Wiedzieliście, że Uran odkryto na 8 lat przed odkryciem uranu? O dziwnej planecie słów kilka

Planety pozasłoneczne, które do dziś udało się nam odkryć, bywają dziwne. Niektóre obiegają gwiazdy neutronowe, inne krążą tak blisko swoich słońc, że prawie zahaczają o nie swoimi atmosferami. Bywają też superziemie, planety swobodne, samotnie przemierzające Galaktykę.

Każdą z nich można byłoby wybrać na bohaterkę ciekawej historii. Jednak nie trzeba aż tak daleko szukać. W Układzie Słonecznym mamy planetę Uran, z którą wiąże się wiele zagadek i tajemnic, a odkryta została ona wcale nie tak dawno temu.

Odkrycie planety Uran i dlaczego nazwa odkrytego nieco później pierwiastka jest taka sama

Siódma planeta Układu Słonecznego odkryta została w 1781 roku przez Williama Herschela. Osiem lat po tym odkryciu, w 1789 roku, ludzkość dowiedziała się o istnieniu pierwiastka, który odkrywca nazwał uran.

Właśnie na cześć tej planety, a raczej by upowszechnić jeszcze nie spopularyzowaną nazwę tego ciała niebieskiego, którą zaproponował niemiecki astronom Bode. Sam odkrywca bowiem miał kompletnie inne zamiary i proponował nazwę, która kiedyś miałaby może sens, ale dziś nazywanie planety „gwiazdą (króla) Jerzego” byłoby wysoce niekomfortowe.

Uran sfotografowany przez Voyagera 2. Zdjęcie w trakcie przylotu i zdjęcie, gdy Voyager 2 opuszczał ten układ, z pochłoniętą przez trwającą kilkadziesiąt lat noc stroną planety 

Tak więc z czasem nazwa Uran przylgnęła do tejże planety, którą po raz pierwszy (i jedyny) z bliska udało się sfotografować sondzie Voyager 2 w 1986 roku (zdjęcia powyżej).

Czy odkrywca Urana mógł widzieć jego pierścienie? Zdania są podzielone

Z odkryciem Urana przez Herschela wiąże się ciekawa historia. Dziś wiemy, że ta planeta ma pierścienie, podobnie jak Saturn, Jowisz, czy Neptun niedawno sfotografowany przez teleskop Webb. Jednak odkryto je na dobre dopiero w 1977 roku, udało się je sfotografować z bliska niespełna dekadę później wspomnianej sondzie Voyager 2.

Pierścienie Urana na zdjęciach z sondy Voyager 2

Mimo to, już sam odkrywca planety w swoich notatkach zawarł nie tylko obserwacje planety, kilku jej księżyców, ale właśnie także pierścieni. To odkrycie przez lata poddawane było w wątpliwość, ale dziś wcale nie jesteśmy tacy pewni, że Herschel czegoś tam jednak nie dojrzał. Pierścienie Urana to bowiem dynamicznie zmieniająca się struktura o zmieniającej się płaszczyźnie względem obserwatora, która przy i tak słabej widoczności, może raz być dostrzegalna łatwo z Ziemi, raz wręcz przeciwnie. Opisy Herschela są przy tym wysoce zgodne z obecnym stanem wiedzy.

Planetę Uran w bardzo dobrych warunkach można dojrzeć gołym okiem

Rok 1781 uznajemy za datę odkrycia Urana, gdyż to wtedy z obserwacji wywnioskowano, że jest to planeta, a nie inny obiekt. Sam Uran był jednak obserwowany już wcześniej, tylko przez nieświadomych tego faktu obserwatorów. Mylili oni go z gwiazdami, kometami i wyciągali błędne wnioski. Podobnie jak pierwiastek uran w postaci związków chemicznych (tlenków) był wykorzystywany już w starożytności, ale bez wiedzy czym tak naprawdę jest.

Pięć największych satelitów Urana (Miranda, Ariel, Umbriel, Tytania, Oberon), tak jak udało się je zaobserwować sondzie Voyager 2. Jasność tarcz oddaje względną jasność tych obiektów

Uran choć ma 27 księżyców, ma też najmniej masywny układ takich ciał niebieskich wśród planet olbrzymów. Największy z księżyców Tytania ma średnicę 1578 kilometrów i obiega planetę w podobnej odległości od jej zewnętrznych warstw gazowej otoczki co Księżyc Ziemię.

Ciekawostka. Gdy znaleźć się na Uranie (URANUS) i oglądać zachód Słońca, to niebo byłoby tam wyjątkowo błękitne. Nawet bardziej niż na Ziemi (fot: NASA Visualization Studio)

Uran jest pierwszą z dwóch planet gazowych gigantów, druga to Neptun, które wyróżniają się dużą zawartością wody i metanu w atmosferze. Stąd też jego cyjanowy kolor. W atmosferze Urana wieją także bardzo silne wiatry, których prędkość osiąga 900 km/h. Kiedyś sądzono, że najszybsze w Układzie Słonecznym.

Uran to najdalsza planeta Układu Słonecznego, którą można dojrzeć gołym okiem. Jednakże jego jasność znajduje się na granicy dostrzegalności (około 6 magnitudo), więc konieczne są wyjątkowo sprzyjające okoliczności. Uran obiega Słońce w ciągu 84 lat, a to oznacza, że względem gwiazd porusza się bardzo powoli. Od momentu odkrycia wykonał niespełna trzy pełne obiegi wokół Słońca.

Co jednak jest w nim tak oryginalnego, że zasługuje na miano jednej z dziwniejszych planet w Układzie Słonecznym?

Skąd się wziął Uran, skąd tam tyle wody, ile byśmy tam ważyli? Tylko na jedno z tych pytań znamy odpowiedź

Jedną z ciekawostek, a raczej tajemnic, które spowijają Urana jest jego pochodzenie. Owszem wiemy, że powstał około 4,5 miliarda lat temu wraz z innymi planetami Układu Słonecznego, ale nie mamy pewności gdzie wtedy się znajdował. Dziś znajduje się prawie dokładnie dwa razy dalej od Słońca niż Saturn, w średniej odległości 2,9 miliarda kilometrów. Lecz kiedyś mógł być znacznie bliżej i dopiero w wyniku migracji w stronę zewnętrznych rejonów Układu Słonecznego zajął swoja obecną orbitę.

Uran widziany z Saturna przez sondę Cassini. To ta niebieska kropka w lewym górnym rogu zdjęcia

Uran, podobnie jak Neptun, to tzw. lodowy olbrzym. Choć również ma gazową otoczkę, to jej skład jest odmienny niż w przypadku Jowisza i Saturna

Trudno też powiedzieć skąd taka obfitość wody w jego atmosferze i prawdopodobnie w głębszych zestalonych warstwach.

A skoro już mowa o gazowej atmosferze, to gdyby jej zewnętrzną granicę uznać za powierzchnię planety, jak zwykle czynimy w przypadku planet olbrzymów, to na tej powierzchni człowiek mógłby (korzystając z pojazdu kosmicznego) egzystować bez większych problemów. Przyśpieszenie grawitacyjne jest bowiem na powierzchni Urana mniejsze niż na Ziemi.

Porównanie rozmiarów Ziemi i Urana

Nie zmienia tego fakt, że Uran jest 14,5 raza masywniejszy od naszej planety, ale przy średnicy około 50000 km (4 razy większa średnica niż ziemska) masa tak rozkłada się we wnętrzu Urana, że wspomniane ciążenie na powierzchni jest mniejsze niż na Ziemi.

Człowiek, który waży na Ziemi 80 kg, na powierzchni Urana, wyznaczonej przez widoczną zewnętrzną warstwę chmur, ważyłby 71 kilogramów

W tym momencie warto wspomnieć, że kolejna z planet, Neptun, choć mniejszy od Urana, jest masywniejszy i tam człowiek ważyłby z kolei nieco więcej.

Najzimniejsza planeta w Układzie Słonecznym

Uran jest planetą z najchłodniejszą atmosferą w Układzie Słonecznym. Jej minimalna temperatura to jedynie 49 K, czyli -224 stopnie Celsjusza. Na dodatek sam Uran jest planetą, która ma znacznie mniejsze ciepło wewnętrzne niż inne planety w Układzie Słonecznym, nawet Ziemia. To panujące wewnątrz Urana zimno (oczywiście względem innych planet, bo na dużej głębokości z perspektywy człowieka jest bardzo ciepło) wciąż stanowi zagadkę. Być może jej wyjaśnienie ma związek z wyjaśnieniem faktu, że Uran to planeta, która leży na orbicie.

Uran jako planeta, która leży na orbicie

Ziemia czy Mars, to planety, których oś obrotu jest znacznie nachylona w stosunku do kierunku prostopadłego do ekliptyki (płaszczyzna, w której Ziemia wykonuje obieg wokół Słońca), ale wciąż w stopniu na tyle niewielkim, że pozwala on jednoznacznie wyróżnić geograficzny biegun północny i biegun południowy. Dla Ziemi nachylenie wynosi około 23,5 stopni, dla Marsa 25 stopni , a Jowisza jedynie 3,13 stopnia.

Natomiast oś obrotu Urana jest nachylona pod kątem 97,77 stopnia, czyli znajduje się prawie w płaszczyźnie orbity. Wynikiem takiego nachylenia jest odwrotny niż w przypadku innych planet (z wyjątkiem Wenus) kierunek ruchu obrotowego. Poniżej ciekawa wizualizacja, z zaznaczonym nachylenie osi obrotowej i animacją szybkości wirowania dla wszystkich planet i Plutona.

Obejrzyj w

Dla porównania, Ziemia obraca się wokół własnej osi przeciwnie do kierunku ruchu wskazówek zegara, Uran robi to zgodnie z tym ruchem. W rzeczywistości Uran nie zmienił kierunku obrotowego w trakcie ewolucji, tylko ogromne przechylenie osi obrotowej sprawiło, że kierunki się odwróciły, a tym samym pojmowany kierunek obrotowy.

Słońce nad głowami na biegunie planety. Tak to tylko na Uranie

Przez jedną czwartą okresu orbitalnego (21 lat) planeta niemalże toczy się po orbicie (co ma miejsce obecnie), a jeden z jej biegunów jest zwrócony ku Słońcu. Kolejne 21 lata Uran porusza się wystawiony bokiem do Słońca, podobnie jak Ziemia, ale z biegunami prawie w płaszczyźnie ekliptyki.

Uran podobnie jak Ziemia jest cieplejszy w okolicy równika niż w regionach podbiegunowych, choć z jego orientacji względem orbity wynikałby wręcz przeciwny wniosek. To także niewyjaśniona zagadka, która być może wiąże się ze zmiennością wyglądu Urana, od spokojnej jednolitej powierzchni, do pokrytej pasmami chmur jak na Neptunie

Potem ponownie jeden (drugi) z biegunów jest wystawiony w stronę Słońca, a planeta porusza się niczym kula bilardowa obracająca się w kierunku wstecznym do kierunku ruchu. Ostatni uranowy kwartał, planeta spędza ponownie wystawiona bokiem do Słońca.

Uran na orbicie w momencie przesilenia zimowego, letniego i równonocy wiosennej i jesiennej, o ile przyjmiemy, że tak należy nazywać pory roku na tej planecie

Oczywiście podział 84 letniego okresu orbitalnego na 21 letnie kwartały jest tutaj umowny, a granice nie są ściśle wyznaczone. Można sobie jednak wyobrazić jak dziwny musi być klimat na tej planecie.

Zdjęcia Urana wykonane przez teleskop Hubble, pokazują jak wraz ze zmieniającym się położeniem na orbicie, zmienia się widoczność pierścieni

Dlaczego tak zależy nam na wyjaśnieniu niezwykłego przechylenia osi obrotu Urana

Znalezienie odpowiedzi na to jak Uran stał się planetą z tak bardzo nachylonym kierunkiem osi obrotu pozwoli prawdopodobnie wyjaśnić wiele innych jego własności. A moze nawet uzupełnić naszą wiedzę o początkach Układu Słonecznego.

Dotychczas uważano tak. Skoro Uran porusza się niczym wirujący bąk, który gwałtownie kopnięto, a ten potem zachował taką mocno przechyloną oś wirowania, to może faktycznie tak było. Mógł on w początkach swojej egzystencji zderzyć się z obiektem o rozmiarach Ziemi lub grupą mniej masywnych ciał niebieskich.

Wędrujący księżyc odpowiedzią na pytanie, dlaczego Uran leży na orbicie

Istnieje też inny mechanizm zmiany nachylenia orbity, który nie dość, że wyjaśnia obecny status Urana, to doskonale stosuje się także do innych planet olbrzymów. Był on postulowany już wiele lat temu, a ostatnio międzynarodowa grupa astronomów z Francji, Włoch i USA przeprowadziła udane modelowanie takich zmian, potwierdzające słuszność wcześniejszej koncepcji.

Tym mechanizmem jest migrujący księżyc lub ich grupa, które stopniowo zwiększają swoją odległość od planety. Ta w tym czasie zmienia swoje nachylenie. Takim księżycem w przypadku Saturna, który dziś ma nachylenie osi obrotowej podobne jak Ziemia, mógł być Tytan. W przypadku Jowisza migracja wszystkich księżyców w przyszłości może zwiększyć nachylenie jego osi obrotu. Nawet do 10-krotnie większego niż obecnie.

By powyższy mechanizm wywołał obserwowane nachylenie osi obrotu w przypadku Urana, winny temu satelita musiałby mieć masę równą co najmniej połowie masy Księżyca. Przy takiej masie, tempo jego migracji na zewnątrz powinno wynosić co najmniej 6 cm rocznie, a całkowita zmiana odległości od planety powinna wynieść około 250 tysięcy km. Wtedy Uran przechyliłby się o około 90 stopni.

Miranda - najmniejszy z pięciu większych satelitów Urana. Jego średnica wynosi jedynie 470 km. Mozaika zdjęć i zdjęcie wykonane przez sondę Voyager 2

Jak zwykle wraz z odpowiedziami rodzą się nowe pytania? A najważniejszym z nich jest, gdzie podział się ten księżyc? Znane nam 27 satelitów Urana razem ma masę cztery razy za małą, by pasować do zaproponowanego modelu nawet w wersji z minimalną masa księzyca. Co gorsza, bardziej prawdopodobne jest, że księżyc winowajca był raczej znacznie większy niż nasz Księżyc, a to tym bardziej utrudnia kalkulacje.

Tytania (po lewej na dole), największy satelita Urana, odkryty przez Herschela w 1787 roku, ma średnicę około  1576 km, o 1900 km mniejszą niż nasz Księżyc. Powyżej porównanie jego rozmiaru z Księżycem i Ziemią

Na szczęście jego zniknięcie może być jednocześnie wyjaśnieniem, dlaczego Uran ma obecnie ustabilizowane nachylenie osi obrotowej. Twórcy modelu wędrującego księżyca, sugerują, że w pewnym momencie jego orbita uległa destabilizacji do tego stopnia, że zderzył się on z Uranem i zablokował pozycję osi obrotowej.

Nawet pole magnetyczne Urana jest dziwaczne

Ostatnią z dziwnych cech Urana, o której wspomnimy tutaj to jego pole magnetyczne. Skoro Uran ma magnetosferę, są też zorze polarne, mamy magnetopauzę (powierzchnię magnetosfery), a także ogon magnetyczny, który podobnie jak ziemski rozciąga się daleko za planetą w kierunku przeciwnym od Słońca.

To wszystko prawda, jednakże i w tym przypadku Uran jest oryginalny (podobne własności ma także Neptun). Oś pola magnetycznego jest odchylona o prawie 60 stopni od osi obrotu. Jest więc zorientowana w przestrzeni mniej więcej podobnie jak ziemska oś magnetyczna.

Jednakże Uran obracając się wokół własnej osi obrotu, sprawia, że oś magnetyczna zatacza ogromne koło w bardzo krótkim czasie. Okres obrotu wynosi dla Urana około 17 godzin (chmury w zewnętrznych warstwach mogą obiegać planetę nieco szybciej). W efekcie orientacja linii pola magnetycznego stale się zmienia, a ogon magnetyczny podlega wykręcaniu przyjmując kształt podobny do korkociągu. Poniżej wizualizacja pola magnetycznego Urana z widoczną magnetopauzą.

Obejrzyj w

Na dodatek pole magnetyczne Urana jest wysoce niesymetryczne i nie jest generowane tak jak na Ziemi w jądrze, a w znacznej od niego odległości. W Uranie źródłem pola magnetycznego może być na przykład ruch mas wody i amoniaku, które nie wymagają wysokich temperatur i ciśnienia do zaistnienia przewodnictwa elektrycznego.

Kiedy poznamy Urana z bliższej perspektywy?

Obserwacje z Ziemi i ziemskiej orbity, wciąż mogą pomóc w rozwiązaniu tajemnic Urana, jednak dopiero misja kosmiczna koncentrująca się na badaniach tej planety ma szanse zrzucić woal tajemniczości. W stopniu pozwalającym na definitywną odpowiedź tak lub nie na wiele z dzisiejszych wątpliwości.

Tak Urana i jego pierścienie widać z Ziemi. Zdjęcia wykonane teleskopem Kecka w 2004 roku w podczerwieni (kolory poprawione), w czasie, gdy w atmosferze pojawiło się sporo pasm chmur. Biegun północny, skierowany nieco w dół od poziomu, znajduje się po prawej stronie

Nie będzie to proste przedsięwzięcie i na pewno potrwa co najmniej kilkanaście lat, bo tyle będziemy lecieć na te planetę. Obecnie istnieje kilka koncepcji eksploracji cyjanowego giganta. Trudno jeszcze mówić o nich projekty, gdyż żaden z nich, ani europejski MUSE i Odinus, ani amerykański Oceanus lub bliżej nie nazwany orbiter Urana, nie wkroczyły w zaawansowaną fazę przygotowań i budowy pojazdów. Chiny także mają ambicje odwiedzić Urana w trakcie przelotu sondy, która będzie odtwarzać dawne osiągnięcia Voyagerów. Jeśli mamy strzelać, kiedy ponownie ziemski pojazd ponownie odwiedzi Urana, to wydaje się, że nastąpi to nie wcześniej niż w latach 2040-2050.

Dlatego na razie pewnym jest to, że Uran wciąż będzie obracał się wokół mocno przechylonej osi obrotu, a kolejnej nocy znowu będzie widoczny na niebie w pobliżu Plejad. O ile pogoda dopisze.

Źródło: inf. własna, sciencealert, foto: NASA, ESA