26 000 let. V této vrstvě stráví většinu následujících desítek miliónů let.

Konvektivní zóna

Další zóna umožňuje přenos energie pomocí konvekce (proudění hmoty). Dosahuje do vzdálenosti 680 000 kilometrů od centra hvězdy. Teplota v ní dosahuje už „jen“ 100 000 Kelvinů. Fotony jsou zde absorbovány existujícími ionty a mění se neustálým vyzařováním a dalším pohlcováním na ultrafialová kvanta. Konvekční zóna obsahuje jen asi 2 % hmoty Slunce. Naprostá většina jeho hmoty se totiž nachází v jeho vnitřních částech (90%).

Fotosféra

Ve fotosféře, 400 km silné oblasti, ve které se vlnová délka původního záření změnila natolik, že je viditelné pro naše oči, se teplota snižuje na 9000 Kelvinů. Cesta fotonů z jádra sem trvala 10 000 000 let. Neutrina, která společně s nimi vznikala při termonukleární fúzi, s ostatní hmotou téměř nereagují. Dostihují naši Zemi už po osmi minutách. Každý čtvereční centimetr povrchu Země prolétne za vteřinu 70 000 000 slunečních neutrin. Díky těmto zajímavých, netečným částicím, se vědcům daří porovnat jadernou fúzi v dobách před 10 000 000 let a dnes. O stavu slunečního reaktoru v jeho minulosti k nám nesou informace fotony. O jeho stavu aktuálním pak neutrina. Výsledek měření je uklidňující - na termojaderné fúzi se v posledních milionech let nic nemění, je stabilní. 

Nejmarkantnějším znakem sluneční atmosféry je její granulace. Jednotlivé oblasti, s velikostí kolem 1000 km se pohybují rychlostí několika metrů za vteřinu. Horké „granule“ stoupají z konvekční zóny na povrch, tam se ochlazují a po několika minutách zase klesají zpátky.

Na samém slunečním okraji vládne teplota už jen 4300 stupňů Kelvina. Záření, které dosáhlo tohoto bodu, je už natolik pozměněno (termalizováno) neustálými srážkami s částicemi, pohlcováním a znovuvyzařováním, že opouští hvězdu ve viditelné části spektra.

Chronosféra

V chromosféře, další části sluneční atmosféry, se teplota znovu zvyšuje. 704 000 km od středu hvězdy už dosahuje 300 000 Kelvina. Chromosféra se dá nejlépe pozorovat během slunečního zatmění. Pozorovatele jistě uchvátí zajímavou hrou protuberancí a výronů hmoty. Mohou dosáhnout až výšky 100 000 km. Způsobují je změny v magnetickém poli Slunce.

Ve sluneční koróně, zářícím obalu hvězdy, dosahuje teplota 1 000 000 stupňů.

Obrázek: Přenos energie ve Slunci. Zdroj: Ascánder at Spanish Wikibooks [GFDL (http://www.gnu.org/copyleft/fdl.html) or CC-BY-SA-3.0 (http://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0/)], via Wikimedia Commons, https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Inside_the_sun.PNG

K tomu, aby byla hvězda stabilní, v ní musí existovat vnitřní rovnováha mezi vlastní gravitací a tlakem záření, které ve hvězdě vzniká. V opačném případě by musela explodovat nebo se zhroutit. V této rovnováze se nachází i naše Slunce.

Od doby svého vzniku spotřebovalo Slunce zhruba polovinu svého vodíkového paliva. Má tedy před sebou ještě 4 miliardy let klidného vývoje. Poté kvůli nedostatku paliva jeho termojaderná fúze částečně ustane. To donutí Slunce ke kolapsu své vnitřní části. Smrštění bude mít za následek další zvýšení vnitřní teploty a zážeh dalšího druhu jaderné fúze, ve které tentokrát bude spalovat „popel“ dřívější termonukleární fúze – helium.

Toto zvýšení teploty bude  mít ale pro naši planetu dalekosáhlé následky. Donutí expandovat vnější obaly Slunce. Jeho povrch dosáhne pravděpodobně až mezi dráhu Venuše a Země. Slunce se stane rudým obrem a pohltí většinu svých vnitřních, kamenných planet. Tímto definitivně zanikne Merkur, Venuse a nejspíše i naše Země.

Četli jste pozorně? Malá hádanka.

Slunce je obří plynovou koulí. Je tedy teoreticky možné (za předpokladu, že máme ochranu před vysokou teplotou a zářením, které v něm panují) Sluncem proletět.

Co bychom viděli, kdybychom sedli do hypotetické rakety a ponořili se do Slunce?

Proč je v noci tma?

Proč je v noci tma? Proč na nebi nezáří nekonečné množství hvězd, když jsme součástí nekonečného vesmíru? Moderní věda nabízí hned tři vysvětlení jevu, který v bezesných nocích zaměstnával celé generace našich předků. 

Zdrojem světla na Zemi je Slunce. Díky tomu, že se Země otáčí kolem své osy, dostává světlo a tím i potřebnou energii střídavě celý zemský povrch. Slunce zdánlivě putuje po nebi poté, co vyšlo na východním obzoru. Když zapadlo za západním obzorem, Sluneční světlo mizí. Na obloze zůstávají jen tisíce hvězd. 

Ty jsou podobné Slunci – jsou jen hodně vzdálené, takže se jejich světlo zdá mnohem slabší. Ve vesmíru je jich ale obrovské množství – a vesmír je přeci nekonečný! V nekonečném vesmíru by tedy mělo existovat nekonečné množství hvězd, které zaplní každý centimetr oblohy. Ta by pak měla teoreticky celá zářit podobně jako naše Slunce. Jak to, že nic podobného nepozorujeme? Proč je v noci tma?

Když probíhala v roce 1610 debata o tom, zda je možné, aby vesmír nekonečný, byl to Johannes Keppler, kdo proti nekonečnosti vesmíru argumentoval právě noční tmou. Kdyby na nebi bylo nekonečné množství hvězd, muselo by celé zářit a i v noci by muselo být takové světlo jako ve dne. Pro tehdejší fyziku byl tento argument nevyvratitelný.  

Dnes vidíme situaci trochu jinak. Jevu se dnes říká „Olbersův paradox“. Heinrich Olbers totiž v roce 1823 otázku znovu oživil. S novými znalostmi, konkrétně s objevem mezihvězdného plynu a prachu, nabídl i nové vysvětlení temné noční oblohy. „Oblaka mezihvězdné hmoty mohou světlo hvězd pohlcovat a tím odstínit“, byl jeho argument.

Dnes víme, i on se mýlil.  Je jen logické, že mezihvězdný prach by se pohlcováním světla hvězd musel nahřívat, a to až do té míry, že by sám začal zářit. Nakonec by tedy i plyn a prach musel k osvětlení našeho nočního nebe přispět, nikoliv ho snížit.

Počátkem 20. století, po objevu galaxie v Andromedě,  věda musela a znovu začít řešit dávno položenou otázku. Ukázalo se, že Vesmír není jen naše Mléčná dráha, obklopená obrovským prázdným prostorem. Vesmír je naopak obrovský prostor protkaný sítí hmoty, která se shlukuje do nespočetných galaxií, shluků galaxií a ještě větších útvarů, dnes nazývaných filamenty. Zářící hvězdy sice nejsou ve Vesmíru rozloženy pravidelně, v podstatě na tom ale nezáleží. V nekonečném vesmíru by přeci mělo existovat nekonečné množství galaxií, které by měly vyplnit každý kousek nebe. Jak to, že naše noční nebe nezáří stejně jako Slunce?

Odpověď na tuto otázku je zároveň jednoduchá i složitá.

Velikost vesmíru a jeho rozpínání

Náš pohled na nebe je pohledem no blízkého okolí. Dohlédneme jen tak daleko, jak je vesmír starý. Tento zvláštní jev je způsoben konečnou a konstantní rychlostí světla.

Světlo je nejrychlejším způsobem, jakým se dá v našem vesmíru přenášet informace. Ostatní částice, například i částice hmoty se mohou pohybovat maximálně touto (v našem Vesmíru platnou maximální) rychlostí.

Vesmír je starý zhruba 14 miliard let. Nejstarší světlo tedy může být staré zhruba 14 miliard let. Nejstarší a tím i nejvzdálenější informace, kterou můžeme na Zemi dostat, je proto stará a vzdálená 14 miliard (světelných) let. Všechno, co se ve vesmíru nachází ve větší vzdálenosti – je pro nás nepostřehnutelné.

Rozluštění hádanky tedy spočívá právě v tom, že se vesmír rozpíná, a to v každém svém bodě. Hodně vzdálené body se proto mohou navzájem vzdalovat větší rychlostí, než je rychlost světla. Hodně vzdálené hvězdy patří k té části vesmíru, kterou nikdy neuvidíme. Zmizela z našeho zorného pole, protože světlo, které k nám vysílají, putuje naším směrem menší rychlostí, než jakou jej od nás odnáší mezi námi právě nově vzniklý prostor.

I kdyby byl vesmír vyplněn nekonečným množstvím hvězd, z tohoto důvodu nebudeme nikdy vidět všechny – a už z tohoto důvodu budou na nebi vždy pozorovány oblasti, které nevyzařují žádné světlo.

Životnost hvězd

Teze, která předpokládá, že nekonečné množství hvězd musí vyplnit každý čtvereční centimetr nebe zářením, předpokládá zároveň, že hvězdy „žijí“ nekonečně dlouhou dobu beze změny. Realita je ovšem jiná. Hvězdy absolvují během svého vývoje řadu proměn, jejich záření kolísá a po uplynutí přesně dané doby končí svou kariéru, vybuchnou nebo poklidně vyhasnou.

Právě hodně hmotné a hodně zářivé hvězdy, které by mohly nejvíce osvětlit naše noční nebe, „žijí“ jen relativně krátkou dobu. Je tedy dobře možné, že se na osvětlování nočního nebe v minulosti už podílely a dnes jsou vyhaslé. I z tohoto důvodu nemůže být nikdy noční nebe jednolitě světlé a musí vykazovat oblasti, ze kterých k nám žádné světlo nepřichází.

Počet hvězd

Teorie zářivého nebe počítá s nekonečným vesmírem, ve kterém existuje nekonečné množství hvězd. Ve skutečnosti je počet hvězd ve vesmíru omezený. Vesmír je sice nekonečný, protože se neustále rozpíná, zároveň je v něm ale omezené množství hmoty, která se díky rozpínání  bez přestání ředí.

Je sice pravda, že neustále vznikají nové hvězdy, jejich množství ale už delší dobu klesá. Vědci odhadují, že maximální intenzita tvorby hvězd proběhla v prvních miliardách let po velkém třesku.

Nejen, že na našem nebi nemůžeme vidět nekonečné množství hvězd - postupem doby bude hvězd nadále ubývat.

A je v noci vůbec tma?

Tři výše zmíněné logické argumenty vysvětlují, proč je noční nebe temné. Následující otázka je tedy opravdu provokativní: „ Je vůbec v noci tma?“

Přísně vzato – noční nebe vůbec není tmavé, rozhodně ne ve všech oblastech spektra.

Elektromagnetické záření, ke kterému patří i viditelné světlo, může zahrnovat fotony s různou vlnovou délkou. Právě v oblasti s vlnovou délkou kolem jednoho milimetru je noční nebe kompletně vyplněno zářením. Tzv. „reliktní záření“ je pozůstatkem Velkého třesku. Díky rozpínání vesmíru se záření, které před zhruba 14 miliardami let vyplňovalo celý vesmír, ochladilo z původních 3000 K (stupňů Kelvina) na dnešních 2,7 K. Dnes je „vidět“ jen ve speciálních teleskopech, které umějí zaregistrovat právě tyto vlnové délky. Tma nočního nebe je tedy, stejně jako mnohé v naší realitě - relativní.

Na nočním nebi vidíme zhruba 6000 hvězd (3000 na severní a 3000 na jižní polokouli). Jsou od nás vzdáleny zpravidla jen několik set světelných let. Pokud chceme zahlédnout hvězdy vzdálenější, musíme ozbrojit své oči teleskopy. A je to možná dobře. Vesmír by jistě nebyl tak napínavou záležitostí, kdyby nebylo tak těžké odhalovat jeho tajemství.  

Sonda New Horizons a její cesta k Plutu

Pluto bylo donedávna astronomickou třináctou komnatou. Zatímco na ostatních planetách přistávají sondy, nebo kolem nich alespoň prolétají, byl oficiální obrázek Pluta shlukem několika světlých a tmavých bodů.

Obrázek: Mapa Pluta, vytvořená z pozorování planetky Hubble teleskopem. Zdroj: Alan Stern (Southwest Research Institute)/Marc Buie (Lowell Observatory)/NASA/ESA [Public domain], via Wikimedia Commons

Už v devadesátých letech začalo plánování projektu, který měl letos v létě nadchnout veřejnost i odborníky – průlet automatické sondy kolem Pluta. Díky finančním problémům padly první koncepty (Pluto Fast Flyby a Pluto Kuiper Express) hned v počátečních fázích. Teprve v roce 2000 se objevil nový projekt –New Horizons.

Obrázek: Sonda New Horizons. Zdroj: http://solarsystem.nasa.gov/multimedia/gallery/New_Horizons_SWAP.jpg Status: PD-USGov-NASA {{PD-USGov-NASA}} Category:Satellites

O rok později byl schválen, takže realizaci už nestálo nic v cestě. Start sondy se po několika odkladech kvůli hurikánu, špatnému počasí a závadě na nosné raketě, uskutečnil 17. 1. 2006.

 Obrázek: Start sondy New Horizons. Zdroj: http://solarsystem.nasa.gov/multimedia/gallery/New_Horizons_SWAP.jpg

Do vesmíru ji vynesla nosná raketa Atlas V(551). Přesto, že byla v té době nejsilnější použitelnou pohonnou jednotkou, musela být posílena o další stupeň, Star-48B. New Horizons opustila Zemi nejvyšším do té doby dosaženým tempem – 16,21 km/s  (58 356 km/h).
Ani touto extrémní rychlostí aby se ale sonda k Plutu v dohledné době nedostala.  Plánovanou obří vzdálenost jí pomohl překonat speciální manévr v gravitačním poli Jupitera, který přidal New Horizons další zrychlení.

Ještě několik dní po startu probíhaly drobné korektury, které snížily rotaci sondy kolem vlastní osy (rotaci získala sonda při startu). Postupně byly uvedeny do provozu různé instrumenty a New Horizons dostala první úkol: přiblížila se na zhruba 100 kilometrů asteroidu 132524 APL. Snímky, které přitom pořídila, měly zatím cvičný charakter a neměly moc vysoké rozlišení. Ty nejcitlivější instrumenty zatím nebylo možné použít, sonda totiž byla zatím příliš blízko Slunci. Aby mohly zachytit ty nejjemnější detaily Pluta, byly její instrumenty přizpůsobeny daleko slabším světelným podmínkám.

Gravitační manévr v blízkosti Jupitera

28. února 2007 proletěla sonda kolem Jupitera. Při svém přiblížení k největší planetě Slunečního systému provedla na 700 měření planety samotné  i jejích měsíců. Při největším přiblížení mu byla vzdálena 2,3 milióny kilometrů a byla dokonce tak blízko, jako nejvzdálenější jeho čtyř „galileovských“ měsíců, Kalisto.
Na Jupiterově měsíci Io pozorovala výbuch vulkánu.

 Obrázek: výbuch vulkánu, pozorovaný sondou New Horizons. Zdroj: von NASA/Johns Hopkins University Applied Physics Laboratory/Southwest Research Institute [Public domain], via Wikimedia Commons

Kromě toho využila ke svému dalšímu urychlení Jupiterovu gravitaci. Průlet kolem obří planety jí propůjčil dalších 3890 m/s, takže se stala nejrychlejším předmětem, jaký kdy lidstvo vyrobilo a poslalo do vesmíru.

Saturn, Uran a Neptun

Oběžné dráhy Saturnu dosáhla sonda 8. června 2008. Planetu samu ale nefotografovala, Saturn byl v té době v jiném bodě své dráhy.  Podobně tomu bylo i v případě Uranu, jehož oběžnou dráhu minula New Horizons 18. 3. 2011.
Dráhu Neptunu dosáhla sonda 26. 8. 2014, náhodou na den přesně 25 let po legendárním průletu sondy Voyager 2 kolem této vzdálené planety. I planeta Neptun byla příliš vzdálena na to, aby mohla sonda pořídit solidní snímky.

Konečně u cíle - Pluto

Na počátku letošního roku byla New Horizons na cestě už devět let – a začala se přibližovat Plutu. V průběhu následujících měsíců jsme měli možnost obdivovat stále detailnější a kvalitnější snímky tohoto donedávna do rodiny planet patřícího obřího asteroidu. (Více o Plutu v minulém blogu.)
K cíli se sonda měla dostat 14. července. Celý svět směl po internetu sledovat countdown, který ukazoval, jak daleko se sonda nachází a kolik času jí zbývá do plánovaného průletu.
Proto zavládlo poměrně silné zděšení, když 4. července, tedy jen deset dní před svým cílem, sonda neplánovaně přešla do bezpečnostního modu. Důvodem byla chyba v softwaru. Jeho úprava trvala několik dní, nakonec byla ale New Horizons úspěšně „reanimována“.
Přenos dat a obrázků v reálném čase se během samotného průletu kolem Pluta samozřejmě nekonal, komunikace mezi sondou a Zemí se díky obrovské vzdálenosti  zpožďuje o několik hodin. Navíc mohla sonda díky svému fyzickému uspořádání přístrojů buď snímky pořizovat, nebo je posílat směrem k Zemi. Přístroje tedy během průletu pouze sbíraly data, jejich zaslání nedočkavé vědecké veřejnosti muselo chvíli počkat.

 Obrázek: Pluto a Charon. Zdroj: http://www.nasa.gov/sites/default/files/thumbnails/image/nh-charon-inset.jpg

Sonda snímala globální pohled na Pluto i jeho měsíc Charon. Při největším přiblížení měly její snímky rozlišení 25 m/pixel. Další pozornost byla věnována teplotám a složení atmosféry Pluta.
Přesně podle plánu proletěla sonda pouhých 12500 km od Pluta a 28800 km od Charonu. Poté proletěla stínem Pluta, což jí dovolilo proměřit jeho atmosféru. Celé setkání s Plutem trvalo kolem tří hodin.

5. září začala sonda posílat na Zemi data, na která se už nedočkavě těšil celý svět. Jejich přenos trvá dodnes a skončí odhadem až za rok. Obrázky, které nás už dostihly, stojí za to - mají úžasnou kvalitu.

Obrázek: detailní pohled na povrch Pluta. Ve spodní části snímku ledovec, připomínající svým tvarem ikonogram srdce. Zdroj: von NASA/JHUAPL/SWRI (solarsystem.nasa.gov) [Public domain], via Wikimedia Commons

Sonda se dnes nachází v Kuiperově pásu, oblasti menších a větších asteroidů a jiných drobnějších těles. Na své další cestě ven ze Sluneční soustavy se ještě přiblíží objektu 2014 MU 69 - 25 až 45 kilometrů velkému asteroidu. Proletí kolem něj v lednu 2019.

Může i nadále studovat další objekty, které se náhodně nacházejí v její dráze. Dostatečné množství energie by měla mít do roku 2025.

Terminační vlnu a heliopauzu (oblasti na okraji Sluneční soustavy) by měla sonda dosáhnout v letech 2035 a 2047. Ještě i v této době od ní, doufejme, budeme dostávat občasné informace.
 

Proč není Pluto planetou?

Nešťastné Pluto, které nedávno navštívila sonda New Horizons, přišlo poměrně nedávno o svůj status planety. Jak k tomu došlo? 

Za drahou poslední plynové planety,  Neptunu, musí existovat další, zatím nepozorovaná planeta, předpokládali astronomové na počátku minulého století. Jejího objevu se měli dočkat až za pár desetiletí.  Relativně malé kosmické těleso, pohybující se ve vnější části Sluneční soustavy, objevil  Clyde Tombaugh v roce 1930. Pluto, jak byla nová planeta pojmenována, je sice jen 2390 km velké, o jeho přiřazení do rodiny planet ale dlouhou dobu nikdo nepochyboval. V roce 1978 se dokonce ukázalo, že Pluto vlastní měsíc, podobný tomu našemu.

Čím více toho ale věda o Plutu zjistila, tím větší rozpaky se začaly objevovat v souvislosti s jeho statusem. Sklon jeho dráhy je daleko větší než u ostatních planet. Zároveň je jeho dráha daleko protáhlejší, než je tomu zvykem u  běžných planet.

V roce 1992 byl objeven první z velkého množství objektů, které se nacházejí ve vnější Sluneční soustavě za dráhou plynných obrů. Tento 120 kilometrů velký asteroid dostal jméno 1992 QB1. Díky stále lepším teleskopům se množství podobných objektů neustále zvyšovalo. Ukázalo se, že Pluto není klasickou planetou, za jakou jsme ho dlouhou dobu měli. Spíše je hodně velkým asteroidem, který se  nachází uprostřed roje jiných, menších asteroidů. Ani jeho měsíc se nedá s naším Měsícem srovnat. U systému Pluto – Charon se jedná spíše o dvojplanetku než o jednoznačnou planetu, kolem které by kroužil její měsíc.

Situace se stala neúnosnou v letech 2003 – 2006. Tehdy totiž astronomové objevili asteroid 2003 UB313. Stal se poslední kapkou, která nechala přetéci pohár pochyb. 2003 UB313 je totiž se svými 2400 km větší než Pluto. Nelogický stav se musel nutně vyřešit. Astronomie měla na výběr: buď rozšíří seznam planet ve Sluneční soustavě o několik desítek nebo snad i stovek nových těles, nebo pozmění status Pluta.

 Obrázek: velké transneptunické objekty. Zdroj: von Lexicon [GFDL (http://www.gnu.org/copyleft/fdl.html), CC-BY-SA-3.0 (http://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0/) oder CC BY-SA 2.5-2.0-1.0 (http://creativecommons.org/licenses/by-sa/2.5-2.0-1.0)], via Wikimedia Commons

Nová definice planety

Co je to vlastně planeta? Hmota, která se nachází v disku planetární soustavy, se při tvorbě planet shlukuje do menších i větších útvarů. Z principu věci (ve vesmíru se nachází daleko více plynu než prachu) existují v planetární soustavě daleko větší objekty plynové, než kamenné. Díky záření centrální hvězdy časem roztaje plyn v jejím a hvězdný vítr ho odnese do vzdálenějších oblastí. Tam se poté tvoří ty největší planety, které se skládají převážně z plynové složky. Ve vnitřním systému se tvoří naopak planety, které se skládají jen z kamenů.

Horní hranice hmoty a velikosti planet se dá určit poměrně jednoznačně. Ty největší z nich jsou centrální hvězdě vzdálené, plynové objekty. Postupem času mohou ze svého okolí nabrat takové množství hmoty, že teplota v jejich jádrech stoupne nad určitou mez. Původní planety jsou pak schopné ve svém nitru zažehnout termonukleární reakci. Stanou se hvězdami.

Jaká je ale dolní hranice? Jak oddělit „zrno od plev“ v systému, plném těles nejrůznějších velikostí? Určit umělou hranici velikosti a všechno, co je větší, nazvat planetou? Členové mezinárodní astronomické unie, kteří byli nuceni se s „případem Pluto“ zabývat se nakonec shodli na dvou podmínkách, které musí opravdová planeta splnit.

Tvar

Planeta musí být kulatá. Musí se pod vlivem vlastní gravitace zaoblit. Podle tohoto pravidla by Pluto bylo jednoznačnou planetou. Tělesa totiž začínají zakulacovat svůj tvar už při velikosti několika set kilometrů a Pluto se svými 2390 kilometry tuto hranici už dávno překročilo.  Planetou by pak ale musel být i objekt 2003 UB313, který dnes mimochodem nese název „Eris“, a kdoví kolik dalších zatím neobjevených transneptunických těles.

Dominance

Astronomové našli proto další podmínku, která  jednoznačně odděluje planety od ostatních vesmírných těles. Na to, aby se objekt stal planetou, musí dominovat své okolí. V praxi to znamená, že svou gravitací „vyčistil“ své okolí od asteroidů, planetesimál nebo komet. Pluto ani jiné transneptunické objekty tuto podmínku nesplňují.

26. kongres Mezinárodní astronomické unie (IAU), který se konal shodou okolností v Praze, zbavil Pluto status planety.

Ve Sluneční soustavě tak zůstalo jen osm planet – čtyři ve vnitřní části a čtyři ve vnější. Vnitřní planety jsou kamenné, vnější plynové.

Systém doplňují dva pásy asteroidů, menších těles, která se nezvládla gravitačně spojit do většího.
Jeden z nich se nachází mezi Marsem a Jupiterem a probíhá v něm tzv. „sněžná hranice“, rozdělující soustavu na oblast bez kondenzovaného plynu a část naopak obohacenou kondenzovaným plynem. Sněžnou hranici vykazují nejspíše všechny planetární systémy, je způsobena výše zmíněným nahříváním planetárního disku centrální hvězdou a migrací vypařeného plynu z vnitřní části soustavy do vnější.

Druhý pás asteroidů, tzv. Kuiperův pás, se nachází za oběžnou dráhou poslední plynové planety, Neptunu. Nacházejí se v něm tzv. transneptunické objekty, ke kterým dnes patří i Pluto.

Obrázek: Objekty v Kuiperově pásu. Zdánlivé  paprsčité uspořádání je způsobeno jednotlivými průzkumy, zaměřenými do určitých paprskovitých oblastí. 

Nový status Pluta

Rozhodnutí IAU bylo nejspíš příliš nezávislé. Odezvy na odebrání planetárního statusu byly nepříliš příznivé, nakonec tedy dostalo Pluto a jemu podobné objekty nový název. Oficiálně se dnes nazývají „planetkami“.

Celé kauzy bychom nejspíše zůstali ušetřeni, kdyby astronomové na počátku 20. století cíleně nehledali další planetu. Kdyby bylo Pluto objeveno až v roce 2003, nikdy by planetou nebylo, díky novým znalostem se totiž opravdu moc neliší od ostatních asteroidů, které ho obklopují. Jediné, čím se odlišuje je jeho o jen trochu větší velikost. 

Ultimativní katastrofa – kolize planet

Planetární kolize nejsou tak zřídkavé, jak by se mohlo na první pohled zdát. I ve Sluneční soustavě lze nalézt hned několik důkazů divoké, katastrofické minulosti.
 Měsíc vznikl při gigantické kolizi Země a někdejší planetky Theia

Theia byla o něco menší než Mars a zformovala se v blízkosti Země v jednom z jejích Lagrangeových bodů. To jsou oblasti, kde se gravitace Země a Slunce navzájem anulují, takže hmota, která se do těchto bodů prostoru dostane, je už nemůže sama a bez přidaného pohonu opustit. Roli tohoto přídavného pohonu převzala jednoho dne sama gravitace Theiy, když planetka vyrostla nad únosnou mez a její gravitace přestala být zanedbatelnou. Výsledkem se stala kolize obou planet, naštěstí jen boční a ne přímá. Theia při ní byla zcela zničena a větší Země ztratila část své hmoty, která se rozprostřela na oběžné dráze. Později se z ní vytvořil Měsíc.

Venuše 

Když si prohlédnete planety Sluneční soustavy, jistě vás upoutá skutečnost, že jedna z nich rotuje „nesprávným“ směrem. Naše „sesterská“ planeta Venuše, která je skoro stejně velká jako Země, rotuje kolem své osy v obráceném směru. Při pohledu z pomyslného severního pólu Venuše se planeta otáčí kolem své osy ve směru hodinových ručiček. Slunce na Venuši vychází na západě a zapadá na východě. Tento jev způsobila pravděpodobně srážka s velkým asteroidem, možná tak velkým, jako byla Theia. Jen úhel, pod kterým se oba objekty srazily, byl s největší pravděpodobností  jiný.

Merkur a jeho souputníci

Podobný osud zažila nejspíš i planeta Merkur, která je v naší soustavě nejblíže Slunci.
 Úspěšný teleskop Keppler, který sleduje jasnost jednotlivých hvězd a registruje její kolísání při přechodu planet přes hvězdný kotouč, nám umožnil pozorování velkého množství cizích planetárních soustav. Vědci s jeho pomocí zjistili, že zhruba 5 % Slunci podobných hvězd vlastní systém planet, které jsou velice blízké centrální hvězdě. Téměř polovina pozorovaných systémů vlastní uvnitř dráhy našeho Merkuru planetu, podobnou Zemi. V naší soustavě žádná taková planeta neexistuje. Jak vysvětlit naši relativně prázdnou vnitřní planetární soustavu?

Vysvětlení je jednoduché. Planetární soustavy dokáží setrvat ve stabilním stavu jen po určitou dobu. Postupem času vzrůstá pravděpodobnost, že drobné odchylky a výkyvy drah jednotlivých těles jejich stabilitu naruší. Vědci Volk a Gladman (http://arxiv.org/pdf/1502.06558v2.pdf) provedli počítačové simulace planet, obíhajících cizí hvězdy a zkoumali přitom dráhy jejich planet. Došli k názoru, že kolize v planetárních systémech nejsou vůbec zřídkavým jevem, právě naopak.

Silně eliptická dráha Mekuru může být tedy následkem dávných kolizí planet, které kdysi existovaly v těsném okolí Slunce. Merkur může být jediný, kdo dávné apokalypsy přežil a získal dokonce relativně stabilní oběžnou dráhu.

Jedinečnost Země, která je stabilizována přítomností relativně velkého Měsíce

Podle počítačových simulací, které provedli Quintana a jeho kolegové (http://arxiv.org/pdf/1511.03663v1.pdf) si 75 % planet odbude srážky s jinými planetkami v prvních 100 miliónech let své existence. Tato čísla jsou zajímavá hlavně v souvislosti s otázkou, jestli je (pro vznik života výhodná) existence systémů jako Země-Měsíc v planetárních soustavách spíše výjimkou nebo pravidlem. Zdá se, že je vznik planety, stabilizované relativně velkým měsícem, poměrně pravděpodobným a tedy i častým jevem.

Znamenalo by to, že i v jiných soustavách mohou existovat planety, které jsou podobně jako Země ve šťastné pozici, umožňující pohodlnou existenci života. Planety, které mají Měsíc, stabilizující jejich osu, zajišťující střídání ročních období a příliv a odliv tamních oceánů.  Možná to bude právě teleskop Keppler, kdo jednoho dne takovou planetu objeví. 

Jak vznikla Sluneční soustava? Na ostří nože.

Na vzniku Sluneční soustavy se podílela náhoda. Jak k ní došlo? U zrodu naší soustavy stály tři sudičky. Co jí daly do vínku?

Velký Třesk a co dál?

Při velkém třesku, který dal vzniknout hmotě, času i prostoru, se vytvořily jen dva prvky – vodík a helium, pokud nepočítáme nepatrné a zanedbatelné množství berylia a lithia.

Oba plyny formovaly oblaka hmoty, ze kterých vznikaly první hvězdy. Právě v nich docházelo díky termonukleární reakci k dalšímu spojování jednoduchých a lehkých jader. Hvězdy tak spalováním vodíku a helia vyrobily další chemické prvky – stavební kameny, ze kterých se skládáme jak my, tak naše planeta.

První hvězdy se začaly tvořit zhruba 20 miliónů let po velkém třesku. Tehdejší vesmír byl ve srovnání s naším relativně malý a proto i hustý. Tehdejší hvězdy měly k dispozici obrovské množství materiálu. Obří hvězdy kromě toho spalují svou hmoty rychleji než malé, žijí intenzivněji a končí svou kariéru efektními výbuchy. Právě díky jim vznikly všechny ostatní prvky, které kolem  sebe pozorujeme.

Výbuchy supernov, kterými končí svůj aktivní život těžké hvězdy, implantovaly tyto těžší prvky do okolního prostoru, vyplněného do té doby jen vodíkem a nepatrným množstvím helia. Díky pohybu galaxie se tyto prvky ale dostávají i do překvapivě vzdálených oblastí, kde by je nikdo nečekal. Supernova je extrémním jevem. Je doprovázena obrovským zvýšením teploty zúčastněné hmoty (až 60 miliónů stupňů). Vysoká teplota odpovídá velice rychlému pohybu jejích molekul. Část hmoty supernovy se může díky rychlému pohybu dostat i do vnějších částí galaktického disku. Tam postupem doby ochladne. Galaktická gravitace ji potom zase přitáhne zpět, blíže ke svému jádru. Mezitím se ale její spirální ramena (disk) pootočila, takže hmota, vzniklá v supernově, dopadá do úplně jiné oblasti, než ve které původně vznikla a obohacuje o těžké prvky i regiony, ve kterých původně žádné těžší hvězdy nebyly.

Konec života velice hmotných hvězd – výbuch supernovy – způsobuje ve svém okolí drastické změny. Hmota, kterou hvězda vyvrhla do okolního prostoru, se pohybuje obrovskou rychlostí. Hodnoty kolem 10 000 km/s pro ně nejsou žádnou výjimkou. Pro srovnání – maximální dosažitelnou rychlostí je v našem vesmíru rychlost světla – 300 000 km/s. Hmota, kterou se pohybuje hmota supernovy, tedy dosahuje několika procent rychlosti světla. Není tedy divu, že způsobuje ve svém okolí masivní rázovou vlnu.

V našem případě – v době, kdy byl vesmír pořád ještě relativně mladý a hustý – tato rázová vlna naráží na okolní oblaka plynu a způsobuje v nich další zahuštění, které vede ke vzniku nové generace hvězd. Ty už mají k dispozici nejen vodík, ale i malé množství těžších prvků. Celá situace se může opakovat s tím rozdílem že nová hvězda kolem sebe může vybudovat už i planetární systém. Těžší prvky totiž už nejsou ve formě plynu, jak tomu bylo u vodíku a helia, ale tvoří pevné částečky, kterým říkáme „prach“. Z prachu se mohou kolem nově zformované hvězdy tvořit kondenzáty – kameny. Srážkami se kameny nahřívají a nově vzniklé objekty se spékají do stále větších a větších útvarů. Postupem doby tak vzniknou velké asteroidy a kamenné planety. Ty z nich, které se nacházejí ve větší vzdálenosti od centrální hvězdy, na sebe mohou nabalovat kromě prachu i zamrzlý plyn, rostou tedy dokonce rychleji než blízké planety, které mají k dispozici pouze jeden druh materiálu – prach.

Víme odkud pocházíme?

I dnes ještě nacházíme původní hmotu naší soustavy v malých úlomcích hmoty, které čas od času zabloudí na Zemi, v meteoritech. V chondritech, jak se tento druh meteoritů nazývá, se materiál dodnes nachází v původním a nezměněném stavu. Také díky jim se vědcům podařil zrekonstruovat časový průběh jevů, které stály u kolébky zrodu Sluneční soustavy.

Milion let před vznikem Sluneční soustavy

Na místě, kde vznikla naše Sluneční soustava, se původně nacházel oblak plynu – vodíku. Stejně jako se tomu dělo všude jinde ve vesmíru, začal se i on zahušťovat a zahřívat natolik, že v něm vznikaly první hvězdy. Většina z nich nebyla příliš hmotná, průměrně měly jen  0,8 hmoty Slunce, některé byly ale větší. Ty vytvořily těžší prvky a svými výbuchy jimi postupně obohatily blízké i vzdálenější okolí. Jedna z nich se stala první sudičkou naší Sluneční soustavy, když rozmetala svou hmotu v místě, kde jednoho dne vzplane mladé Slunce.

V meteoritech nacházíme prvky, které jsou výsledkem radioaktivního rozpadu izotopů hliníku a železa. Z množství produktů radioaktivního rozpadu se dá odvodit, že příslušná supernova, která se o existenci prvků postarala, musela explodovat zhruba 1 - 1,5 milionu let před vznikem meteoritů. Tato původně obří hvězda měla hmotnost minimálně  25 Sluncí a byla od nás vzdálena 1 – 3 světelné roky.

Odkud pocházela tato hvězda? A jak vypadalo její okolí?

Statisticky vzato  v podobných podmínkách, jaké tehdy panovaly v našem oblaku plynu a prachu, dosáhne hmotnosti 25 Sluncí jen každá 2000. hvězda. Supernova tedy nemohla existovat osamoceně, musela vzniknout ve hvězdokupě s minimálně 2000 hvězdnými objekty. Naše supernova se pak nacházela nejspíše někde uprostřed své hvězdokupy, tam, kde byla dostatečně velká koncentrace hmoty.

Hvězdy se ve hvězdokupách nacházejí v dostatečné blízkosti, takže na sebe mohou vzájemně působit svou gravitací. Bylo jen otázkou času, kdy kolem oblasti, obohacené těžkými prvky z dávné supernovy, prolétne cizí hvězda.

Dodnes anonymní, možná dokonce už vyhaslá starší sestra Slunce, dala svou gravitací důležitý impuls k dalšímu smršťování místního oblaku hmoty.

Budiž světlo – Slunce

Před 4,6 – 4,7 miliardami let z něj vznikla hvězda kategorie G, naše Slunce. Kolem něj se ze zbytků plynu a prachu začaly tvořit planety naší soustavy.

Slunce, které mezitím začalo nahřívat přilehlou část pracho-plynového disku, rozdělilo soustavu do dvou částí. Ve vnitřní části zbyl jen prach, veškerý plyn byl totiž slunečním větrem vynesen do vzdálenějších oblastí soustavy. V nich panovala nižší teplota, díky které mohl plyn kondenzovat na částečkách prachu, které se tam nacházely. Největší koncentrace plynu se logicky nacházela na pomezí obou částí soustavy.

Právě tam vznikly největší pracho-plynové planety: Jupiter a Saturn. Čím více hmoty nabíraly a čím těžší byly, tím více na ně působila přitažlivost Slunce. Po dosažení určité velikosti se stalo nevyhnutelné – obě planety začaly migrovat do vnitřní části soustavy. Kromě toho, že zasáhly do vývoje tamních kamenných planet (viz malá hmotnost Marsu), eliminovaly obě obří planety v dané oblasti téměř všechny asteroidy. Bez dávné návštěvy vnějších planet ve vnitřní části slunečního systému, by se Země odhadem každých 1000 let srážela s podobným asteroidem, jako byl ten, který na naší planetě kdysi vyhladil dinosaury.

Vývoj planetárního systému trval zhruba 100 000 000 let .  Planety, které se dnes pohybují kolem Slunce, mají už 7 miliard let gravitačně stabilní, téměř kruhové dráhy. Znamená to, že v kulové hvězdokupě, jejíž součástí se Slunce stalo, není nablízku žádná další hvězda, která by mohla ohrozit jejich křehkou gravitační rovnováhu. 

K jednomu relativně blízkému průletu cizí hvězdy ale přeci jen došlo. Tato třetí „sudička“ naší soustavy, byla dostatečně daleko na to, aby pouze odrhla část Slunci vzdálené hmoty, a tím nás zbavila části kometek a asteroidů, které by nás mohly v budoucnu ohrožovat svými průlety.

Odkud to víme? Sedna a jí podobné planetky, nacházející se ve vzdálené části Sluneční soustavy, mají extrémně eliptickou dráhu. Pohybují se v rozmezí 79 – 900 astronomických jednotek (AU - vzdálenost, která odpovídá trase Země-Slunce). Zdá se, že naše soustava „končí“ v oblasti kolem 40 AU. Jako by původní akreční disk plynu a prachu někdo rozdělil a vnější zbytek hmoty rozmetal. Logickým vysvětlením je působení gravitační přitažlivosti nedaleko prolétající hvězdy.

První sudička nám dala do vínku pestrobarevnou škálu chemických prvků. Druhá sudička mávla kouzelným gravitačním proutkem a dala vzniknout  Slunci a planetární soustavě. Tato třetí sudička se pak zasloužila o naši bezstarostnou existenci.

Náhoda nebo osud?