Nyt Nasa tähtää jääjättiläisiin

Ad Astra -elokuvassa nuori insinööri matkustaa Aurinkokunnan halki Neptunukseen. Todellisessa maailmassa Aurinkokunnan ulko-osissa kiertävää kahta jääjättiläistä ei ole tutkittu juuri lainkaan. Nyt Nasa on kuitenkin suunnitellut kaksi alusta, jotka voivat lähteä matkaan kohti Uranusta ja Neptunusta jo kymmenen vuoden kuluttua ja paljastaa lopullisesti, mitä niiden jäisen pinnan alle kätkeytyy.

Ad Astra -elokuvassa nuori insinööri matkustaa Aurinkokunnan halki Neptunukseen. Todellisessa maailmassa Aurinkokunnan ulko-osissa kiertävää kahta jääjättiläistä ei ole tutkittu juuri lainkaan. Nyt Nasa on kuitenkin suunnitellut kaksi alusta, jotka voivat lähteä matkaan kohti Uranusta ja Neptunusta jo kymmenen vuoden kuluttua ja paljastaa lopullisesti, mitä niiden jäisen pinnan alle kätkeytyy.

Claus Lunau/Shutterstock

Ad Astra -elokuvan tapahtumat sijoittuvat satojen vuosien päähän tulevaisuuteen. Yhdysvaltalaiset astronautit ovat jo aikaisemmin rakentaneet yhtä Neptunuksen kuuta kiertävän avaruusaseman, mutta Nasa ei saa siihen yhteyttä eikä tiedä, ollaanko siellä vielä elossa.

Neptunuksen kuun yllättävä räjähdys antaa aiheen epäillä, että avaruusasemalla tehdään salaa vaarallisia kokeita. USA:n johdon pyynnöstä nuori insinööri yrittää viestiä siirtokunnan kanssa. Koska yritys epäonnistuu, hänen pitää matkustaa Aurinkokunnan halki Neptunukseen.

Aurinkokunnan kaksi jääjättiläistä, Uranus ja Neptunus, ovat saaneet Maasta vasta yhden vieraan: Voyager 2 -avaruusluotaimen, joka ohitti Uranuksen vuonna 1986 ja Neptunuksen vuonna 1989 mukanaan 1970-luvun alussa kehitettyjä yksinkertaisia kameroita ja mittauslaitteita.

Voyager

Nasan Voyager 2 on ainoa alus, joka on käynyt Uranuksen ja Neptunuksen läheisyydessä.

© NASA

Siksi kummastakaan planeetasta ei tunneta paljon muuta kuin rata, koko, tiheys ja magneettikenttä. Vaatimattoman tutkimusaineiston pohjalta on mallinnettu molempien sisäosia ja kaasukehää, mutta teoreettisten mallien virheettömyyttä on vaikea todistaa Maasta käsin.

Niinpä avoimia kysymyksiä on pitkä liuta, eikä niihin saada vastausta lähettämättä satelliitteja ja luotaimia tutkimaan jääjättiläisiä. Ajatuksella on leikitelty, mutta asia on vasta viime aikoina nytkähtänyt eteenpäin Nasan valmistelujen ansiosta.

500-sivuinen raportti paljastaa, että insinöörit ja avaruustutkijat ovat vuodesta 2015 asti selvittäneet mahdollisia reittejä ja aluksia, jotka vievät tutkimusvälineet Aurinkokunnan kahden uloimman planeetan luo. Hetkeäkään ei ole hukattavissa, sillä lähdön Maasta pitää tapahtua 15 vuoden kuluessa.

Neljä tehtävää tähtäimessä

Raportissaan Nasa puntaroi neljää vaihtoehtoa, joissa tutkimuskohteena on jompikumpi jääjättiläinen. Tieteellisten tavoitteiden kannalta mielekkäin ratkaisu olisi lähettää kaksi satellittia, joista toinen asettuisi kiertämään Uranusta ja toinen Neptunusta, sillä planeettojen erityispiirteiden vuoksi niitä pitäisi tutkia erikseen.

Esimerkiksi Uranus ja sen 27 kuuta muodostavat todennäköisesti alkuperäisen jääjättiläisille ominaisen kuujärjestelmän. Neptunuksen kiertolaiset sen sijaan ilmeisesti hajaantuivat tai hajosivat, kun se kaappasi kääpiöplaneetta Tritonin suurimmaksi kuukseen. Kuita on nykyään kaikkiaan 14.

Taloudellisten syiden takia Nasa tuskin voi tutkia sekä Uranusta että Neptunusta. Esitetyistä vaihtoehdoista kaksi onkin muuten samoja, mutta kohde vain vaihtuu.

5 tietä johtaa aurinkokunnan ulkolaidalle

Nasa on määrittänyt satoja reittejä, joita pitkin satelliitit pääsevät jääjättiläisten luokse, ja valinnut niistä tutkimushankkeen kannalta viisi parasta. Ykkösvaihtoehdossa satelliitti asettuu kiertämään Uranusta ja lähettää kiertoradalta luotaimen planeetan kaasukehään.

Kummankin lähtökohtana on satelliitti, joka kiertää jääjättiläistä ja lähettää sen kaasukehään luotaimen. Koska molempien hankkeiden tieteellinen arvo on yhtä suuri, Uranus on ykkössuosikki.

4,5 miljardin kilometrin päässä sijaitseva Neptunus on puolitoista kertaa niin kaukana Maasta kuin Uranus, joten Uranusta päästään tutkimaan satelliitilla nopeammin ja edullisemmin.
Kolmas vaihtoehto perustuu isompaan ja paremmin varustettuun satelliittiin, joka asettuu kiertämään Uranusta.

Ratkaisuun ei sisälly kaasukehän luotainta. Neljäs lähestymistapa on Uranuksen ohilento, jonka aikana on mahdollista lähettää kaasukehään luotain. Kiertävän satelliitin etuihin kuuluu pitempi havainnointi.

Sen ansiosta voidaan seurata niitä kiinnostavia tapahtumia, joita satelliitti paljastaa jo ensimmäisillä kierroksillaan. Ohilento tuo säästöjä vaarantamatta merkittävästi tieteellisten tavoitteiden saavuttamista. Tästä on erinomainen esimerkki New Horizons -avaruusluotain, joka ohittaessaan kääpiöplaneetta Pluton vuonna 2015 välitti siitä mullistavaa tietoa.

Nasa ei ole vielä tehnyt lopullista päätöstä tutkimusohjelmasta tai -ohjelmista, eikä siten ole tiedossa edes se, mikä neljästä vaihtoehdosta on vahvimmilla.

Nasalla ei ole kuitenkaan varaa vitkutteluun, sillä vuosien 2029 ja 2034 välillä Jupiterin sijainti on suosiollinen: se voi vahvalla painovoimakentällään vauhdittaa satelliittien lentoa jääjättiläisten luo niin, että Uranus saavutetaan 11:ssä ja Neptunus 13 vuodessa.

Jos tilaisuuteen tartutaan, satelliitteja pitää alkaa rakentaa jo lähivuosina. Muussa tapauksessa tutkijoiden on pakko odottaa tämän vuosisadan puoliväliin asti. Vaikeasti tutkittavien Uranuksen ja Neptunuksen kartoitusta puoltaa se, että molemmat jättiläiset voivat olla ratkaisun avaimia yritettäessä ymmärtää arvoituksellisia vieraita aurinkokuntia.

Yli 3 000 tunnettua eksoplaneettaa ovat osoittaneet jääjättiläiset yleisimmäksi planeettatyypiksi, mutta tutkijat eivät tiedä, miksi näin on.

Jääjättiläisten selittämätön synty

Uranuksen ja Neptunuksen syntymää ei osata selittää aukottomasti. Ne tuskin muodostuivat nykyisillä paikoillaan, sillä se pöly- ja kaasupilvi, joka ne synnytti, oli niin harva, että rakennusaine ei voinut riittää niihin.

Vallalla olevan käsityksen mukaan sekä Uranus että Neptunus ovat peräisin Uranuksen ja Saturnuksen ratojen välistä. Silloin, kun kaasuplaneetat Jupiter ja Saturnus päätyivät vakaille radoilleen neljä miljardia vuotta sitten, Uranus ja Neptunus työntyivät Aurinkokunnan ulkolaidalle.

Siirtyminen oli raju tapahtuma etenkin Uranukselle, joka pyörii nykyään päiväntasaajansa ympäri. Muiden planeettojen pyörimisakselihan on melkein pystyssä. Pidetään mahdollisena, että suuren kallistuman aiheutti Uranuksen ja toisen ison kappaleen yhteentörmäys. Siksi Uranus kaatua kellahti kyljelleen.

Jääjättiläiset ovat arvoituksellisia

/ 5

Arvoitus: Mikä aiheuttaa Neptunuksen rajut tuulet?

Sekä Uranuksen että Neptunuksen kaasukehässä, joka sisältää etenkin vetyä, heliumia ja metaania, lienee kolme osaa. Ylin kerros on monisata-asteinen termosfääri. Sitä verhoavat pilvet, joiden lämpötila on satoja miinusasteita. On esitetty, että valtava ero luo varsinkin Neptunuksessa hirmumyrskyjä, jotka voivat riehua vuosia 2 200 kilometrin tuntivauhtia. Kaasukehän luotain voi todistaa tai kumota teorian.

1

Arvoitus: Mistä jääjättiläiset koostuvat?

Kummallakin jääjättiläisellä on oletettavasti ytimessään kiveä, rautaa ja nikkeliä. Ydintä, jonka osuus planeetan massasta on neljäsosa, ympäröivät paksu jäävaippa ja kaasukehä. Kiertoradalla oleva satelliitti voi testata teorian paikkansapitävyyttä painovoimamittauksilla.

2

Arvoitus: Millainen vaippa on rakenteeltaan?

Vaipan jää koostuu ilmeisesti enimmäkseen vedestä, mutta se sisältää myös ammoniakkia ja metaania. Vesi on korkean lämpötilan ja suuren paineen takia ionisoitunutta ja sähkövarauksista. Lähellä ydintä vesi saattaa olla superionisessa muodossa, jossa happiatomit muodostavat kiderakenteen mutta vetyatomit liikkuvat vapaasti. Satelliittimittaukset voivat paljastaa kerroksisuuden ja sähkövarauksisen jään.

3

Arvoitus: Miksi Uranus on kylmempi?

Uranuksella on kylmempi kaasukehä kuin Neptunuksella, vaikka asian pitäisi olla päinvastoin, koska Neptunus saa vähemmän auringonvaloa. Mahdollisena selityksenä pidetään sitä, että Uranuksessa on vaipan ja kaasukehän välissä tuntematon kerros, joka estää planeetan sisäosien lämpöä siirtymästä kaasukehään. Kyse on valistuneesta arvauksesta. Satelliitti voi löytää syyn.

4

Arvoitus: Miksi Uranus pyörii päiväntasaajansa ympäri?

Uranuksen pyörimisakselin kallistuma on poikkeuksellisen suuri mahdollisesti siitä syystä, että Uranus törmäsi toiseen isoon kappaleeseen ja kaatui siksi kyljelleen miljardeja vuosia sitten. Uranuksessa ei ole enää törmäyksen merkkejä, mutta kuut voivat olla muistoja siitä. Satelliitti voi löytää kuista todisteita tapahtumasta.

5
© Diego Barucco/Alamy/ImageSelect

Teoriaa jääjättiläisten synnystä aiotaan testata satelliitilla, joka selvittää Uranuksen ja Neptunuksen alkuainekoostumuksen ja vertaa sitä Jupiterin ja Saturnuksen tietoihin. Vertailu paljastaa, ovatko kaikki neljä Aurinkokunnan suurta planeettaa muodostuneet samassa ympäristössä.

Lisäksi kartoitus voi antaa arvokasta informaatiota siitä pöly- ja kaasupilvestä, josta ne muodostuivat. Jääjättiläisten epäillään sisältävän pilven alkuperäistä kaasua, koska ne sijaitsevat Aurinkokunnan kylmällä ulkolaidalla, jossa kaasut tuskin ovat voineet hävitä niiden ympäriltä haihtumalla.

Kun Uranus ja Neptunus sinkoutuivat nykyisille sijoilleen, ne jäivät alakynteen taistelussa Aurinkokunnan rakennusaineista. Kaikki neljä ulointa planeettaa saivat nopeasti suuren ytimen, koska ne syntyivät pakkasrajan takana.

Aurinkokunnan ulko-osissa ytimet muodostuivat sisäplaneetoille ominaisten raudan, nikkelin ja kiven lisäksi vesijäästä, metaanista ja ammoniakista. Kun planeetan ytimessä oli massaa 15 Maan verran, kasvu kiihtyi, sillä raskas ydin veti valtavasti kaasua puoleensa.

Ensimmäisenä kriittisen pisteen saavutti Jupiter. Se imi itseensä 71 prosenttia ympäristönsä kaasusta. Seuraavana vuorossa oli Saturnus. Sen osuudeksi kaasusta tuli 21 prosenttia. Uranus joutui tyytymään kolmeen ja Neptunus neljään prosenttiin.

Voyager neptun

Neptunus sellaisena kuin Voyager 2 näki planeetan vuonna 1989.

© NASA

Kehityshistoria selittää jää- ja kaasujättiläisten erilaisen rakenteen. Jupiter ja Saturnus koostuvat 85-prosenttisesti kaasusta. Ytimen osuus on viisi prosenttia, ja vain kymmenesosa niistä on jäätä. Uranus ja Neptunus ovat sen sijaan 65-prosenttisesti jäätä. Kiviytimen osuus on 25 prosenttia, ja loput kymmenen prosenttia on kaasua.

Uutta menetelmää testataan

Vaikka jääjättiläisten tienoo on 200 astetta pakkasen puolella, kumpikaan ei ole umpijäässä. Oletettavasti molempien sisäinen paine on niin suuri, että lämpötila vaihtelee jäävaipan yläosan noin 100 asteen ja kivi- ja metalliytimen yli 4 700 asteen välillä. Siksi kerroksittaisessa vaipassa ei ole kiinteää jäätä, vaan vesi on enimmäkseen ionisoitunutta ja sähköisesti varautunutta.

Voyager uranus

Uranus sellaisena kuin Voyager 2 näki planeetan vuonna 1986.

© NASA

USA:n liittovaltion tutkimuskeskuksessa Lawrence Livermore National Laboratoryssa tehdyn kokeen mukaan vaipan alaosassa voi esiintyä yhtä aikaa kiinteää ja nestemäistä superionista vettä.

Tässä olomuodossa happiatomit muodostavat kiderakenteen mutta vety liikkuu vapaasti. Tutkijat loivat superionista vettä puristamalla jäätä timanttipuristimella nostaen paineen peräti kahteen miljoonaan ilmakehään pommittamalla jäätä voimakkailla lasersäteillä.

Toisessa kokeessa saman käsittelyn sai hiilipitoinen muovi ja tuloksena oli hiilen erottuminen ja puristuminen nanotimanteiksi. Tutkijat uskovat, että sama prosessi tapahtuu suuremmassa mittakaavassa jääplaneettojen vaipan hiilipitoisessa metaanissa ja tuottaa ytimeen sulan timanttikerroksen.

Kokeista huolimatta Uranuksen ja Neptunuksen sisusta koskevat mallit ovat täysin teoreettisia. Satelliitin tärkeimpiä tehtäviä onkin määrittää sisärakenne ja prosessit.

Alukset ovat vasta piirustuslaudalla

/ 5

Magnetometri

mittaa jääjättiläisen magneettikenttää.

1

Neljä gyroskooppia

pitävät satelliitin radallaan ja estävät Uranuksen painovoimakentän vaihtelua keinuttamasta ja vääntämästä sitä.

2

Kamera

valokuvaa Uranuksen pintaa ja pilvipeitettä.

3

Dopplerkamera

määrittää pinnan liikkeitä mittaamalla auringonvaloa, jota kaasukehä heijastaa avaruuteen. Mittaukset voivat antaa tietoa muun muassa sisäosien prosesseista.

4

Kaasukehän luotain

matkustaa satelliitin päällä koko pitkän matkan.

5
© Claus Lunau

Sisäkerrokset voidaan laskea planeetan painovoimakentän vaihteluja koskevista mittaustuloksista. Vaipan prosesseja Nasa pyrkii selvittämään seismologisella menetelmällä, jota on sovellettu menestyksekkäästi Aurinkoon mutta jota ei ole koskaan käytetty planeettoihin.

Siinä niin sanotut dopplerkamerat mittaavat pinnan rytmistä heilahtelua, joka paljastaa Auringon sisäosien liikkeet. Mittaukset voivat ratkaista monta jääjättiläisten arvoitusta, kuten sen, miksi niiden magneettikentät ovat kaoottisempia kuin muiden planeettojen.

© G. Schubert & K.M. Soderlund

Maan magneettikenttä on selvästi kaksinapainen, ja se muistuttaa ominaisuuksiltaan sauvamagneettia.

Uranuksessa ja Neptunuksessa on paljon paikallisia kenttiä napojen välisen pääkentän ohella. Sekaisten kenttien oletetaan syntyvän lähellä pintaa nestemäisessä, sähköisesti varautuneessa vaipan ylimmän osan jääkerroksessa. Siitä, pitääkö oletus paikkansa, on mahdollista ottaa selkoa vain satelliitilla.

Doppler- ja painovoimamittaukset voivat yhdessä valaista sitä, miksi Uranus on Aurinkokunnan kylmin planeetta, vaikka Neptunus sijaitsee 1,5 miljardia kilometriä kauempana Auringosta ja saa 40 prosenttia vähemmän auringonvaloa.

Ilmiö saattaa johtua siitä, että Uranuksen vaipassa on tuntematon kerros, joka pidättää ytimen lämpöä ja estää tätä siirtymästä kaasukehään. Tämä on kuitenkin vain arvaus.

Tutkijat kaipaavat lisäksi tarkkaa tietoa jääjättiläisten kaasukehästä. Parhaana keinona hankkia sitä pidetään tutkimusta itse paikalla eli luotaimen lähettämistä pilvien taakse.

Tältä osin Neptunus on erityisen kiinnostava, koska sen kaasukehässä esiintyvät hirmumyrskyt ovat Aurinkokunnan rajuimpia. Niissä virtaukset saavuttavat jopa 2 200 kilometrin tuntinopeuden.

Luksusmalli räjäyttää budjetin

Nasa on lähtenyt hankkeiden suunnittelussa siitä, että käytettävissä on 1,75 miljardia euroa. Halvin vaihtoehto eli Uranuksen ohilento tulisi maksamaan noin 1,3 miljardia.

Neptunusta kiertävän satelliitin ja kaasukehän luotaimen hintalappu on 1,73 miljardia. Budjettiraamista huolimatta Nasa laski, että kahden satelliitin lähettäminen vuonna 2031 valmistuvalla Space Launch Systemillä eli SLS-kantoraketilla maksaisi 3,1–3,2 miljardia.

Koska Euroopan avaruusjärjestö on luopunut omista jääjättiläisten tutkimushankkeistaan, se saattaisi olla valmis osallistumaan kuluihin. Hintava kaksoistehtävähän voi antaa eniten vastinetta rahoille.