Nasa tähtää Aurinkokunnan jäisille syrjäseuduille

Kuvittele maailma, jossa Aurinko paistaa 21 vuotta yhteen menoon, välillä päivä ja yö vaihtelevat vain 17 tunnin jaksoissa ja sitten on 21 vuotta pilkkopimeää. Lisäksi planeetan pyörimisakseli 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.

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: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 – nimeltään 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 Jupiter 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.

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.

Oikeastaan vain yksi ominaisuus erottaa Uranuksen useimmista muista planeetoista. Se näyttää kellahtaneen kyljelleen niin, että sen pyörimisakseli on samalla tasolla kuin sen Aurinkoa kiertävä rata.

Uranuksen kierros Auringon ympäri kestää 84 Maan vuotta. Siitä seuraa huimia vuodenaikojen vaihteluja. Ensin Aurinko paistaa pohjoisnavalla ja laajalti sen ympäristössä yhteen menoon 21 Maan vuotta ja etelänavan ympäristössä on yhtä pitkä yö. Seuraavien 21 vuoden aikana päivä ja yö vaihtelevat normaalimmalta tuntuvissa reilun 17 tunnin jaksoissa. Sitten alkaa 21 vuotta kestävä yö pohjoisnapaseudulla ja etelässä paistaa yhtä kauan Aurinko, kunnes Uranus taas alkaa kallistua ja alkaa 17-tuntinen päivän ja yön rytmi. Uranuksen pyörähdys oman akselinsa ympäri kestää aina 17 tuntia 14 minuuttia.

Törmäys kellisti Uranuksen

Varmasti ei tiedetä, miten Uranus päätyi outoon pyörimisasentoonsa. Todennäköisimpänä selityksenä 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 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.

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.

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.

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.