Nauka na UMCS

fot. NASA

Celem Międzynarodowego Dnia Planetoid jest zwiększenie naszej wiedzy o małych ciałach Układu Słonecznego i pogłębienie świadomości zagrożeń wynikających ze zderzeń tych obiektów z Ziemią. Zgodnie z rezolucją A/RES/71/90 Zgromadzenia Ogólnego Organizacji Narodów Zjednoczonych z grudnia 2016 roku Dzień Planetoid obchodzony jest 30 czerwca, w rocznicę katastrofy tunguskiej. Naszą opowieść rozpocznijmy zatem od przypomnienia co się wtedy stało w tym odległym zakątku świata.

Wczesnym rankiem (o godz. 7:17 czasu lokalnego) 30 czerwca 1908 roku potężna eksplozja zniszczyła około 2150 kilometrów kwadratowych syberyjskiej tajgi w okolicy rzeki Podkamienna Tunguska, prawego dopływu Jeniseju o długości 1865 km. Powierzchniowo stanowi to znacznie większy obszar niż całkowita powierzchnia Puszczy Białowieskiej. I choć jak dotąd nie ma jednoznacznego, ogólnie akceptowanego wyjaśnienia tego zdarzenia, to wydaje się, że niezłe podstawy ma hipoteza, która zakłada, że doszło do zderzenia małej asteroidy poruszającej się z prędkością ok. 15 km/s, która eksplodowała na wysokości kilku kilometrów nad ziemią. Szacuje się, że fala uderzeniowa powaliła 80 milionów drzew. Była to najsilniejsza eksplozja tego typu w pisanych dziejach ludzkości, choć oczywiście w przeszłości miały miejsce ekstremalne zderzenia wyzwalające znacznie więcej energii.

Zanim nieco lepiej poznamy głównych bohaterów naszej opowieści, przyjrzyjmy się najpierw nieco dokładniej naszemu Układowi Słonecznemu, zazwyczaj utożsamianemu jedynie z jego głównymi graczami, a więc Słońcem, Księżycem i planetami znanymi ludziom od zawsze. Jeżeli dodamy do tego jeszcze trzy proste prawa Keplera stanowiące, że planety poruszają się po elipsach ze Słońcem w jednym z dwóch ognisk, że stosunek trzecich potęg charakterystycznych rozmiarów elips do drugich potęg ich okresów obiegu jest (prawie) stały, i wreszcie, że planety poruszają się szybciej, gdy są bliżej Słońca i wolniej, gdy są dalej (choć nie jest to zależność liniowa), możemy nabrać mylnego przekonania, że Układ Słoneczny jest niezwykle spokojnym, wręcz nudnym miejscem, gdzieś na rubieżach Drogi Mlecznej, w którym planety niezmiennie i w sposób uporządkowany poruszają się z matematyczną precyzją po tych samych orbitach. Wspaniały mechanizm zegarowy. Chwila refleksji wystarczy jednak by zauważyć, że coś z tym naszym opisem jest nie tak, można by rzec, jest zbyt piękny, zbyt idealny na to, by mógł być prawdziwy.  Przecież - jak doskonale wiemy - każde dwa ciała (obdarzone masą) przyciągają się z siłą wprost proporcjonalną do iloczynu ich mas i odwrotnie proporcjonalną do kwadratu odległości między nimi, a zatem na każde ciało, na przykład na Ziemię, działa zmienna w czasie siła, do której swój wkład (większy bądź mniejszy) wnoszą wszystkie inne ciała. Ta zmienna w czasie siła powoduje, że planety poruszają się po orbitach znacznie bardziej skomplikowanych niż elipsy. Oczywiście odstępstwa od ruchu po idealnych orbitach są dla planet małe, ale doskonale widoczne w dłuższych przedziałach czasowych. Co więcej nasz Układ Słoneczny jest domem dla niezliczonych mniejszych ciał, takich jak planety karłowate, planetoidy, komety, meteoroidy, obiekty pasa Kuipera, obłoku Oorta i dysku rozproszonego. Niektóre z nich są tak daleko, że ich grawitacyjna więź ze Słońcem jest niezwykle słaba i byle zaburzenie może spowodować dramatyczne zmiany orbity. Inne, przemieszczając się w pobliżu masywnych ciał, zmieniają swoje trajektorie. Jeszcze inne, pod wpływem oddziaływania grawitacyjnego, trafiają na orbity kolizyjne, kończąc swój żywot efektowną niszczycielską eksplozją. Przykładem może tu być kometa D/Shoemaker-Levy 9, której zderzenie z Jowiszem obserwował cały świat. Od czasu do czasu nasz Układ Słoneczny przemierzają goście z innych systemów gwiezdnych, jak na przykład obserwowana ostatnio `Oumuamua czy też kometa 2I/Borisov.  Przyszłość pokaże jak częste są takie zjawiska. Teraz jednak przez chwilę skoncetrujmy się na kilku ważnych zdarzeniach z przeszłości.

Prowadząc rutynowe przeglądy nieba z pomocą 16 centymetrowego teleskopu własnej konstrukcji, William Herschel, muzyk z zawodu i nadworny astronom króla Jerzego III z dynastii hanowerskiej, dokonał odkrycia o fundamentalnym znaczeniu. 13 marca 1781 roku odkrył nieznaną dotąd planetę (kilkukrotnie obserwowaną wcześniej przez innych astronomów, lecz klasyfikowaną jako gwiazda). Otrzymała ona nazwę Uran i jak wiemy należy do grupy gazowych gigantów. Precyzyjne pomiary wykazały jednak drobne anomalie: wyliczone położenia na sferze niebieskiej nie do końca były zgodne z obserwacjami.  W ciągu następnych dziesięcioleci zgromadzono obszerny materiał obserwacyjny i narastało przekonanie, że coś z tymi niezgodnościami należy zrobić. Pojawiały się różne jakościowe próby wyjaśnienia, lecz żadna z nich nie wytrzymała próby czasu.

W latach 40-tych XIX w. problem ten przykuł uwagę dwóch utalentowanych matematyków. 3 czerwca 1841 roku John Couch Adams zapisał w swoim dzienniku: ... Na początku tego tygodnia powziąłem postanowienie zbadania, gdy tylko uzyskam swój stopień naukowy, nieregularności ruchu Urana, które jak dotąd nie zostały wyjaśnione, by rozstrzygnąć, czy mogą być one przypisane oddziaływaniu jakiejś nieodkrytej dotąd planety [...] i jeżeli to możliwe określić przybliżone elementy jej orbity, znajomość których mogłaby doprowadzić do jej odkrycia. Wszyscy znamy tę historię. Adams ukończył studia w 1843 roku i istotnie niemalże natychmiast po uzyskaniu stopnia Bachelor of Arts w St. John's College w Cambridge zaangażował swój ogromny matematyczny talent w próby realizacji tego niełatwego projektu. Mniej więcej w tym samym czasie tym samym problemem zajął się nie mniej uzdolniony matematycznie francuski astronom, wielki mechanik nieba, Urbain Jean Joseph Le Verrier. W wyniku żmudnych obliczeń obaj otrzymali przybliżone położenie hipotetycznej planety na sferze niebieskiej. Jak się okazało wynik Le Verriera był trochę lepszy. I tak 23 października 1846 roku, to jest w dniu odkrycia nowej planety przez dwóch pracowników obserwatorium berlińskiego Johanna Gallego i Heinricha d'Arresta, przewidywania Adamsa różniły się od położenia rzeczywistego o 12 stopni kątowych, a wyniki Le Verriera  tylko o 5. Był to ogromny triumf mechaniki nieba, choć musimy jednak uczciwie przyznać, że ta doskonała zgodność przewidywań i rzeczywistego położenia planety była nieco przypadkowa. Nie wszystkie bowiem założenia poczynione przez Adamsa i Le Verriera były z naszego dzisiejszego punktu widzenia prawidłowe. No cóż, zwycięzców się nie sądzi, a odkryta planeta otrzymała nazwę Neptun i tym samym jej odkrycie zakończyło heroiczny okres poszukiwań głównych graczy Układu Słonecznego.

Nie mogę sobie tutaj odmówić zacytowania uroczego akapitu z listu Fryderyka Chopina do Justyny Chopin, pisanego w niedzielę, 11 octobra 1846 w Ch. de Nohant, przy stoliku obok fortepianu. Między nowinami, zapewne już wiecie dawno o planecie nowej pana Leverrier.  Leverrier z obserwatorium paryskiego, uważając pewne nieregularności w planecie Uranus, przypisał to innej planecie, jeszcze nie znanej, której opisał odległość, kierunek, wielkość, słowem, wszystko, tak jak pan Galle w Berlinie, a teraz w Londynie spostrzegli. Co za triumf dla nauki, żeby rachunkiem dojść do odkrycia podobnego! Na przeszłym posiedzeniu Akademii Nauk p. Arago proponował, żeby nową planetę nazwać Leverrier. Pan Galle pisał z Berlina, że prawo nazwania jej należy do pana Leverrier, ale proponuje nazwać ją Janus. Pan Leverrier wolałby Neptun. Ale mimo pewnej części Akademii Nauk wielu było za nazwaniem planety od imienia wynalazcy, który siłą rachunku nadzwyczajnej, niesłychanej dotychczas w dziejach astronomii rzeczy dokazał, i ponieważ są komety Vico, Hind, Uranus się zwał Herschel, czemuż nie ma być planeta Leverrier? Król zaraz go oficerem legii honorowej zrobił.

Przenieśmy się teraz na Sycylię do Palermo, do obserwatorium założonego i kierowanego przez Giuseppe Pizazziego, jest 31 dzień grudnia 1800 roku. Podczas obserwacji prowadzonych w noc sylwestrową Piazzi zauważył nieznaną mu gwiazdę w gwiazdozbiorze Byka.  Była - jak pisze - niezbyt jasna, jej kolor przypominał kolor Jowisza i nie różniła się od innych gwiazd, którym przypisujemy 8 wielkość gwiazdową. Obserwacje prowadzone przez dwie kolejne noce ujawniły jej ruch na sfery niebieskiej - nie mogła to być więc zwykła gwiazda. Może kometa, albo ... planeta? Niestety nad Sycylię nadciągnęły ciężkie deszczowe chmury i  Piazzi po prostu zgubił ją z oczu. Na szczęście mniej więcej w tym czasie młody Carl Friedrich Gauss opracował metodę otrzymywania parametrów orbity z trzech obserwacji. Znając zaś parametry orbity można wyliczyć przybliżone położenia badanego ciała niebieskiego dla interesujących nas dat i w ten sposób odszukać zgubę.

Odnalezione ciało niebieskie zostało sklasyfikowane początkowo jako planeta i nazwane na cześć bogini urodzajów - Ceres. Dziś wiemy, że Ceres należy do rodziny planet karłowatych, do której należą jeszcze Pluton, Makemake, Haumea i Eris. No dobrze, ale jaka jest różnica pomiędzy planetą, a planetą karłowatą? Pytanie to nabiera dodatkowego znaczenia, jeżeli przypomnimy sobie, że jeszcze niedawno Pluton był klasyfikowany jako planeta. Dostatecznie ścisłej odpowiedzi na to pytanie udziela rozporządzenie B5 Międzynarodowej Unii Astronomicznej z roku 2006, które definiuje planetę jako obiekt, który porusza się po orbicie okołosłonecznej, jest (dzięki sile grawitacji) prawie sferyczny i oczyścił otoczenie swojej orbity z innych ciał. Natomiast planetą karłowatą jest obiekt, który spełnia dwa pierwsze warunki definicji planet, ale nie spełnia trzeciego i nie jest księżycem. Pozostałe ciała niebieskie są zbiorczo zaliczane do klasy małych ciał Układu Słonecznego. A zatem do klasy tej należą planetoidy (asteroidy), komety, obiekty transneptunowe i inne małe ciała.

Wszelkie klasyfikacje mają tę ułomną cechę, że granice pomiędzy klasami są dosyć płynne i czasami nie bardzo wiemy, do której kategorii zaliczyć konkretny obiekt, dlatego też na nasze potrzeby przyjmiemy dosyć pojemną definicję planetoid, jako obiektów o rozmiarach większych niż 1 metr, ale nie będących planetami czy też planetami karłowatymi. Ponieważ główny nacisk kładziemy na możliwe niszczycielskie zderzenia z Ziemią nie będziemy analizować zawiłych subtelności klasyfikacji, natomiast nieco więcej uwagi poświęcimy ich (czasami zmiennym) orbitom. I tak - bez wchodzenia w ilościowe szczegóły - pośród obiektów bliskich Ziemi (NEO) wyróżniamy ciała, orbity których mogą znajdować się całkowicie wewnątrz orbity Ziemi (Grupa Atiry). Następne dwie klasy to Grupa Atena i Grupa Apolla. Pierwsza z nich to obiekty, których średnia odległość od Słońca jest mniejsza od 1 jednostki astronomicznej, czyli średniego dystansu dzielącego Słońce i Ziemię, ale od czasu do czasu mogą się znajdować na zewnątrz orbity Ziemi, natomiast do drugiej zaliczamy te planetoidy, orbity których przecinają również orbitę Wenus. I na koniec Grupa Amora z obiektami zbliżającymi się do Ziemi. Pomiędzy orbitą Marsa i orbitą Jowisza leży pas planetoid zwany Pasem Głównym, dalej mamy Centaury o orbitach pomiędzy orbitami Saturna i Neptuna, a następnie bardzo szeroką klasę obiektów transneptunowych.  

Planetoidy mogą dostarczyć i już dostarczają ważnych informacji z okresów formowania się Układu Słonecznego, których próżno szukać na Ziemi, a nawet na pozostałych planetach, zostały one bowiem utracone w procesach tektonicznych, wulkanicznych czy też poprzez akrecję materii. Analiza mniej przetworzonego materiału, z którego zbudowane są planetoidy, komety i meteoryty pozwala nam stawiać i weryfikować hipotezy i budować scenariusze powstania i ewolucji Układu Słonecznego.     

Wiemy już, że planetoidy występują w Układzie Słonecznym prawie wszędzie, nasuwa się więc naturalne pytanie o ich liczebność. Nie jest łatwo na nie odpowiedzieć. Możemy jedynie szacować, że w Pasie Głównym jest ich kilkadziesiąt milionów, może nawet więcej, z której to liczby prawie dwa miliony to planetoidy o znacznych rozmiarach. Szacuje się, że jeszcze liczniej występują w pasie Kuipera. Czarno-białe fotografie wykonane przez sondy kosmiczne przelatujące w ich pobliżu ujawniają ich surowe piękno, brak atmosfery powoduje, że cienie są ostre, przez co pobrużdżona kolejnymi zderzeniami i usiana rumoszem skalnym powierzchnia nabiera niezwykłej plastyczności.  No cóż, kosmiczne kolizje są zjawiskiem powszechnym w naszym Układzie Słonecznym, o czym przekonuje nas choćby powierzchnia Księżyca. Ziemia w przeszłości również otrzymywała liczne ciosy, niektóre nadal dobrze widoczne, inne zniszczone przez procesy erozyjne lub głęboko ukryte na dnie oceanów. Wielkie kratery uderzeniowe o średnicach nie mniejszych niż 150 km, takie jak krater Vredefort w Południowej Afryce, Sudbury w Kanadzie, Krater na Ziemi Wilkesa, czy też Shiva w Indiach lub Chicxulub w Meksyku są świadkami tamtych ekstremalnych i niszczących wydarzeń. Szacuje się, że uderzenie mogące wywołać lokalną katastrofę mają miejsce co kilka tysięcy lat - może nawet częściej, zdarzenia pewne, które spowodują bardzo duże zniszczenia na większym obszarze mogą wystąpić co 10000 - 100000 lat, natomiast zderzenia powodujące globalne zniszczenia i stanowiące zagrożenie dla istnienia naszej cywilizacji co 100000 lat lub - miejmy nadzieję - rzadziej. Jeżeli szacunki te są choćby w przybliżeniu poprawne, to kwestia ewentualnego zderzenia małego ciała kosmicznego z Ziemią nie należy do kategorii "czy", ale "kiedy". Musimy być więc przygotowani, tym bardziej, że sekwencja wydarzeń sprzed 66 milionów lat, wiązana ze zderzeniem planetoidy (lub komety) z Ziemią w okolicach półwyspu Jukatan mogła doprowadzić do masowego wymierania gatunków.  Wydaje się, że przed niektórymi niebezpieczeństwami tego typu moglibyśmy sobie poradzić już teraz, inne wymagałyby zastosowania znacznie bardziej zaawansowanej technologii. Na przykład według prof. Piotra Dybczyńskiego i Filipa Berskiego z Obserwatorium Astronomicznego Uniwersytetu Poznańskiego gwiazda Gliese 710, obecnie znajdująca się w odległości 62 lat świetlnych, może za ok. milion lat znaleźć się w odległości jednego roku świetlnego od Ziemi, znacząco zaburzając ruch ciał w odległych rejonach Układu Słonecznego. Takie zaburzenia spowodują skierowanie dużego strumienia komet ku wewnętrznym obszarom Układu Słonecznego, zwiększając prawdopodobieństwo ewentualnych kolizji. Szacuje się, że na ziemskim niebie może się wtedy pojawić do 10 nowych komet długookresowych rocznie i tak przez kilka milionów lat.  Zatem obchodząc Dzień Planetoid, podziwiając bogactwo orbit i kształtów i niepokojąc się możliwymi kolizyjnymi z Ziemią torami niektórych z nich, pamiętajmy, że być może dzięki nim zaczęła się zdumiewająca kariera ssaków, a nasz świat stał się dużym stopniu takim jakim jest.