Planeta karłowata Ceres
Ceres jest planetą karłowatą krążącą wewnątrz pasa planetoid pomiędzy orbitami Marsa i Jowisza i jest największym z ciał krążących wewnątrz tego pasa. Została odkryta 1 stycznia 1801 roku przez włoskiego astronoma Giuseppe Piazziego.
Początkowo była określana jako planeta, po kilkudziesięciu latach zaczęto określać ją jako planetoidę. W sierpniu 2006 roku wprowadzono termin planeta karłowata i Ceres została zaliczona do tej grupy obiektów.
Fotografia 1. Zdjęcie Ceresa wykoane 30 cm teleskopem w obserwatorium uniwersytetu w Iowa w 2015 roku.
W 1766 roku astronom Johann Daniel Titius z Wittenbergi zauważył pewną prawidłowość dotyczącą odległości kolejnych planet od Słońca. Jeśli zacząć od 0, potem użyć liczb 3, 6, 12, 24, 48 itd., podwajając za każdym razem, do wyniku
dodać 4 i podzielić przez 10, otrzymuje się ciąg niemal dokładnie odpowiadający odległościom kolejnych planet od Słońca, wyrażonych w jednostkach astronomicznych. Ta prawidłowość, znana obecnie jako reguła Titiusa-Bodego,
zgadzała się dla sześciu znanych wtedy planet: Merkurego, Wenus, Ziemi, Marsa, Jowisza i Saturna, pod warunkiem, że zostawiło się dodatkowe puste miejsce pomiędzy Marsem i Jowiszem. W 1768 roku astronom Johann Elert Bode
zacytował tę regułę w swoim dziele "Anleitung zur Kenntniss des gestirnten Himmels", nie podając jednak jej oryginalnego autora, co sprawiło, że przez długi czas była znana jako "prawo Bodego". Kiedy William Herschel odkrył
Urana w 1781 roku, okazało się, że znajduje się on prawie dokładnie w odległości przewidzianej przez tę regułę. To sprawiło, że astronomowie zaczęli poszukiwać planety pomiędzy Marsem a Jowiszem.
Fotografia 1. Powierzchnia Ceresa wykonana w 2004 roku przez teleskop kosmiczny Hubble'a.
W 1800 roku Franz Xaver von Zach zaprosił 24 astronomów do nieformalnego klubu "Lilienthal Society", którego celem miało być uporządkowanie wiedzy o Układzie Słonecznym. Klub ten był potem nazywany "Himmelspolizei" (Policją Nieba).
Wśród jego członków znaleźli się William Herschel, Nevil Maskelyne, Charles Messier i Heinrich Wilhelm Olbers. Każdy z nich miał za zadanie obserwować 15° ekliptyki w poszukiwaniu brakującej planety. Korzystali oni z obserwatorium
w Lilienthal, gdzie znajdował się największy wtedy teleskop w Europie.
Już kilka miesięcy później astronom nienależący do "Policji Nieba" dokonał oczekiwanego odkrycia. 1 stycznia 1801 roku Giuseppe Piazzi, główny astronom Uniwersytetu w Palermo na Sycylii, znalazł mały poruszający się obiekt w odległości
dokładnie przewidzianej przez regułę Titusa-Bodego. Nazwał go Ceres Ferdinandae, na cześć Ceres, bogini upraw polowych i patronki Sycylii oraz ku czci swojego patrona Ferdynanda III Toskańskego. Piazzi początkowo myślał,
że jest to kometa, ale brak komy sugerował, że jest to planeta.
Fotografia 2. Porównanie obrazu powierzchni Ceresa uzyskanych przez teleskop kosmiczny Hubble i sondę badawczą Dawn.
W lutym tego samego roku, po tym, jak była obserwowana na przestrzeni około 9°, Ceres przestała być widoczna, niknąc w blasku Słońca. Obliczeniem jej trajektorii zajął się wtedy młody matematyk i astronom, 24-letni Carl Friedrich Gauss,
który sprowadził zadanie do równania ósmego stopnia i rozwiązał je. Na podstawie jego obliczeń Ceres została ponownie zaobserwowana przez von Zacha i Wilhelma Olbersa. Parametry tej trajektorii pasowały do "brakującej planety",
wobec czego została ona oficjalnie uznana za ósmą (Neptuna jeszcze wtedy nie znano) planetę Układu Słonecznego. W 1802 roku Heinrich Olbers odkrył kolejny obiekt w tym samym obszarze i nazwał go Pallas. Do 1807 roku dalsze
obserwacje pozwoliły wykryć kolejne dwa obiekty w tym regionie, nazwane Junona i Westa. Wojny napoleońskie wstrzymały dalsze odkrycia. Obserwatorium w Lilienthal zostało splądrowane, a większość wyników obserwacji utracona.
Kolejny obiekt - Astraea, został odkryty dopiero w 1845 roku. Gdy w coraz krótszych odstępach czasu zaczęto odkrywać kolejne obiekty, zaliczanie ich do planet stało się niewygodne. W latach 50. XIX wieku Alexander von Humboldt
rozpowszechnił wymyśloną wcześniej przez Herschela nazwę asteroidy, która jest używana do dzisiaj w krajach anglosaskich.
Z Ziemi Ceres najlepiej obserwować podczas jej opozycji, może ona wtedy osiągnąć względną jasność 6,7 m. Można ją zatem dostrzec przez lornetkę.
Fotografia 3. Brzeg tarczy Ceres z widocznym kraterem Occator o średnicy 92 kilometrów i głębokości 4 kilometrów.
Rozmiary Ceres to 975×909 km i wśród planetoid pasa głównego jest obiektem największym i najbardziej masywnym. Jej masa wynosi ok. 9,35×1020 kg i stanowi – jak się przypuszcza – 1/3 masy wszystkich planetoid. Wokół swej własnej osi
obraca się w czasie 9 godzin i 4 minut. Średnia gęstość materii, z której jest zbudowana, szacowana jest na 2,077±0,036 g/cm³ czyli prawie trzy razy mniejsza niż średnia gęstość Ziemi (5,51 g/cm³).
Powierzchnia Ceres ma ciemny odcień, pokryta jest materiałem bogatym w węgiel. Stąd jej albedo jest także bardzo małe – 0,09. Badania radarowe wykazały, że powierzchnię Ceres pokrywa drobnoziarnisty pył, zwany regolitem.
Dokładniejsze obserwacje szczegółów na powierzchni tej planety karłowatej stały się możliwe dopiero po wyniesieniu na orbitę okołoziemską teleskopu Hubble’a, przez który dostrzeżono ciemną plamę (nazwaną "Piazzi" od nazwiska odkrywcy)
o średnicy ok. 250 km. Dalsze obserwacje pozwoliły zidentyfikować pewną jasną formację o średnicy ok. 400 km i inne szczegóły.
Podczas tworzenia się Układu Słonecznego Ceres przechodziła bogatą ewolucję, podczas której ciepło wydzielające się z jej wnętrza roztapiało lód i utworzyło wewnętrzny płaszcz z ciekłej wody, wypychając ją ku górze.
Cięższe pierwiastki i minerały (np. krzem) wędrowały ku jądru. Jak się ocenia masa Ceres to od 17 do 27% masy całego pasa planetoid. Woda – jej ilość pięciokrotnie przewyższa ilość słodkiej wody na Ziemi.
Mimo swej "planetarnej budowy" – zdecydowanie innej niż w przypadku pozostałych planetoid – Ceres nie rozwinęła się do postaci pełnoprawnej planety. Prawdopodobnie przeszkadzały jej w tym ogromne siły grawitacyjne ze strony
Jowisza i Marsa.
Fotografia 4. Najwyższa góra na powierzchni Ceresa - Ahuna Mons o wysokości 4 kilometrów.
Dokładne badania Ceres rozpoczęły się w momencie wejścia na jej orbitę bezzałogowej sondy kosmicznej Dawn wystrzelonej przez Nasa 27 września 2007 roku. Celem sondy było dotarcię na orbitę planetoidy Westa, a następnie
na orbitę planety karłowatej Ceres. Misję zakończono 1 listopada 2018 roku po utracie kontaktu z sondą z powodu wyczerpania paliwa pozwalającego na kontrolę orientacji sondy w przestrzeni.
13 stycznia 2015 roku sonda wykonała pierwsze zdjęcia nawigacyjne Ceres z odległości 383000 km. Naukowców zaintrygował biały punkt widoczny na ciemniejszej stronie powierzchni Ceres. W lutym 2015, kiedy sonda zbliżyła się jeszcze
bardziej, okazało się, że są to dwa punkty położone obok siebie. Pod koniec stycznia 2015 roku sonda znajdowała się w odległości około 200 tys. km od celu, natomiast od Ziemi była oddalona o 544 mln km. Poruszała się w tym momencie
z prędkością 17,4 km/s wokół Słońca i równocześnie zbliżając się do drugiego celu misji z prędkością około 100 m/s.
6 marca 2015 około 12:39 UTC sonda została przechwycona przez grawitację Ceres i tym samym została pierwszym w historii statkiem kosmicznym, który wszedł na orbitę wokół planety karłowatej. Sonda znajdowała się wtedy w odległości
około 61 tys. km.
Sonda 23 kwietnia 2015 osiągnęła pierwszą z docelowych orbit badawczych o promieniu 13500 km. 6 czerwca zeszła na orbitę przebiegającą na wysokości 4430 km. 17 sierpnia rozpoczęła obserwacje z niższej
orbity HAMO (ang. High Altitude Mapping Orbit) na wysokości 1480 km, wykonując szczegółowe mapy powierzchni. 23 października 2015 rozpoczęła schodzenie do najniższej orbity LAMO (ang. Low Altitude Mapping Orbit) o wysokości 375 km.
We wrześniu 2018 roku poinformowano o bliskim końcu misji z powodu wyczerpania paliwa: hydrazyny. 31 października 2018 sonda nie połączyła się z Deep Space Network. Po wykluczeniu innych możliwych przyczyn przerwania komunikacji
zespół 1 listopada stwierdził spodziewane wyczerpanie przez sondę zapasów paliwa przez co niemożliwe stało się dalsze utrzymanie orientacji w przestrzeni. Sonda nie była już w stanie kierować swoich anten w stronę Ziemi,
ani pod właściwym kątem ustawić paneli słonecznych i pozyskiwać prądu elektrycznego. Sama sonda pozostanie na orbicie co najmniej 20 lat (a z prawdopodobieństwem ponad 99% ponad 50 lat).
Dane zebranę przez sondę pozwoliły wysunąć wniosek, że Ceres cechuje się wysoką aktywnością geologiczną, a jej powierzchnia podlega ciągłym zmianom. Obserwacje wykonane przez spektrometr światła widzialnego i podczerwieni VIR,
pozwoliły odkryć wiele miejsc, gdzie na powierzchni występuje lód. Badania przeprowadzone od kwietnia do czerwca 2016 roku wykazały znaczący wzrost ilości lodu na jednej ze ścian krateru Juling.
Andrea Raponi z Instytutu Astrofizyki i Planetologii w Rzymie, wskazała w swojej pracy, że zmiany ilości eksponowanego na powierzchni lodu wynikają z połączenia kilku czynników. Ceres zbliża się do Słońca na swojej orbicie, a to w połączeniu
z sezonowymi zmianami temperatury wywołuje uwolnienie pary wodnej spod powierzchni, para ta kondensuje się następnie na zimnej ścianie krateru. Ocieplanie powierzchni planety karłowatej przez Słońce może też powodować osunięcia
materiału na ścianach krateru, co może także przyczyniać się do okrycia świeżych pokładów lodu.
Fotografia 5. Trójwymiarowy widok na górę Ahuna Mons. To jedno z miejsc, gdzie znaleziono znaczące ilości węglanu sodu. Koncentrację związku oznaczono na prawym dolnym obrazku (cieplejsze kolory to wysoka koncentracja).
Również na podstawie danych ze spektrometru VIR powstała druga praca, opisująca dynamikę skorupy Ceres, o której przypuszcza się, że ma 40 km grubości i może być bogata w wodę, związki soli i być może też związki organiczne.
Zidentyfikowano 12 miejsc na powierzchni, bogatych w węglany sodu i zbadano szczegółowo kilka obszarów, gdzie występuje woda związana z węglanami. Jest to pierwszy raz, kiedy znaleziono poza Ziemią uwodnione węglany.
Lód na powierzchni planety karłowatej nie jest stabilny jeśli tak jak w przypadku krateru Juling nie jest schowany w wiecznym cieniu. Podobnie jest z uwodnionymi węglanami, które również odwadniają się, choć dopiero
na przestrzeni kilku milionów lat. Te kilka milionów lat to jednak niewiele w skali geologicznej i sama obecność uwodnionych węglanów w niektórych miejscach świadczy o tym, że musiały one zostać wyeksponowane stosunkowo niedawno.
Różnorodność materiału znalezionego na Ceres, odkryta dla nas przez uderzenia meteorytów, osunięcia i kriowulkanizm świadczy o tym, że skład samej Ceres musi być niejednorodny. Różnorodność chemiczna tej planety karłowatej
musiała powstać w momencie, gdy zamarzał pierwotny ocean, który utworzył obecną skorupę Ceres lub później jako skutek uderzeń dużych obiektów lub niezbadanych jeszcze dokładnie procesów kriowulkanizmu.
Przelot nad planetoidą Ceres.
Innym przykładem aktywności geologicznej są jasne plamy o złożonych kształtach wewnątrz krateru Occator. W 2015 roku naukowcy z niemieckiego instytutu Maxa Plancka uznali, że to siarczan magnezu (rodzaj soli). Kolejne badania wysuneły przypuszczenie, że jest to jednak węglan sodu co świadczyłoby o aktywności hydrotermalnej a więc o obecności zamarzniętego oceanu pod powierzchnią Ceres. Wiek tych plam nie przekracza 2 milionów lat (wiek krateru wynosi 20 milionów lat). Sole na dnie krateru okazały się być chlorkiem sodu i chlorkiem amonu. Ten pierwszy związany jest chemicznie z wodą, która z kolei uwalnia się na powierzchni Ceres wystawiona na próżnię i promieniowanie słoneczne. Taki proces osuszania soli trwa około kilkuset lat. Mamy więc do czynienia z ciekłą solanką (woda silnie nasycona różnymi solami), która stale jest dostarczana na powierzchnię. Wyliczenia wskazują, że pokłady ciekłej solanki mogą mieć grubość nawet 40 kilometrów oraz kilkaset kilomerów średnicy.
W czerwcu 2019 roku nałukowcy wyjaśnili powstanie najwyższej góry na Ceres - Ahuna Mons o wysokości 4 kilometrów. Korzystając z pomiarów grawitacji uzyskanych przez sondę Dawn naukowcy wykazali, że ta gigantyczna kopuła składająca
się z mieszanki słonej wody i skał uległa wypiętrzeniu z wnętrza planety w postaci wewnętrznego wybuchu. Pomimo niskiej temepratury (0 stopni Celcjusza) proces ten przypominał ziemksie piuropusze magmy tworzące wulkany na ziemi.
Fotografia 6. Powierzchnia Ceresa i solnymi wyciekami wewnątrz krateru Occator.
Fotografia 7. Mozaika zdjęć wnętrza krateru Occator nazwanego Cerealia Facula.
Fotografia 8. Fragment północnej ściany krateru Occator. Zdjęcie wykonane 16 czerwca 2018 roku z wysokości 33 kilomerów.
Materiały:
Mapa powierzchni Ceresa
Dodatkowe informacje:
Nasa: Strona misji Dawn
