Atmosféra trpasličí planety Pluto

Vzpomínáte si na obrázek mlhavého oparu, který obklopuje trpasličí planetu Pluto? Pořídila ho v roce 2015 sonda New Horizons. Při analýze dat čekalo vědce nejedno překvapení. (délka blogu 5 min.) 

První náznaky existence atmosféry na Plutu

Před průletem sondy New Horizons kolem trpasličí planety Pluto byli vědci odkázaní jen na informace, které měli díky sledování oblohy pomocí teleskopů. Informací o tamní atmosféře tedy nebylo zrovna mnoho.

Poprvé si lidstvo všimlo metanové námrazy na povrchu Pluta v roce 1976. Bylo to díky průzkumu v infračerveném pásmu elektromagnetického spektra. Porovnáním s laboratorními spektry různých materiálů mohli vědci s jistotou říci, že na povrchu se nachází metanový led. Měla by tu tedy existovat i určitá atmosféra, která se skládá ze stejné chemické látky. Pevný led na povrchu totiž musí existovat v rovnováze s plynnou fází nad ním. 

První přímé pozorování

První přímý důkaz atmosféry se pak podařil díky pozorování Pluta při zákrytu hvězdy, která procházela na nebi za trpasličí planetou. Během zákrytu se pozorovaná světelná křivka hvězdy měnila - a poskytla díky tomu údaje o poloměru Pluta ale také charakteru jeho atmosféry. Na základě těchto pozorování bylo odhadnuto, že tloušťka atmosféry odpovídá průměru trpasličí planety. 

Další průzkum se věnoval její energetické bilanci - a vědci dospěli k závěru, že se dá pozorované chování atmosféry vysvětlit jen přítomností molekul, které jsou těžší než metan. Postupně pak odhalili na Plutu také přítomnost molekulárního dusíku (N2) a oxidu uhelnatého (CO) - sloučenin, které byly obsaženy už v oblaku plynu a prachu, ze kterého vznikala naše Sluneční soustava. Ukázalo se, že povrchová teplota Pluta je příliš nízká na to, aby podporovala atmosféru s převahou metanu, což znamená, že se v ní  musí nacházet převážně N2 nebo CO. 

Pozdější detekce CO a N2 ledu na povrchu ukázala, že dusík tvoří dokonce nejhojnější led a že atmosféra Pluta se skládá pravděpodobně převážně z dusíku se stopovým množstvím metanu (CH4) a CO. Zjistilo se také, že v atmosféře Pluta musí existovat zákal - tedy částice ledu, které tento jev způsobují. 

V roce 2002 se konal další hvězdný zákryt Pluta a vědci získali nové poznatky. Pozorování na více vlnových délkách ve viditelné a infračervené oblasti spektra ukázaly další náznaky vrstvy zákalu v blízkosti povrchu trpasličí planety. 

Přítomnost oparu v atmosféře Pluta přitom nebyla překvapivá. Porovnání fotochemie v atmosféře Jupiteru a Titanu nabízí dokonce vysvětlení pro produkci takového zákalu. Vznikl by fotolýzou metanu. Podobný zákal byl objeven při průletu sondy Voyager 2 kolem Neptunu v atmosféře jeho měsíce Tritonu ve výšce 30 km nad pevným povrchem. Navíc tu byla pozorování atmosféry Titanu sondou Cassini-Huygens. 

Sezónní změny v atmosféře Pluta

Pluto nemá  kruhovou - ale naopak eliptickou oběžnou dráhu s dobou oběhu 248 let a perihéliem (bodem, který je Slunci nejblíže) a aféliem (nejvzdálenějším bodem) 29,66 a 49,31 astronomických jednotek (vzdálenost Země od Slunce). 

Značný rozdíl v maximální a minimální vzdálenosti od Slunce způsobuje, že se množství slunečních fotonů, které doletí na Pluto také mění - je téměř 3× vyšší když se nachází v perihéliu než v době, kdy prochází aféliem. Tento rozdíl musí mít za následek kolísání povrchového tlaku.

Atmosféra Pluta byla přitom poprvé detekována krátce před průchodem perihéliem, když se Pluto nacházelo ve vzdálenosti 29,76 astronomické jednotky od Slunce. Pozdější zákryty například v roce 2002 a průlet sondy New Horizons 14. července 2015 se konaly při vzdálenosti Pluto-Slunce 30,54 a 32,69 astronomické jednotky. 

Nezdálo se sice, že by se struktura horní atmosféry výrazně měnila, ale tlak na povrchu trpasličí planety se přitom zvyšoval až do roku 2008, než začal postupně klesat - a to i přesto, že se Pluto během celého tohoto časového období vzdalovalo od Slunce. 

Změny povrchového tlaku během roku Pluta se tehdy vysvětlovaly fotochemickou produkcí zákalu. Zvýšení povrchového tlaku přitom zvyšuje množství molekul N2 a CH4 - které pak mohou produkovat atmosférický zákal. Snížený povrchový tlak pak může znamenat existenci nižší teploty. To zase pro změnu ovlivňuje neutrální reakce, jejichž rychlost závisí na teplotě, a zvyšuje kondenzaci v blízkosti povrchu. Rostoucí vzdálenost od Slunce také sníží tok běžných ultrafialových a vysoce energetických ultrafialových fotonů, způsobujících zahájení reakce fotodisociace a fotoionizace N2 a CH4 - tedy procesů, které podporují tvorbu zákalu v atmosféře Pluta.

Průlet sondy New Horizons

Průlet New Horizons přinesl několik překvapivých objevů o atmosféře Pluta. První bylo, že teplota v horních vrstvách atmosféry byla výrazně nižší, než se předpokládalo, což znamená, že atmosféra byla ochlazována nějakým neočekávaným procesem. 

Druhým překvapením byla přítomnost uhlovodíků obsahujících dva atomy uhlíku (C2Hx) třeba acetylenu (C2H2), etylenu (C2H4) a ethanu (C2H6). Jejich hustoty byly v různých výškách různé. Nečekaný pokles hustoty ve výškách kolem 300–400 km naznačuje, že tu probíhá nějaký proces, který tyto molekuly z atmosféry odstraňuje.

Posledním překvapením z průletu New Horizons byly rozsáhlé globální vrstvy oparu v atmosféře. Na fotografiích, které zasla sonda na Zemi, se navíc dají rozeznat různé vrstvy tohoto oparu. 

Analýza profilů zákalu a profilu atmosférické teploty ukázala, že efekty, zaznamenané v dřívějších zákrytových světelných křivkách pocházejí od silné teplotní inverze v nižších vrstvách atmosféry a nejsou tedy nejspíš způsobeny přímo zákalem atmosféry. 

Přibližně v době průletu New Horizons bylo Pluto pozorováno také pomocí Atacama Large Millimeter Array (ALMA). Teleskop měřil množství CO, výškový profil existence molekuly kyanovodíku (HCN) a horní limit pro detekci složitých uhlovodíků v atmosféře Pluta. 

Co je tedy dnes nového?

Dnes víme, že Pluto má skutečně komplikovanou atmosféru s několika vrstvami zákalu. Existují tu různé interakce mezi atmosférickým plynem a částicemi zákalu. 

Pozorování ukázala, že tyto interakce odstraňují z atmosféry velké množství HCN a složitějších uhlovodíků díky kondenzaci  molekul na aerosolech, které se v atmosféře nacházejí. 

Fyzikální charakteristiky samotných aerosolů se dají simulovat v různých modelech. Porovnáním se zjistilo, že  aerosoly v atmosféře Pluta nemají vždy kulovitý tvar - a že jejich schopnost odstraňovat molekuly z atmosféry klesá s rostoucí velikostí a věkem. Tyto výsledky jsou tak důležité, že budou použity i pro budoucí studie oparu v atmosféře Titanu a Tritonu.

Dalším důležitým poznatkem, který přinesl průlet New Horizons bylo zjištění, že teplota v horních vrstvách atmosféry byla výrazně nižší, než se předpokládalo. 

To má následky jak pro chemické procesy, probíhající v atmosféře Pluta, ale také pro únik částic do vesmíru (ztráta atmosféry je u Pluta samozřejmě značná - má totiž jen poměrně malou hmotnost a tedy i nízkou přitažlivost). 

Nízká teplota znamená nižší průměrnou rychlost molekul a tedy také nižší únik atmosféry. Díky tomu se mohou těkavé látky dlouhodobě zadržovat na povrchu a v atmosféře trpasličí planety. 

Budoucí průzkum Pluta

Vědci nyní chtějí dlouhodobě sledovat tepelné vyzařování aerosolů v atmosféře Pluta, hledat další důkazy o zákalu atmosféry, monitorovat tlak na povrchu trpasličí planety a sledovat změny teploty během jejího vzdalování od Slunce. Čeká je tedy ještě spousta práce a my se můžeme těšit na další poznatky - které se koneckonců uplatní i ve výzkumu dalších měsíců velkých planet nebo dokonce při výzkumu exoplanet, které obíhají kolem cizích hvězd. 

Zdroje: NASA,https://arxiv.org/ftp/arxiv/papers/2311/2311.17235.pdf