MIssion til uranus

Nasa tähtää Aurinkokunnan jäisille syrjäseuduille

Uranusta tutkittiin luotaimella 36 vuotta sitten. Nyt Nasa kaavailee uutta matkaa kaukana Saturnuksen takana kiertävälle jättiläisplaneetalle. Luotaimelta toivotaan vastausta kysymyksiin, joiden merkitys ulottuu kauas oman Aurinkokuntamme ulkopuolelle.

Uranusta tutkittiin luotaimella 36 vuotta sitten. Nyt Nasa kaavailee uutta matkaa kaukana Saturnuksen takana kiertävälle jättiläisplaneetalle. Luotaimelta toivotaan vastausta kysymyksiin, joiden merkitys ulottuu kauas oman Aurinkokuntamme ulkopuolelle.

Shutterstock & Claus Lunau

Kuvittele maailma, jossa Aurinko välillä paistaa 21 vuotta yhteen menoon ja välillä on 21 vuotta pilkkopimeää. Sitten taas vuorokausi kestää vain 17 tuntia. Lisäksi planeetan pyörimisaskeli on kallellaan niin, että se vyöryy kiertoradallaan lähes kyljellään. Kompassista ei siellä ole iloa, koska magneettikenttä on silkkaa kaaosta.

Tällainen maailma on Uranus. Se on Aurinkokunnan toiseksi suurin planeetta ja hyvin erilainen kuin muut. Se tunnetaan huonosti, koska se on niin kaukana Maasta, mutta pian sitä päästään tutkimaan itse paikalla.

Luotaimen lähettäminen Uranukseen on ollut tutkijoiden toiveena jo pitkään, ja nyt se näyttää toteutuvan. Yhdysvaltojen kansallinen tutkimusneuvosto esittää raportissaan, että Uranus-luotain olisi avaruusohjelman ykköshanke 2030-luvulla. Osa luotaimesta jäisi satelliitiksi Uranusta kiertävälle radalle ja osa sukeltaisi kaasukehään.

Luotaimella on edessään kolmen miljardin kilometrin matka, joka kestää 12 vuotta.

Luotaimen toivotaan tuottavan uutta tietoa paitsi Uranuksesta ja Aurinkokunnasta myös muiden tähtien kiertolaisista. Näyttää nimittäin siltä, että Uranuksen kaltaiset planeetat ovat Linnunradassa yleisiä.

Nasan aikataulu on tiukka. Luotain pitää saada lähtövalmiiksi 2030-luvun alussa. Jos se ei onnistu, seuraava sopiva aika on yli vuosikymmenen päästä.

Viime käynnistä on 36 vuotta

Matka Uranukseen on pitkä. Uranus kiertää 2,88 miljardin kilometrin päässä Auringosta. Se on siis lähes 20 kertaa niin kaukana Auringosta kuin Maa.

Aurinkokunnan laidoilla on kylmä. Siksi Uranusta ja sen naapuriplaneettaa Neptunusta kutsutaan jääjättiläisiksi. Uranuksen massa on 14,5 kertaa niin suuri kuin Maan ja läpimitta nelinkertainen.

Uranusta on tutkittu luotaimella vain kerran. Se tapahtui vuonna 1986, kun Nasan Voyager 2 -luotain lensi Uranuksen ohi 81 500 kilometrin päästä.

Voyager 2 ja Uranus vuonna 1986

Voyager 2 lensi Uranuksen ohi 81 500 kilometrin etäisyydeltä 24. tammikuuta 1986. Sittemmin Uranuksessa ei ole käyty.

© Carlos Clarivan/SPL

Voyager 2:n käynnin jälkeen Uranusta on voitu tutkia vain teleskoopeilla. Monessa suhteessa tutkijat ovat joutuneet tyytymään Voyager 2:n tietoihin, jotka ovat melko perusluontoisia.

Voyager 2 sai selville oikeastaan selville vain Uranuksen värin, koon, lämpötilan, tiheyden ja magneettikentän. Ne eivät riitä vastaukseksi kaikkiin Uranukseen liittyviin kysymyksiin.

Päätös luotaimesta pitää tehdä ripeästi.

Uranukseen lähetettävän luotaimen – jolla on jo nimikin: Uranus Orbiter and Probe – rakentaminen kestää 7-10 vuotta. Se voitaisiin siis periaatteessa saada matkaan 2030-luvun alkupuolella.

Silloin Jupiter olisi sopivassa asemassa Uranukseen nähden. Se on tärkeää, sillä Jupiteri voi painovoimallaan antaa luotaimelle lisää vauhtia ja singota sen kohti Uranusta. Näin rakettien polttoainetta tarvitaan vähemmän ja kyytiin mahtuu lisää tutkimuslaitteita. Matka Uranukseen kestää 12 vuotta.

Seuraavan kerran planeetat ovat sopivissa kohdissa vuosisadan puolivälissä.

To planeter hjælper rumsonden

Matka Uranukseen kulkee ensin Venuksen ympäri. Sitten tehdään kaksi kierrosta Maan ympäri ja haetaan vielä vauhtia Jupiterilta ennen kuin suunnataan Uranukseen.

© Shutterstock & Lotte Fredslund/Claus Lunau

Perille päästyään luotain alkaa tutkia planeettaa, jonka pitäisi oikeastaan olla jossakin muualla. On nimittäin outoa, että Uranus sijaitsee nykyisellä paikallaan.

Tutkijoiden mukaan on hyvin epätodennäköistä, että Uranuksen ja Neptunuksen kaltaiset jääjättiläiset ovat syntyineen nykyisillä sijoillaan. Niiden syntyaikoihin niin kaukana siellä ei yksinkertaisesti ollut kylliksi ainetta.

Yhden teorian mukaan Neptunus ja Uranus syntyivät lähempänä Aurinkoa ja paiskautuivat Aurinkokunnan laidalle, kun kaksi muuta jättiläistä, Jupiter ja Saturnus, asettuivat nykyisille kiertoradoilleen.

Teorian testaamiseksi luotain tutkii, mitä alkuaineita Uranus sisältää. Sen koostumusta verrataan sitten Jupiteriin ja Saturnukseen.

Metaani värjää Uranuksen siniseksi

Yleisimmän teorian mukaan Uranuksella on raudasta, nikkelistä ja kiviaineksesta koostuva ydin ja sitä ympäröi jäinen vaippa, jossa on vettä, ammoniakkia ja metaania.

Kaasukehä on enimmäkseen vetyä ja heliumia, mutta siinä on myös muutama prosentti metaania, joka antaa Uranukselle sinisen värin.

Uranuksella on kaksi rengasta, jotka kiertävät sitä sen päiväntasaajan tasolla. Lisäksi sillä on 27 kuuta, joista viisi suurinta on ilmeisesti syntynyt yhtä aikaa kuin planeetta. Loput lienevät Uranuksen painovoiman sieppaamia muita kappaleita.

Uranus og de fem måner

Uranuksen sinertävän värin saa aikaa kaasukehän metaani, joka heijastaa valon sinisiä taajuuksia.

© Qai Publishing/Universal Images Group/SPL

Oikeastaan vain yksi ominaisuus erottaa Uranuksen useimmista muista planeetoista. Se näyttää kellahtaneen kyljelleen niin, että sen pyörimisakseli on samalla tasolla kuin sen kiertorata Auringon ympäri.

Uranuksen kierros Auringon ympäri kestää 84 Maan vuotta. Siitä seuraa huimia vuodenaikojen vaihteluja. Ensin Aurinko paistaa taivaalla yhteen menoon 21 Maan vuotta eli Uranuksen vuorokausi on 21 Maan vuotta. Seuraavat 21 vuotta vuorokauden pituus on 17 tuntia. Sitten alkaa 21 vuotta kestävä yö.

Törmäys kellisti Uranuksen

Varmasti ei tiedetä, miten Uranus päätyi outoon pyörimisasentoonsa. Todennäköisimpänä selityksensä pidetään sitä, että muinoin Uranukseen törmäsi toinen, massaltaan noin kaksi kertaa Maan kokoinen kappale.

Tällainen isku olisi voinut kellistää Uranuksen kyljelleen. Jälkiä törmäyksestä ei enää ole nähtävissä, mutta luotain ehkä löytää kolarissa irronnutta ainesta Uranuksen kuista.

Törmäys Uranukseen

Uranus on ehkä muinoin törmännyt kaksi kertaa Maan kokoiseen kappaleeseen. Se voisi selittää poikkeuksellisen alhaisen lämpötilan ja pyörimisakselin oudon asennon.

© Ron MIller/SPL

Törmäys voi selittää myös, miksi Uranus on kylmempi kuin Neptunus, vaikka kauempana sijaitseva Neptunus saa 40 prosenttia vähemmän auringonvaloa kuin Uranus.

Selitys voi olla se, että muinaisessa törmäyksessä Uranus hajosi niin, että suurin osa sen ytimen lämmöstä karkasi kerralla avaruuteen.

Toinen teoria menee niin, että kun Uranus pyörii vaakatasossa, sen navat lämpenevät enemmän kuin päiväntasaajan alue, jolloin lämpöä haihtuu avaruuteen normaalia enemmän. Kolmannen teorian mukaan jokin tuntematon kerros vaipan ja kaasukehän välissä estää lämpöä pääsemästä ulos.

Kaikki kolme teoriaa ovat valistuneita arvauksia. Faktatietoa saadaan, kun luotain pääse tutkimaan asiaa itse paikalla.

Viisi huimaa kohdetta Aurinkokunnassa

Klase af planeter
© Shutterstock

Aurinkokunnan syrjäseutujen tutkimus voi tuottaa uutta tietoa myös muusta avaruudesta, muun muassa siitä, millaisilta taivaankappaleilta mahdollista Maan ulkopuolista elämää kannattaa etsiä. Erityisesti tutkijoita kiinnostaa viisi kohdetta.

Lähitutkimusta tarvitaan myös Uranuksen kaoottisen magneettikentän selittämiseksi.

Uranuksen päämagneettikentän magneettiset navat poikkeavat 59 astetta planeetan pyörimisakselista. Maapallolla vastaava tilanne johtaisi siihen, että magneettinen pohjoisnapa olisi keskellä Eurooppaa. Uranuksessa vaikuttaa myös iso joukko voimakkaita paikallisia magneettikenttiä.

Uranuksen magneettikentät eroavatkin jyrkästi muiden planeettojen magneettikentistä. Kaikissa niissä magneettikenttä noudattaa pyörimisakselin suuntaa ja ja muistuttaa sauvamagneetin voimaviivoja.

Täysi lasti tekniikkaa

Uranus Orbiter and Probe -luotaimen kyytiin määrä lastata iso kuorma tutkimuslaitteita. Aluksen suunnittelu jatkuu vielä, mutta itse luotaimen ja kaasukehää mittaavan osan pääpiirteet ovat jo selvillä.

Cl satellit

Luotaimessa on kaksi osaa: satelliittiosa (1), joka jää kiertämään Uranusta, ja laskeutumisosa (2), joka sukeltaa kaasukehään.

© Claus Lunau

Uranusta kiertämään jäävään luotaimen satelliittiosaan tulee muun muassa neljä gyroskooppia, joilla kartoitetaan Uranuksen rakennetta. Se tapahtuu painovoimamittausten avulla. Gyroskoopit mittaavat, miten muutokset Uranuksen painovoimakentässä vaikuttavat luotaimen kulkuun Uranuksen ympärillä.

Satelliittiosassa on myös magnetometri, joka kartoittaa magneettikentän, ja kamera, joka kuvaa Uranuksen pilvipeitteen yläpintaa.

Matkan jännittävin vaihe on se, kun satelliittiosasta irtoaa mittauslaite, joka laskeutuu Uranuksen kaasukehään.

Luotaimen pääosa jää kiertämään Uranusta satelliittina. Toinen osa tekee itsemurhasukelluksen Uranuksen pilviin.

Vaihe 1: laskeutuminen kaasukehään
© Claus Lunau

1. Lämpökilpi suojaa

Mittauslaite syöksyy kaasukehään 22,5 kilometrin sekuntivauhtia. Lämpökilpi suojaa sitä kitkan synnyttämältä kuumuudelta. 95 sekunnin päässä avautuu ensimmäinen laskuvarjo.

Vaihe 2: laskeutuminen kaasukehään
© Claus Lunau

2. Laskuvarjo jarruttaa

Ensimmäinen pieni laskuvarjo vetää avautuessaan esiin myös suuremman laskuvarjon. 103 sekunnin kuluessa vauhti hidastuu niin paljon, että lämpökilpi voidaan irrottaa.

Vaihe 3: laskeutuminen kaasukehään
© Claus Lunau

3. Kolmen minuutin mittausurakka

27 minuutin kuluttua avautuu toinen päävarjo. Sitten alkaa varsinainen työrupeama. Se kestää kolme minuuttia. Kun ollaan 1 000 kilometriä pilvipeitteen sisällä, paine murskaa laitteet.

Laskeutumisosan sensorit mittaavat kaasukehän lämpötilaa, painetta ja tiheyttä. Massaspektrometreilla mitataan vedyn, heliumin ja metaanin pitoisuutta kaasukehässä.

Luotaimelta odotetaan paitsi tietoa Uranuksen menneisyydestä myös osviittaa siitä, millaisia kiertolaisia muilla tähdillä voi olla.

Muiden tähtien kuin Auringon ympäriltä on havaittu yli 5 000a planeettaa. Jopa 40 prosenttia niistä on Uranuksen kaltaisia jääjättiläisiä. Uranus voi siis kertoa, miten eksoplaneetat ovat syntyneet ja miten ne vaikuttavat planeettajärjestelmien kehitykseen.

Näin ehkä saadaan uutta tietoa myös siitä, miten paljon oma Aurinkokuntammme muistuttaa muita planeettajärjestelmiä ja miltä osin se on ainutlaatuinen.