Vykoupení Sněhurky (3)

Autor: Prof. Michael E. Brown
Překlad (kráceno): Vladimír Kocour

Článek volně navazuje na třídílný článek Trpasličí planeta Sedna – Prototyp těles Kuiperova pásu, uveřejněný v dubnu 2011.

– Pokračování druhé části –

Naděje Sněhurky na vykoupení přišla konečně minulý rok. Dostal jsem e-mail od Adama Burgassera, astronoma na University of California v San Diegu, známého svými studiemi hnědých trpaslíků v blízkém vesmíru (méně se o něm ví, že jsem před 10 lety vedl jeho disertační práci). Adam se právě vrátil z MIT, kde se podílel na konstrukci nového přístroje pro Magellanův dalekohled v Chile – spektrograf FIRE – dokonale navržený pro studium hnědých trpaslíků. Přístroj dokonale navržený pro studium hnědých trpaslíků se ukázal být ideální pro studium povrchu těles Kuiperova pásu. Adam si chtěl vzít na starosti otestování tohoto přístroje na nějakém zajímavém objektu vnější části sluneční soustavy. Ptal se mě, zda nevím o nějakém takovém objektu. Okamžitě jsem odpověděl: ano!

Po několika měsících mi Adam poslal data.

To, co jsem z nich zjistil, bylo důvěrně známé a podivné zároveň. Povrch Sněhurky je tvořen převážně vodním ledem. Na obrázku níže vidíte spektrum ve viditelné (levá část) a infračervené (střed a pravá část) oblasti spektra. Šedá klikatá čára jsou surová (silně zašuměná) data. Červené puntíky jsou lehce, vhodným způsobem vyhlazená data. Modré body jsou data doplněná z pozorování Hubblovým teleskopem (což je jedna veselá část příběhu). Vodní led je viditelný jako dva poklesy intenzity odraženého slunečního světla na vlnových délkách 1,5 a 2 mikrometrů. Led je celkem charakteristický, nic jiného nevytváří takové dva poklesy jako právě led.

Nález vodního ledu nebyl ničím překvapivým. Většina těles Kuiperova pásu obsahuje ve svém nitru vodní led. Ale led na povrchu bývá silně znečištěný jinými látkami. Sněhurka měla na povrchu nejčistší led, jaký kdy kdo u těles Kuiperova pásu viděl. Téměř. Ještě čistší led je na povrchu planetky Haumea a jejích úlomků. Což jsem očekával.

Sněhurka se stala částí nově se tvořícího skupiny: středně velké objekty, jejichž povrch je tvořen velmi čistým ledem. Skupina zahrnuje objekty: Orcus, Quaoar, Charon, 2003 AZ 84 a nyní – Sněhurka. Neexistuje důkaz, že tyto objekty mají více ledu uvnitř (ve skutečnosti, existuje slabá indicie k domněnce, že mají v nitru méně ledu, než menší tělesa Kuiperova pásu). Víme jen, že mají více ledu na povrchu.

Existuje ještě jeden záchytný bod k hledání vysvětlení, jak to je s ledem u velkých objektů Kuiperova pásu. Před více než 10 lety jsme můj přítel a já objevili, že měsíc Pluta Charon (jehož povrch je samozřejmě také tvořen převážně ledem) obsahuje stopy čpavku (anomiaku). Čpavek není nijak zvlášť hojná molekula, takže ani neexistuje dobrý důvod si myslet, že Charon obsahuje zčásti čpavek. Nicméně čpavek je výborný rozmrazovač. Jestliže Charon obsahuje uvnitř amoniak, tento amoniak se smíchal s tekutou vodou uvnitř dávného podpovrchového oceánu na Charonu (většina středně velkých objektů Kuiperova pásu téměř určitě měla podpovrchový oceán, přinejmenším po určitou dobu, když bylo jejich nitro teplejší než dnes) a způsobil, že směs vody s amoniakem zůstala kapalná i hluboko pod teplotou 0 °C. Nicméně, jak Charon pomalu chladnul, časem ani rozmrazovač nestačil, a voda se pomalu měnila v led. Při zmrznutí ovšem voda zvětšuje objem, což vedlo k vytlačování zbývající vody (resp. směsi vody a čpavku) prasklinami na povrch Charonu. Tam se voda okamžitě vypařovala, avšak částečně také mrzla a vytvářela povrchovou vrstvu poměrně čistého ledu. Od té doby, co jsme kdysi objevili čpavek na Charonu, se zjistilo, že také Orcus má na povrchu stopy čpavku. Nemůžeme říci, že také na Quaoaru, 2003 AZ 84 nebo na Sněhurce, ale já bych se vsadil, že ho tam najdeme.

Všechny tyto středně velké objekty Kuiperova pásu měly kdysi ledové vulkány, produkující „lávu“ – rozbředlou směs vody a ledu, případně ve vodě rozpuštěných plynů. „Láva“ vytékala na povrch a tuhla v podobě relativně hladkého vysoce odrazného materiálu – ledu s malou příměsí amoniaku -, který překrýval původní, méně odrazný znečištěný ledový povrch. Dobrá zpráva je, že za 3 roky dorazí k Plutu a Charonu sonda New Horizons, která pořídí detailní snímky takového povrchu.

Je tady ale jeden háček: povrch Sněhurky je červený. Led není červený. Neexistuje důvod k očekávání, že by materiál tvořící Sněhurku byl časem něčím zbarven dočervena.

Existuje ještě jeden objekt, na kterém je vodní led, a který je zbarven dočervena: Quaoar. Quaoar má jednu jinou věc vedoucí ke zřervenání, což je skutečnost, že je dostatečně velký, aby si mohl udržet zbytky kdysi rozsáhlejší atmosféry. Atmosféru Quaoaru jsme nikdy nepozorovali přímo, ale methanový led, který na povrchu zbyl, objevila moje bývalá studentka Emily Schallerová (během svého postgraduálního studia, podrobnosti zde). Emily ve své disertační práci předpověděla, že na Quaoaru je methan, a to na základě teorie, kterou znázorňuje tento graf:

V grafu je vidět velikost a teplota (přesněji řečeno je to efektivní teplota, více o tom si můžete přečíst v tomto článku) všech známých těles Kuiperova pásu. Křivky znázorňují jakou teplotu a velikost by objekty musely mít, aby si udržely atmosféru z methanu, kysličníku uhelnatého nebo molekulárního dusíku (všechny tyto tři látky byly detekovány na Plutu a Tritonu). Opravdu velké objekty dokážou udržet svou atmosféru gravitační silou. Opravdu studené objekty si dokážou udržet atmosféru jednoduše tak, že na nich není dostatečná teplota na to, aby z nich cokoli odpařováním uniklo. Skutečně zajímavé jsou objekty „mezi“, uprostřed diagramu.

Makemake ztratil mnoho svého dusíku, ale udržel si methan (ještě nic nevíme o kysličníku uhelnatém) a Quaoar je právě na hranici, za kterou by ztratil všechen svůj methan.

Methan je důvodem, proč je Quaoar červený. Máte-li methanovou atmosféru, budete mít i methanový led. Necháte-li methanový led bombardovat vysokoenergetickými částicemi slunečního a kosmického záření, methanový led časem zčervená. Zčervená tak, že bude červenější, než většina materiálů ve sluneční soustavě.

A Sněhurka? Nikdo dosud přesně nezměřil její velikost, takže nevíme, kam ji máme do diagramu umístit. Ale uděláme-li předpoklad, že Sněhurka odráží stejné procento světla jako Quaoar, můžeme ji přibližně umístit do diagramu (s určitým chybovým boxem). Zjistíme, že v takovém případě je Sněhurka také někde na hranici, za kterou by ztratila všechen methan.

Byl jsem šokován, když jsem si to vynesl do grafu poprvé. Sněhurka se přibližuje ke Slunci podstatně více (na 33 AU) než Quaoar (41 AU), takže jsem vždy předpokládal, že její teplota je příliš vysoká, než aby si jakékoli plyny udržela. Ale její velikost je právě dostatečná. Domníváme se, že Sněhurka, stejně jako Quaoar má poslední zbytky vypařující se methanové atmosféry a červený methanový led na povrchu – jako poslední zbytek kdysi většího množství.

Spektrum Sněhurky vypovídá o dlouhé komplexní historii tohoto malého kusu ledu. Sněhurka se formovala před 4,5 miliardami let v chaosu, který tehdy panoval ve vnější sluneční soustavě. Měla řídkou atmosféru převážně z vypařujícího se methanu a ledový povrch pozvolna znečišťovaný impakty malých těles. Potom nastala epocha ledového vulkanismu v důsledku mrznutí podpovrchového oceánu. Tato epocha netrvala příliš dlouho. Postupně se také začaly ztrácet plynné složky atmosféry. Jako první unikl dusík. Potom kysličník uhelnatý. A konečně dnes, díváme-li se na Sněhurku, vidíme poslední zbytky dočervena zbarvující atmosféry kdysi dynamického, dnes však zcela zmrzlého světa.

Myslím, že toto je celkem slušný výsledek na jedno rychlé testovací spektrum. Ale je tady ještě mnoho práce, která se musí udělat. Methan je jen hypotéza. Je třeba se vrátit k dalekohledu a provést dlouhou sérii časově náročných solidních měření, která hypotézu potvrdí nebo vyvrátí. Nyní také potřebujeme dát Sněhurce skutečné jméno. Myslím, že si to zaslouží.

(Článek o 2007 OR10 publikovaný v Astrophysical Journal Letters si můžete přečíst zde)