Misja dla Szekspira

Frederick William Herschel był utalentowanym muzykiem. Grał na oboju w orkiestrze wojskowej w Hanowerze, powiązanym unią personalną z Wielką Brytanią. Gdy jednak francuskie wojska zajęły to księstwo w 1757 r., Herschel przeniósł się do Anglii. Muzyka pozwoliła mu żyć dość wygodnie, ale fortuny nie zarobił. Próbował więc szczęścia w biznesie: wraz z siostrą założył firmę produkującą damskie kapelusze, lecz cały interes skończył się klapą.

Być może dlatego, że coraz więcej czasu zajmowało mu nowe hobby. 35-letni Herschel potrafił spędzić 16 godzin na dobę w warsztacie, polerując i dopasowując soczewki teleskopu własnej roboty.

Minęło osiem długich lat, zanim dokonał przełomowego odkrycia. Nocą 13 marca 1781 r. Herschel jak zwykle szukał komet. W konstelacji Bliźniąt zauważył obiekt, którego nie było dotąd w żadnym katalogu. Wkrótce okazało się, że to nie kometa, tylko nowy świat – pierwsza planeta odkryta od czasów starożytnych.

Herschel z dnia na dzień stał się naukową gwiazdą i osobistym astronomem króla Jerzego III. Z wdzięczności chciał nazwać nową planetę Georgium Sidus, Gwiazdą Jerzego, ale ten pomysł szybko upadł. Astronom Johann Bode zaproponował, by ochrzcić planetę imieniem Uranosa – boga nieba i ojca Kronosa, znanego Rzymianom jako Saturn. W ten sposób planeta ta stała się jedyną, która odziedziczyła imię po bóstwie z greckiego, a nie rzymskiego panteonu.

Podróż Voyagera

O ile jednak obserwacja Urana wynikała z przypadku, o tyle odkrycie jego sąsiada było popisem matematyków. Sam Uran zachowywał się bowiem dziwnie – jego orbita nie odpowiadała przewidywaniom. Uczeni doszli więc do wniosku, że gdzieś dalej musi znajdować się kolejny obiekt, który powoduje grawitacyjne zaburzenia. Francuz Urbain Le Verrier ­wyliczył prawdopodobną pozycję nowej planety i skontaktował się z Johannem Gallem z Obserwatorium Berlińskiego. Ten otrzymał wiadomość 23 września 1846 r. Jeszcze tego samego wieczoru zobaczył przez teleskop błękitny dysk planety. Była niemal dokładnie tam, gdzie przewidział Le Verrier.

Odkrycia Urana i Neptuna wywołały sensację i były postrzegane jako triumf nauki. Ale planety te, odległe i trudne do obserwacji, z czasem straciły swój blichtr. Gdy nadeszła era kosmiczna i ludzkość zaczęła wysyłać sondy do badania niemal wszystkich obiektów Układu Słonecznego, mało kto myślał o nich ze względu na dużą odległość (Uran jest średnio 20, a Neptun 30 razy dalej od Słońca niż Ziemia) oraz panujące przekonanie, że są mniejszymi i mniej interesującymi wersjami dwóch imponujących olbrzymów – Jowisza i Saturna.

Ludzkość odwiedziła je dotąd tylko raz, nieco przy okazji. Sonda Voyager 2, korzystając z korzystnego układu planet, odwiedziła kolejno Jowisza (1979), Saturna (1981), Urana (1985), a wreszcie Neptuna (1989 r., 12 lat po starcie).

Od tej pory wystrzeliliśmy sondy na Merkurego, Jowisza, Saturna, umieściliśmy lądownik na Tytanie i na jądrze komety, wysłaliśmy wreszcie całą flotyllę orbiterów i lądowników, które do dziś badają Marsa. Ale Uran i Neptun pozostały niemal terrae incognitae. Poza okazjonalnymi obserwacjami prowadzonymi za pomocą teleskopu Hubble’a naszym głównym źródłem wiedzy o nich była wyprawa Voyagera.

Diamentowy deszcz

Astronomowie dzielą planety na kilka kategorii. Cztery najbliższe Słońca – Merkury, Wenus, Ziemia i Mars – to skaliste globy. Dalej leżą dwa gazowe olbrzymy: Jowisz i Saturn, złożone głównie z wodoru i helu. Na rubieżach Układu Słonecznego i w pasie asteroidów między Marsem a Jowiszem znaleźć można planety karłowate, takie jak Pluton i Ceres.

Uran i Neptun pozornie przypominają gazowe olbrzymy. Są masywne, choć nie tak duże jak Jowisz i Saturn, i podobnie jak one składają się głównie z gazów i płynów. Ale ich budowa i procesy zachodzące na nich sprawiają, że stworzono dla nich osobną kategorię – „lodowe olbrzymy”. Panują tam temperatury poniżej -200 st. Celsjusza, ale prawdziwego lodu jest niewiele. Większość wody występującej na obu światach tworzy tzw. płyn nadkrytyczny, dziwny stan, w którym nie zachowuje się ona ani jak gaz, ani jak ciecz. Jednak słowo „lód” w astrofizyce ma szersze znaczenie – odnosi się także do takich związków chemicznych jak metan czy amoniak. Wodór i hel, z których zbudowane są Jowisz i Saturn, stanowią tylko ok. 20 proc. masy Urana i Neptuna. Reszta to w znacznym stopniu właśnie „lodowe” substancje.

Można by się spodziewać, że tak zmrożone światy będą raczej mało dynamiczne. W końcu procesy pogodowe są napędzane głównie energią słoneczną. Ale Voyager udowodnił, że pogoda na obu planetach jest spektakularna. Sonda odkryła na Neptunie ciemną plamę, która okazała się gigantyczną burzą o najszybszych w Układzie Słonecznym wiatrach: wieją z prędkością 1609 km/h. Ta Wielka Ciemna Plama już wygasła, ale jej miejsce zajęły nowe. W dodatku głęboko poniżej chmur na gęste jądra obu planet może spadać deszcz... diamentów, powstałych z węgla pochodzącego z rozpadających się cząsteczek metanu.

Dziwactw na tych planetach jest więcej. Oś obrotu Urana jest nachylona o ponad 90 stopni w stosunku do płaszczyzny orbity – planeta „leży na boku”. Także jej pole magnetyczne jest pochylone, choć nieco inaczej niż cała planeta. Magneto­sfera zazwyczaj jest zgodna z kierunkiem obrotu planety, ale Urana jest przechylona o 59 stopni od osi obrotu planety i przesunięta względem jej środka. Skutkiem tego chwieje się, gdy Uran obraca się wokół własnej osi. Neptun też ma nieco „krzywe” pole magnetyczne, choć nachylenie jego osi jest tylko nieco większe niż w przypadku Ziemi. Obecne teorie sugerują, że ogromna protoplaneta mogła zderzyć się miliardy lat temu z Uranem, przewracając go na bok. Być może ta kolizja wytrąciła też z równowagi jego pole magnetyczne – ale co w takim razie spowodowało skrzywienie pola magnetycznego jego sąsiada?

Każda z tych planet jest otoczona (dość delikatnymi) pierścieniami i trzódką kilkunastu księżyców. Jeden z tych księżyców sam z siebie byłby doskonałym celem naukowej misji. To Tryton, pokryty grubą warstwą azotowego lodu. Jest jednym z nielicznych znanych nam aktywnych wulkanicznie obiektów – choć jest to „wulkanizm lodowy” – i prawdopodobnie ma pod lodową skorupą głęboki ocean, co sprawia, że astrobiologowie uważają go za jeden z najlepszych w okolicy celów poszukiwania pozaziemskiego życia. Jest też większy od Plutona i okrąża Neptuna w kierunku przeciwnym niż wszystkie inne księżyce. Może być przechwyconym przez planetę obiektem z odległego Pasa Kuipera. Voyager, przelatując w pobliżu, zdołał jednak sfotografować zaledwie 40 proc. jego powierzchni, pozostaje więc dużą zagadką. Zagadkami są też największe księżyce Urana – Miranda, Ariel, Umbriel, Tytania i Oberon. Niektóre z nich także mogą posiadać schowane pod powierzchnią oceany.

Skąd się biorą średniaki

Mimo to żadna agencja kosmiczna nie chciała wykładać miliardów dolarów na misję na Neptuna i Urana. To się jednak zmieniło. I to przez odkrycia dokonane nie na tych planetach, ale o wiele dalej.

Okazało się bowiem, że podobne lodowe olbrzymy są zaskakująco powszechne wśród odkrywanych przez astronomów planet pozasłonecznych. Zdecydowana większość spośród pięciu tysięcy wykrytych w naszej galaktyce planet ma rozmiary Neptuna. Choć w zasadzie powinny być rzadkością, bo nasze modele formowania się planet mają trudność z wytłumaczeniem tego, w jaki sposób powstają „średniaki” leżące pomiędzy planetami skalistymi a gazowymi olbrzymami. I w jaki sposób mogą znaleźć się aż tak daleko od swojej gwiazdy. Dogłębne badania jedynych lodowych olbrzymów w naszym sąsiedztwie mogłoby pozwolić nam o wiele lepiej zrozumieć, jak tworzą się światy wokół odległych gwiazd.

W ostatnich latach propozycje nowych misji na Urana i Neptuna zaczęły błyskawicznie się namnażać. Od stosunkowo niewielkich, tanich sond, które miałyby jedynie śmignąć w pobliżu planet, po wielkie, złożone orbitery, które mogłyby np. podzielić się na dwa pojazdy, z których jeden zająłby pozycję na orbicie Urana, a drugi – Neptuna. Jedna z planowanych sond, Triton, w ubiegłym roku niemal doczekała się zatwierdzenia: ostatecznie przegrała z dwoma statkami kosmicznymi, które mają zbadać Wenus.

Chyba jednak czas lodowych olbrzymów wreszcie nadszedł. „Czas” jest tu pojęciem kluczowym.

Podróż do tak odległych światów wymaga ogromnej ilości energii. Nawet największe istniejące czy przygotowywane dziś do startu rakiety nie dawałyby sondom dostatecznego „kopa”, by te zdołały pokonać 3 mld km do Urana czy ponad 4,3 mld km do Neptuna w jakimkolwiek rozsądnym czasie. Tu trzeba posłużyć się orbitalną sztuczką.

Voyager zdołał dotrzeć do Neptuna w „zaledwie” 12 lat, bo układ planet pozwalał skorzystać z Jowisza jako grawitacyjnej procy – przyciągana przez największą planetę słoneczną sonda nabrała prędkości. Kolejne takie grawitacyjne okno właśnie się otwiera. Misja wysłana między 2029 a 2034 r. mogłaby osiągnąć lodowe olbrzymy nawet w mniej niż dekadę. Czas ma znaczenie jeszcze z jednego powodu: rok na Uranie trwa 84 lata ziemskie. Gdy odwiedzał go Voyager, na południowej półkuli planety zaczynała się zima. Docierając tam w latach 40., naukowcy mieliby szansę przyjrzeć się zmianom pór roku olbrzyma.

Wyścig mocarstw

Amerykańska Narodowa Akademia Nauk, Inżynierii i Medycyny opublikowała w kwietniu dokument, który ma stanowić podstawę programów badawczych realizowanych przez krajowe ośrodki naukowe w najbliższej dekadzie. Według wytycznych badanie Urana powinno być priorytetem. Neptun przegrał, bo Uran jest nieco łatwiejszym celem. Sonda na Neptuna musiałaby wystartować jeszcze przed 2030 r. – co nie zostawia zbyt wiele czasu na zaplanowanie misji, budowę statku i testy.

Co prawda wspomniany dokument jest jedynie sugestią, ale bardzo silną – w poprzednich dekadach większość zaleceń przekładała się na realizowane przez NASA misje kosmiczne, takie jak łazik Perseverance czy przygotowywany do startu pojazd Europa Clipper. Tak samo może być z wycenioną na 4,2 mld dol. misją na Urana.

Badanie Neptuna znalazło się za to w planach Chińczyków, ogłoszonych niemal w tym samym czasie. Ich pojazd miałby zabrać ze sobą sondy, które z bliska przyjrzą się atmosferze Neptuna i skorupie Trytona, a także pakiet nanosatelitów, które będzie wyrzucał z siebie po drodze, by w ten sposób badać np. asteroidy. Wysłanie misji w tak odległe regiony Układu Słonecznego byłoby dla chińskiej agencji kosmicznej CNSA ogromnym sukcesem – ale nie ma ona doświadczenia w budowie podobnych pojazdów, ryzyko jest więc jeszcze większe niż w przypadku misji amerykańskiej.

Argument kosmologiczny

Istnieje jeszcze jeden powód – wręcz kosmologiczny – by zrealizować obie te misje. Sondy mogłyby stać się ogromnymi detektorami fal grawitacyjnych.

Fale te, zmarszczki czasoprzestrzeni wywołane gigantycznymi, kosmicznymi kataklizmami, takimi jak zderzenia czarnych dziur, są dziś wykrywane przy pomocy urządzeń działających na zasadzie ultraczułego dalmierza laserowego: kiedy fala grawitacyjna przechodzi przez detektor, długość ścieżki lasera zmienia się. Detektory takie jak LIGO, o długości około czterech kilometrów, są w stanie wykryć odkształcenia czasoprzestrzeni o ułamek średnicy pojedynczego protonu.

Ale co tam cztery kilometry, kiedy możemy mieć cztery miliardy kilometrów.

Każda sonda kosmiczna musi utrzymywać łączność z Ziemią. Fala grawitacyjna zmieniałaby w subtelny sposób odległość między pojazdem a Ziemią, a takie zniekształcenia w zasadzie powinny dawać się wykrywać jako zmiany w częstotliwości docierających do nas sygnałów.

To wymaga niewiarygodnej precyzji pomiaru częstotliwości sygnału – co najmniej sto razy większej niż ta, z jaką mierzono sygnały misji Cassini. Brzmi to jak ogromna przeszkoda, ale projekt sondy Cassini powstawał jeszcze w latach 80. Czterdzieści lat to szmat czasu dla rozwoju technologii.

Los misji na Urana nie jest jeszcze przypieczętowany. NASA jednocześnie chce prowadzić prace nad pojazdem, który przywiezie na Ziemię pierwsze próbki gleby zebrane przez łazik Perseverance na Marsie, a to spore wyzwanie budżetowe. W przypadku opóźnień misja na Urana musiałaby się oprzeć na większej i droższej rakiecie, która mogłaby dotrzeć do celu dopiero w 2053 r.

Poza wyzwaniami finansowymi do rozstrzygnięcia jest też inna ważna kwestia: jak nazwać epokową sondę? Dotychczasowe misje, takie jak Galileo czy Cassini, czciły odkrywców, którzy jako pierwsi zaobserwowali księżyce gazowych olbrzymów. Herschel doczekał się już jednej misji – orbitalnego obserwatorium – więc raczej na Urana nie poleci. Jedną z proponowanych możliwości jest Caelus, czyli imię rzymskiego odpowiednika Uranosa. Ale jest inna opcja. Urana okrąża rój postaci ze sztuk pewnego dramaturga. Ariel i Miranda występują w „Burzy”, a Tytania i Oberon w „Śnie nocy letniej”. Część astronomów uważa więc, że najlepszą możliwą nazwą dla obserwatora Urana byłby Szekspir. Dramaturg, niemal obsesyjnie wracający w swoich utworach do obrazów gwiazd i planet, wreszcie ­znalazłby się wśród nich. ©