iPon Cikkek

Trójai holdak és más mesék

Dátum | 2015. 09. 10.
Szerző | Jools
Csoport | EGYÉB

A Szaturnusz és holdjai sok szempontból olyanok, mintha egy külön kis bolygórendszert alkotnának a Naprendszeren belül, amelyben az univerzum számtalan jelensége tanulmányozható lehet. Az Enceladuson az árapályerők és az energiaátadás folyamata, az F gyűrűben az anyag szemcséinek összetapadása vizsgálható, a Titán pedig kiváló modellje lehet a Földhöz hasonló extraszoláris bolygóknak. A Szaturnusz rendszere ezeken túl otthont ad még egy különös égitest-típusnak is, benne több helyen is úgynevezett trójai objektumok találhatók. Ezek eredetének megértéséhez vissza kell nyúlnunk az égi mechanika korai időszakába, egészen Isaac Newtonig. Newton előtt a csillagászok elsődlegesen a ma asztrometriának nevezett területre összpontosították erőfeszítéseiket, vagyis az égitestek helyének meghatározásával és mozgásának feltérképezésével foglalkoztak. Elődeink már több ezer éve is elég jól ismerték az égboltot ahhoz, hogy tudják, a több ezer éjjelente szabad szemmel látható fénypont között akad öt olyan, amelyik másként viselkedik, mint a többi. Napjainkban ezeket az égitesteket Merkúr, Vénusz, Mars, Jupiter és Szaturnusz néven ismerjük. Johannes Kepler óta a tudósok azt is tudták, hogy minden bolygó ellipszis alakú pályán kering, Newton fellépéséig azonban senki sem értette, hogy ez miért van így. A brit fizikus gravitációs elmélete adta az univerzummal kapcsolatos későbbi modellek alapját. Newton a gravitációt bármely két test közti kölcsönös vonzóerőként írta le, amelynek nagysága egyenesen arányos a tömegek szorzatával, és fordítottan arányos a tárgyak közti távolság négyzetével. Ha tehát egy test tömegét megduplázzuk, gravitációja is kétszeresére nő, ha viszont a két test közti távolságot kétszerezzük meg, a tömegvonzás miatt fellépő erők negyedükre csökkennek.
Vihar a Szaturnuszon
Ezzel a hasznos képlettel felvértezve a matematikusok és a fizikusok belevetették magukat a munkába, hogy felvázolják a Naprendszer különböző égitestjeinek pályáját. A szakértők azonban rövidesen egy nagyon frusztráló problémával találták magukat szemben: míg két test pályájának előrejelzése viszonylag könnyű feladatnak bizonyult Newton törvényének segítségével, egy olyan égitest útját, amelyet két másik nagyobb tömeg is befolyásol, viszont lehetetlenül bonyolultnak látszott leírni. Az azóta háromtest-probléma néven elhíresült probléma a fizika máig megoldatlan rejtélyeinek egyike. Bár magát az alapproblémát nem sikerült megfejteni, vannak olyan módszerek, amelyekkel megkerülhető a lehetetlen feladat, és kellően pontos válaszok adhatók az égitestek mozgásával kapcsolatban. A bolygóközi küldetések során napjainkban például úgy végzik a navigációt, hogy időről-időre meghatározzák a missziót befolyásoló égitestek pozícióját és sebességét, majd a friss adatokat visszatáplálják a rendszerbe, egyre pontosabb pályamodelleket alkotva. Egy másik megközelítésben pedig különböző megszorításokkal megpróbálják leegyszerűsíteni a három égitest által alkotott rendszert, majd matematikailag igyekeznek megjósolni a tagok mozgását. Ez utóbbi metódus vezetett a trójai csoport felfedezéséhez. Az úgynevezett korlátozott kör háromtest-probléma lényege, hogy a rendszer legkisebb tagjának tömege elhanyagolhatónak tekinthető a két másik objektum tömegéhez képest. Ebben az esetben erre a kis égitestre mindkét nagyobb objektum kifejti gravitációs hatását, a rendszer legkisebb tagjának visszahatása a másik kettőre ugyanakkor elhanyagolható. Ebben a helyzetben jelentősen leegyszerűsödnek a mozgásokat leíró egyenletek.
Az 1700-as évek közepén a matematikusok azt vették észre, hogy ezen egyszerűbb egyenletek tükrében lehetnek olyan pályák, amelyeken haladva a Nap−Föld-rendszerben a kisebb objektumok pontosan annyi idő alatt kerülik meg központi csillagunkat, mint a Föld. Ezen égitestek a Földhöz (és a Naphoz) képest mozdulatlanok lennének, mivel a rájuk ható két nagyobb égitest gravitációs erőinek eredője egy helyben tartja ezeket. Leonhard Euler három ilyen pozíciót azonosított a Napot és a Földet összekötő képzeletbeli egyenes mentén, pár évvel később Joseph-Louis Lagrange pedig még két ilyen kitüntetett pontot talált a pályáján haladó Föld előtt, illetve mögött. Ma ezt az öt pozíciót összefoglalóan Lagrange-pontoknak nevezzük. Az öt pont közül az Euler által felfedezett három meglehetősen instabil: ha az itt tartózkodó objektum a legkisebb mértékben is letér optimális pályájáról, például egy külső erő eredményeként, rögtön kizuhan viszonylagos nyugalmi helyzetéből. Az L4 és L5 Lagrange-pontok viszont másként viselkednek. Ha az itt tartózkodó objektumok elkezdenek elsodródni, a fellépő Coriolis-erők visszaterelik ezeket a Lagrange-pont irányába. Ennek eredményeként a helyzet úgy néz ki, mintha ezen helyeken a Lagrange-pont körül, mint valamiféle láthatatlan tömeg körül keringenének a tárgyak. A 18. századi matematikusok számára mindez papíron ugyan gyönyörűnek hatott, abban azonban senki sem hitt, hogy a valóságban is létezhetnek ilyen pályákon haladó égitestek. Több mint száz évnek kellett eltelnie az első ilyen objektum felfedezéséig: az 1906-ban azonosított 588 Achilles a Nap−Jupiter-rendszer L4 Lagrange-pontjában kering, és mint ilyen, az első trójai aszteroida. A következő évtizedekben egy sor hasonló objektumot találtak a különböző bolygók L4 és L5 pontjaiban. A Jupiter kapcsán egy érdekes elnevezési módszer is elkezdett kibontakozni: az L4 pont körül csoportosuló égitesteket a trójai háború emlékére görög tábornak, az L5 pont környékének objektumait pedig trójai tábornak nevezték el, az egyes égitesteknek pedig ehhez méltón a két szembenálló oldal hőseinek neveit adták. (Két aszteroida még az elnevezési rendszer általánossá válása előtt, azt figyelembe nem véve kapott nevet, ennek köszönhető, hogy a 617 Patroclus és a 624 Hektor örökre az ellenséges vonalak mögött ragadt.)
Helene
Tethys
Napjainkban a Jupiter körül több mint 6000 trójai objektum ismert, ez azonban sokak szerint csak a jéghegy csúcsa, és a bolygóhoz „láncolva” akár több százezer nagyméretű trójai is létezhet, ami megközelítené a kisbolygóöv népességének létszámát. A Jupiter mellett eddig a Föld, a Mars, az Uránusz és a Neptunusz esetében fedeztek fel hasonló kísérőket, valószínűleg azonban minden bolygó rendelkezik ilyenekkel, de mivel viszonylag kicsi és sötét objektumokról van szó, ezek észlelése nem egyszerű feladat. Trójai objektumai azonban nem kizárólag a bolygóknak lehetnek, hiszen mint egy 1980-as felfedezés világossá tette, mindenféle összetételű rendszerben megállapíthatók a Lagrange-pontok. A felfedezést megelőzően a csillagászok földi távcsövekkel vizsgálták a Szaturnuszt, amikor annak közelében több, korábban sosem látott holdat pillantottak meg, köztük három trójai objektumot is. Ez utóbbiak azonban nem a Nap−Szaturnusz-rendszer Lagrange-pontjaiban tartózkodtak, hanem két nagyobb hold és a Szaturnusz által meghatározott stabil pontokon ragadtak. Az negyedik ilyen égitestet a 2004-ben a Szaturnuszhoz érkezett Cassini űrszonda fedezte fel. A Tethys nevű holdat két trójai hold, a Telesto és a Calypso kíséri, a Dione-t pedig a Helene és a Polydeuces fogja közre. Bár a tömegeltérések ezen égitesteknél közel sem akkorák, mint a Jupiter trójai kísérői esetében, még mindig elég nagy az eltérés az egyes rendszereken belül a tagok közt ahhoz, hogy a korlátozott kör háromtest-probléma jól leírja az objektumok viselkedését. (Míg a Jupiter több mint egymilliárdszor nehezebb legnagyobb trójai aszteroidájánál, a Tethys csak 86 ezerszer annyit nyom, mint a Telesto.)
Amíg a Cassini meg nem érkezett a helyszínre, a szakértőknek fogalmuk sem volt arról, hogy a trójai holdak hogyan nézhetnek ki. Az űrszondának köszönhetően azonban részletes felvételek készültek az égitestekről, és ezekből világosan kiderült, hogy a trójai holdak nem az aszteroidákra, hanem sokkal inkább a Szaturnusz kisebb holdjaira hasonlítanak. Ahogy a bolygókeletkezés menetével kapcsolatban is bőven akadnak kérdések, úgy egyelőre az sem teljesen világos, hogy a Szaturnusz holdjai hogyan keletkeztek, de néhány friss kutatásnak köszönhetően egyre több részletre derül fény. A gázbolygó rendszerének egyik legérdekesebb vonása, hogy a gyűrűk és a holdak jelentős része gyakorlatilag tisztán jégből áll. Márpedig ha ezek a bolygóval egy időben formálódtak volna, azt várnánk, hogy összetételükben is hasonlítanak saját központi égitestjükre, vagyis jelentős mennyiségű kőzetet és fémet is hordoznak. Robin Canup és néhány más szakértő azon a véleményen van, hogy a gyűrűk egy hatalmas, a Titánhoz hasonló hold szétesésekor jöttek létre: az égitest valamiért kibillent pályájáról, és ahogy a gázóriás felé zuhant, jeges külső rétegei leszakadtak róla, míg kőzetekből álló felszíne a bolygóba csapódott. A leszakadt jégből aztán egy, a mainál sokkal nagyobb tömegű és távolabbra nyúló gyűrűrendszer alakult ki, amelyben aztán Aurélien Crida és Sébastien Charnoz véleménye szerint lassan megformálódott egy sor új hold is.
Calypso
Az óriásbolygó F gyűrűjében a szakértők megfigyelték, hogy az annak anyagát adó részecskék a köztük fellépő gravitációs kölcsönhatások eredményeként kisebb-nagyobb csomókba állhatnak össze. Mivel a gyűrűk napjainkban nagyon közel fekszenek a Szaturnuszhoz, annak tömegvonzása széttépi ezen anyagcsomókat, mielőtt azok túlságosan nagyra nőnének. Ha azonban a távoli múltban az összetapadási folyamatok a gázóriástól messzebb indultak be, könnyen elképzelhető, hogy idővel holdnyi méretű égitestek jöthettek létre a jégből. Ahogy a holdak egyre több anyagot szedtek magukra, illetve különböző külső hatások érték őket, pályájuk is megváltozhatott, így néhányan közülük eljuthattak az említett nagy holdak Lagrange-pontjaiba, ahol aztán megrekedtek, és trójai objektumokként folytatták életüket. A Lagrange-pontokban tartózkodó objektumok egy része ugyanakkor nem véletlenül kerül a helyére: az emberiség például már számos űreszközt juttatott fel a Nap−Föld-rendszer ezen területeire, mivel onnan kitűnő rálátás nyílik bizonyos vizsgálandó helyekre. Az instabil L2 pont például nagyon népszerű célpontnak számít, annak ellenére, hogy viszonylag sok energiába kerül ebben a pozícióban megtartani az űreszközöket. Az L2 azért rendkívül előnyös hely, mert a Föld, a Hold és a Nap mind egy irányban helyezkedik el innen nézve képest, így ha az itt tartózkodó űrjármű ezeknek „hátat fordít”, műszereivel zavartalanul vizsgálhatja az univerzum távoli vidékeit. A tervek szerint 2018-ban útjára induló James Webb űrtávcső is ezt a pontot fogja elfoglalni. Visszatérve a trójai objektumokra, ezek további vizsgálata több szempontból is érdekes lehet. A NASA szakértői a közeljövőben szeretnék alaposan összehasonlítani a Jupiter trójai aszteroidáit és a kisbolygóöv égitestjeit, hiszen az eltérések és hasonlóságok felderítése sokat elárulhat a Naprendszer múltjával kapcsolatban, ahogy a Cassini trójai holdakkal kapcsolatos vizsgálata is új megvilágításba helyezte a Szaturnusz történetét.
Dione
Új hozzászólás írásához előbb jelentkezz be!

Eddigi hozzászólások

2. Vasabroncs
2015.09.10. 14:37
Remek cikk, köszönjük!

Érdekes, hogy az első oldalon lévő lagrange-pontokat ábrázoló képen nem veszik figyelembe a Holdat és annak tömegét, pedig ugyanúgy van a Föld és a Hold között- és körül is 5 lagrange-pont...
Külön poén, hogy a a Nap-Föld lagrange-pointjainál most is van pár műhold. Hogy mikre nem bukkan az ember... :-)
 
Válasz írásához előbb jelentkezz be!
1. tomchee
2015.09.12. 04:24
Szívesen el laknék ott az L4 vagy 5 pontban... az egyetlen jó környék ami manapság eszembe jut...
 
Válasz írásához előbb jelentkezz be!