Naši vesmírní sousedé - Merkur

Z celé rodiny planet je nejmenší a nejzáhadnější. Teleskopem se pozoruje špatně a sondy se k ní nedostávají zrovna lehce. Její nově objevené vlastnosti překvapily vědce i laickou veřejnost. 

Merkur byl ještě donedávna nejméně prozkoumanou planetou naší soustavy. Může za to jeho poloha.   Je příliš blízko ke Slunci, proto je jen těžko pozorovatelný pozemskými teleskopy. Citlivé přístroje by poškodilo záření blízké hvězdy, ty méně citlivé zase nezachytí moc detailů. Pouhým okem je vidět jen asi hodinu večer nebo časně ráno před východem Slunce. Čtyřikrát ročně je relativně blízko k Zemi, takže se v teleskopu dají pozorovat i detaily na jeho povrchu.

Ani přímé pozorování pomocí satelitní sondy není vůbec jednoduché. Zatímco ostatní blízké planety (Venuši a Mars) navštěvují sondy celkem pravidelně, k Merkuru se zatím podařilo navést pouze dvě. Planetu zběžně zkoumala sonda Mariner 10, která kolem něj třikrát prolétla v sedmdesátých letech. Teprve nedávno, v roce 2004, k němu odstartovala sonda, Messenger,  která po složitých manévrech o několik let později zakotvila na jeho oběžné dráze. Přinesla mnohá překvapení, se kterými nejspíš nikdo nepočítal.

Merkur má průměr zhruba 4880 kilometrů, je tedy menší než Jupiterovy a Saturnovy měsíce Ganymed a Titan. Pro srovnání – náš Měsíc má průměr 3476 kilometrů, je tedy jen o něco menší. Merkur je Slunci nejbližší planetou. Obíhá jej ve vzdálenosti  58 miliónů kilometrů, což je zhruba jen třetina vzdálenosti Země-Slunce. Maximální denní teplota na povrchu Merkuru dosahuje pekelných 430 °C. V noci klesá až na -170 °C. I zde drží rekord – je planetou s největším kolísáním teploty během  noci a dne.

Merkurova pozice ve Sluneční soustavě

Merkur je nejbližší pevnou planetou, která obíhá Slunce. Jak je tomu ale u jiných planetárních systémů? Mají také tak blízké kamenné planety?

Vědci, zkoumali data, která nám obstaral teleskop Keppler. Ten zkoumá planety, obíhající cizí hvězdy. Našli u nich dokonce ještě daleko bližší objekty. Skoro polovina systémů vlastní kamennou planetu velkou jako Země, která se nachází uvnitř oběžné dráhy Merkuru. Proč je tedy nejbližší okolí našeho Slunce relativně prázdné?

Je celkem pravděpodobné, že se původně uvnitř dráhy Merkuru vytvořily tři nebo čtyři větší kamenné planety. Neměly ale stabilní oběžné dráhy. Časem se začaly křížit, což vedlo ke vzájemným kolizím. Z celkového chaosu ve vnitřní systému vyšel relativně bez úhony jen Merkur se svou, dnes velice zvláštní, oběžnou dráhou.

Excentrická oběžná dráha Merkuru

Merkurova dráha  (s hodnotou excentricity 0,2056) nás nechá tušit, že jeho minulost nebyla zrovna ideální a klidná. Po svém vzniku prošel nejspíše řadou kolizí, které změnily jak jeho oběžnou dráhu, tak jeho rotaci.

Dnešní Merkur obíhá Slunce po eliptické dráze. Ta se ale navíc s každým oběhem stáčí – takže připomíná spíše rosetu. Jeden oběh trvá 88 pozemských dní.

Planeta se pohybuje po své oběžné dráze v tzv. 3/2 spin-orbitální rezonanci. Znamená to, že během doby, ve které dvakrát oběhne Slunce, se stihne třikrát otočit kolem své vlastní osy.

I za tento exotický stav je nejspíše zodpovědná kolize v dávné minulosti. Vědci, kteří se problémem zabývají (Wieczorek a kolektiv), předpokládají, že původně zaujal Merkur stejnou rotaci, jakou má náš Měsíc vůči Zemi. Měl tehdy oběhnout Slunce ve stejné době, ve které se otočí kolem své osy. Tato rovnováha byla porušena kolizí s větším asteroidem. Planeta se pak zafixovala v jiném, blízkem a stabilním rotačním poměru. Na katastrofu, která vedla ke změně rotace by měla zůstat památka v podobě kráteru, velkého přes 1000 km. Takových kráterů je na Merkuru skutečně hned čtrnáct.

Vědci se nyní snaží analyzovat údaje o množství a rozložení merkurových kráterů, které před nedávnem dodala sonda Messenger. Pokud planeta prožila část své existence ve vázané rotaci se Sluncem,   mělo by se to odrazit na jejím povrchu. Ta část, která byla delší dobu Slunci přikloněná, by měla mít méně kráterů, byla svou polohou před kolizemi s asteroidy chráněna. 

Roční období na Merkuru

Na Zemi se o střídání ročních období stará sklon zemské osy. Podle toho, jaká polokoule je právě přikloněná ke Slunci, dostávají různé části zemského povrchu různé množství sluneční energie. Tam, kde je příjem energie nejvyšší, panuje léto. Na opačné polokouli je zima.

Rotační osa Merkuru je téměř kolmá na rovinu jeho oběhu kolem Slunce. Jeho osa tedy nemá žádný sklon, tak jak je tomu u zemské osy. Přesto na Merkuru panují roční období. Vznikají ale jiným způsobem, než je tomu na Zemi.

Vysoká excentricita Merkurovy oběžné dráhy způsobuje, že v bodě, kdy je Slunci nejblíže (perihelu) dostává 2,3x více energie než v nejvzdálenějším bodě své dráhy (apogeu). U Země je tento rozdíl daleko menší, činí jen 7%.

Merkurova atmosféra

Podobně jako Měsíc, nemá Merkur žádnou znatelnou atmosféru. Velice řídká směs plynů, kterou bychom mohli s trochou fantazie za atmosféru prohlásit, se skládá z 22% z atomů vodíku a 6% atomů helia. Tato část „atmosféry“ pochází ze Slunce a jeho slunečního  větru. Podobně jako u Měsíce, se dá i na Merkuru pozorovat kyslík (42%), sodík (29%) a draslík (0,5%). Tyto prvky pocházejí z regolitu, materiálu, který Merkur pokrývá. Z jeho horniny jsou „frézovány“ slunečním větrem, který je v této malé vzdálenosti od Slunce ještě velice intenzivní.

Vnitřní struktura Merkuru

Velkým překvapením byl fakt, že Merkur má neobyčejně vysokou hustotu. Obsahuje tedy pravděpodobně daleko více kovu, než by planetě jeho velikosti příslušelo.

Jistě si vzpomenete, jakým způsobem se vysvětluje neúměrně velké jádro Země. Naše planeta získala své mohutné železná jádro kolizí s planetkou Theia, při které jádra obou objektů splynula do jednoho.

Merkur přišel ke svému příliš velkému jádru podobně - kolizí s jinou protoplanetou v dobách, kdy Sluneční soustava teprve vznikala. Bylo to těleso, které mělo nejspíš 2x – 4x větší hmotnost než on sám. Při srážce se musela na oběžnou dráhu vymrštit část jeho hmoty podobně, jako se tomu stalo při srážce mladé Země s protoplanetou Theia. V případě Země se z části materiálu na oběžné dráze zformoval Měsíc. U Merkuru se to nepodařilo. Může za to jeho blízkost ke Slunci a relativně intenzivní sluneční vítr. Malé částice hmoty jím byly fragmentovány a rozprášeny do sluneční soustavy.

Srážka s protoplanetou nebyla čelní, byla spíše jen bočním pošťouchnutím. Přesto přišel Merkur při kolizi o značnou část svého kamenného pláště.  Část jeho hmoty se mimochodem dostala i na Zemi. Odhadem zde skončilo 16 miliard miliónů tun materiálu, který původně tvořil Merkur. Proto je dnes je Merkur z 85 % tvořen pouze kovovým jádrem. Kolem něj se nachází vrstva sulfidů železa, tedy sloučenin síry, jak potvrdila měření gravitačního pole Merkuru sondou Messenger.

Messenger – komplikovaná cesta, úžasné objevy

Jedinou sondou, která v minulém století zkoumala Merkur, byla Mariner 10. V sedmdesátých letech absolvovala tři průlety kolem planety, provedla několik měření a snímkovala její povrch.

Poslat sondu k Merkuru totiž není vůbec jednoduché. Na to, aby mohla opustit zemskou přitažlivost, potřebuje vysokou rychlost. Při své další dráze k planetě je pak navíc urychlována přitažlivostí Slunce. Na to, aby mohla sonda u svého cíle zabrzdit, je pak potřeba velké množství paliva. Aby toto dodatečné palivo opustilo zemskou přitažlivost je zapotřebí zase další palivo. Celý projekt se tím stává příliš ekonomicky náročný a těžce proveditelný.

Kvůli cestě k Merkuru museli vědci nalézt jinou možnost, jak problém vyřešit. Použili tzv. „swing-by“ manévr. Sonda při něm využívá ke svému urychlení nebo zpomalení gravitační pole objektů (planet), kolem kterých prolétá.

V roce 2004 se věda konečně dočkala: k Merkuru měla vyrazit nová sonda, pojmenovaná „Messenger“. Bylo naplánováno, že na rozdíl od Marineru 10 zaujme místo na oběžné dráze planety a bude ji důkladně kartografovat a zkoumat.

Po několika odkladech se start uskutečnil v srpnu 2004. Sonda musela překonat osm miliard kilometrů, než zakotvila v cíli - na oběžné dráze Merkuru. Absolvovala swing-by manévry kolem Země (2005), Venuše (2006 a 2007) i Merkuru samotného (v roce 2008, 2008 a 2009). Už při swing-by u Merkuru v roce 2008 sonda fotografovala tu část povrchu planety, kterou nemohla v sedmdesátých letech zachytit sonda Mariner 10.

V roce 2011 Messenger konečně zaujal své místo na oběžné dráze Merkuru. Kroužil kolem něj po excentrické oběžné dráze, ve výšce 200 – 15000 km až do letošního roku. Zkoumal povrch planety, její složení a magnetické pole. V roce 2012 objevil, že se v oblasti pólů nachází volně ležící ledová pole.

Led na ohnivé planetě

I když se povrch Merkuru podobá rozžhavenému peklu, které čas od času zamrzá, předpokládali vědci už delší dobu, že by se na jeho povrchu mohla uchovávat zmrzlá voda. Mohla by existovat v polárních oblastech, kam (díky prakticky neexistujícímu sklonu rotační osy planety) nikdy nedopadnou sluneční paprsky. Messenger vytvořil teplotní mapu Merkuru a toto podezření potvrdil.

Led se dostal na Merkur stejným způsobem, jakým obdržela Země naprostou většinu svých vodních zásob. Zmrzlou kapalinu přinesly komety z vnější části slunečního systému dlouhé poté, co planeta vychladla natolik, aby se na ní vytvřil pevný povrch.

Tloušťka ledu by na Merkuru mohla dosahovat několik desítek centimetrů. Na povrchu je led znečištění organickými látkami, které se na planetu dostaly stejnou cestou, jako zamrzlá voda – v kometách.

Mapa Merkuru

Díky sondě Messenger se poprvé podařilo detailně zmapoval Merkurův povrch. Z tisíců snímků sestavili vědci dokonce 3D mapu planety.

Poslední manévr absolvovala sonda v dubnu 2015. Vyčerpala tím poslední zbytky paliva. 30. dubna se roztříštila o povrchu planety. Zanechala po sobě 16-metrový kráter.

Četli jste pozorně? Malá hádanka:

Merkur má zvláštní rotaci. Obíhá Slunce po značně eliptické dráze a navíc rotuje v 2/3 poměru, takže na některých místech planety Slunce vychází a zapadá i dvakrát za merkurovský "den". Kolikrát za rok je na Merkuru jaro? 

Zdroje:  "Mercury's formation impact splattered Earth with material", 2006 Royal Astronomical Society National Astronomy Meeting. http://www.nature.com/ngeo/journal/vaop/ncurrent/full/ngeo2189.html. „Gravity Field and Internal Structure of Mercury from MESSENGER“, David E. Smith et al., Science, 2012. „Topography of the Northern Hemisphere of Mercury from MESSENGER Laser Altimetry“, Maria T. Zuber et al., Science,2012. http://www.sciencemag.org/content/early/2012/11/28/science.1229764.full  http://www.sciencemag.org/content/early/2012/11/28/science.1231106.full http://www.sciencemag.org/content/early/2012/11/28/science.1229953.full Wieczorek, M., Correia, A., Le Feuvre, M., Laskar, J., & Rambaux, N. (2011). Mercury’s spin­orbit resonance explained by initial retrograde and subsequent synchronous rotation, Nature Geoscience, DOI: 10.1038/ngeo1350 http://arxiv.org/abs/1502.06558, Volk und Gladmann, 2015