A Ceres törpebolygó planetológiája

A Ceres (1), a kisbolygóöv királynője eddig a legkisebb, valamint a Naphoz legközelebbi törpebolygó a Naprendszerben, és az egyetlen, ami a kisbolygóövben található. A 4 Vesta proto-planéta is törpebolygó planetológiailag, az ide való besorolását csak azért nem kapta meg, mert a déli sarkon egy hatalmas becsapódás lerobbantotta anyagának egy részét, és emiatt alakja nem gömbölyű. Ez a besorolás talán változni fog, hiszen a törpebolygók definíciójának része a gömb alak, de ez természetesen az objektum kialakulására és fejlődésére kell, hogy utaljon, nem pedig későbbi sorsára. 

A 940 kilométeres, gömb alakú Ceres volt az első aszteroida, amelyet felfedeztek (Giuseppe Piazzi, a palermói csillagászati obszervatóriumában 1801. január 1-jén). Eredetileg bolygónak vélték, de az 1850-es években aszteroidává minősítették, miután számos más, hasonló pályán lévő objektumot is találtak. Később természetesen aszteroidáról törpebolygónak sorolták át. Nevét Ceresről, a földművelés római istennőjéről kapta (2). Tömege a kisbolygóöv mintegy negyedét adja. Eredetileg az ismert aszteroidák körülbelül 75%-át alkotó C-típusú kisbolygók közé sorolták be, tehát a szenes kondritokból álló kisbolygók közé, de átsorolták a C egy alosztályába, a G-típusba (3), miután kőzetei hidratált filloszilikátokat, agyagásványokat tartalmaznak (4), emiatt az UV-tartományban színképe erős abszorpciós vonalakat tartalmaz.

Egy zseniális törvény, ami nem létezik, de gyakran működik.

A Titius-Bode törvény (5,6) „Titius–Bode law” melyet magyarul kicsit árnyaltabban Titius–Bode-szabálynak neveznek, egy empirikus szabály, amely megadja a bolygók hozzávetőleges távolságát a Naptól. Először 1766-ban jelentette be Johann Daniel Titius német csillagász, de csak 1772-től népszerűsítette és pontosította Johann Elert Bode. A szabály működése feltehetőleg a pályarezonanciák hatásával magyarázható, miszerint a bolygók pályarezonanciái olyan területeket hoznak létre, amelyekben nem alakulhatnak ki stabil bolygópályák. Stabil pályák csak a Naptól való bizonyos távolságokra korlátozódhatnak. Titius-Bode szabálya inkább matematikai érdekesség, mint fizikai törvény.

Johann Elert Bode még természetesen azt hitte, a 2,8 csillagászati egység távolságra felfedezett Ceres a hiányzó bolygó, csillagászati jelet is kapott. A problémák akkor kezdődtek, amikor sorra fedezték fel az újabb és újabb égitesteket hasonló pályákon. Be kellett ismerni, hogy ezek nyilvánvalóan nem bolygók, Sir William Herschel 1802-ben nevezte el ezeket az égitesteket aszteroidának, „csillagszerűnek”. Hamarosan meg is született a hipotézis, hogy bár ezek nem bolygók, de talán egy korábbi felrobbant bolygó törmelékei – ez a hipotetikus bolygó a Phaeton nevet kapta (7).

A Földre érkező meteoritok vizsgálata azonban meglepő eredmény hozott. Noha egy kis részük akondrit, tehát differenciált törpebolygóról származik, többségük mégis a Naprendszer eredeti, nyers, ősi anyagából áll, a kondritokból (8, 9). Az ismert aszteroidák többsége a Mars és a Jupiter pályája között kering a Nap körül, kialakulásukkor a Jupiter hatalmas tömege által keltett pályarezonanciák a megszületett planetezimálok 99%-át eltávolította, maradékuk bolygóvá alakulását pedig meggátolta. A kisbolygóöv tehát olyan égitestekből áll, mely nagyrészt a Naprendszer bolygóinak nyersanyaga, olyan kisbolygókból, melyek nem álltak össze egy nagyobb bolygóvá. A Ceres azonban kivétel.

A Ceres planetológiája

Tudjuk, hogy a Ceres nagyméretű, szferoid, nyilvánvalóan differenciált égitest, nem ősi, egyszerű planetezimál. Lehet-e a Ceres olyan felépítésű, mint a Föld és a föld-típusú bolygók vasmaggal, nehéz szilikátos köpennyel és bazaltos kéreggel? Ennek rögtön ellentmond alacsony sűrűsége, ami 2,077 g/cm³. Másik tény, hogy a Vestával ellentétben, a Ceresről nincsenek beazonosított akondritok.

Problémánk nyitja Naprendszerünk kezdeti ásványtana. Noha Naprendszerünk hozzávetőleges összetétele 98% gáz, 1,5% jegek, 0,5% fémek, ezeknek az anyagoknak az eloszlása nem véletlenszerű. A legtöbb gáz nyilvánvalóan a Napban található, a bolygókat, ezek holdjait, valamint a kisebb égitesteket tekintve a Nap közelében a jegek (vízjég, ammónia és metánjég) természetesen nem stabilok, ezek csak a Naptól messze létezhettek, a kőbolygókat alkotó fémek és szilikátok viszont eltűrték csillagunk közelségét. A Naptól való távolság szerint, ahhoz legközelebbi anyagok a fémek, a szilikátok, távolodva tőle a szén, majd a jegek következnek. A Ceres régiójában a fémek már ritkábbak, gyakoribb a szilikát és a szén, differenciációja tehát elegendő fém hiányában nem volt tökéletes, a kevés radioaktív izotóp nem tudta kellően felmelegíteni az égitestet.

De nézzük csak mit talált a Dawn szondája (10, 11), mely 2015 tavaszán állt pályára a törpebolygó körül. A Ceres gravitációjára és domborzatára vonatkozó információk alapján ki lehet jelenteni, hogy Ceres valóban differenciált égitest. Ceres felszínének albedója 0,09, amely meglehetősen sötét a külső Naprendszer holdjaihoz képest. Ennek oka a Ceres felületének viszonylag magas hőmérséklete, a Dawn által mért maximális hőmérsékletet −38°C volt. Vákuumban a jég nem stabil ezen a hőmérsékleten, a felszíni jég szublimációja által hátrahagyott szenes anyag magyarázhatja a Ceres sötét felületét. Noha felszínét ez a sötét, szenes anyag borítja, kérge jég, hidratált ásványok és evaporitok keveréke. Ez alatt egy túltelített sós vizes réteg, majd a hidratált szilikátokból, agyagokból álló köpeny következik. Mélyebbre már nem „látott” le a Dawn, de feltételezések szerint magja száraz szilikátok és fémek keverékéből állhat, semmiképp sem olvadt, aktív, forró fémmagból (12).

A Ceres felszínformái is különlegesek. Az égitesten megfigyelhető alacsony kráterek is azt jelzik, hogy viszonylag lágyabb rétegeken, valószínűleg vízjég felett fekszenek. A Kerwan-kráter például rendkívül lapos, 284 kilométer átmérőjű, ami a Tethys és az Iapetus nagy, lapos krátereire emlékeztet. Mérete alapján kifejezetten sekély, és nincs központi csúcsa.

Sok hosszú, egyenes vagy finoman ívelt kanyont talált Dawn. Kialakulásukért valószínűleg több különböző mechanizmus is felelős lehet. Ezek némelyike Ceres kérgének a zsugorodása miatt keletkezhetett, amikor a belső hő fokozatosan kisugárzódik az űrbe, a feszültségek megtörhették a sziklás, jeges talajt (13).

A Ceresen huszonkét azonosított hegy (montes) található. Ezek többségének felszínformái az idő múlásával jelentősen eltűntek, és csak a régi kriovulkánok várható alakjának modellezése után azonosították őket. A legismertebb hegyek egyike a Ceresen az Ahuna Mons (14), egy kriovulkán (15), mely körülbelül 6 kilométer magas és 15 kilométer széles. Lejtőin világos csíkok futnak felülről lefelé, melyek valószínűleg sóban gazdag ásványokból állnak. A hegy alacsony kráterszáma azt sugallja, hogy ez a kriovulkán nem lehet 200 millió évnél régebbi, ezt a jég plasztikus relaxációjának modelljei is alátámasztják (15).

A Ceres törpebolygón számos fényes foltszerű felszínformát (faculae) is felfedezett a Dawn űrszonda 2015-ben. A legfényesebb folt az Occator kráter közepén található, az úgynevezett „5. fényes folt”. 130 fényes területet fedeztek fel Ceresen, amelyekről azt gondolják, hogy sóban – magnézium-szulfát-hexahidritben (MgSO4 · 6H2O) és ammónia-vegyületekben gazdag (16, 17), mely ásványok a Ceres belsejéből származnak.

A Dawn űrszonda egyik legizgalmasabb felfedezése az Ernutet-kráter régiójában talált szerves molekulák voltak. A bizonyítékok arra utalnak, hogy ez a szerves anyag is a Ceres mélyéből,  egy belső, folyékony vizet tartalmazó rétegből származhat (18, 19).

Források:

1. Asteroid (1) Ceres – Summary, https://newton.spacedys.com/astdys/index.php?pc=1.1.0&n=1
2. Schmadel, Lutz (2003). Dictionary of minor planet names (5th ed.). Germany: Springer. p. 15. ISBN 978-3-540-00238-3.
3. Tholen, D. J. (1989). „Asteroid taxonomic classifications”. Asteroids II. Tucson: University of Arizona Press. pp. 1139–1150. ISBN 978-0-8165-1123-5.
4. The surface composition of Ceres: Discovery of carbonates and iron-rich clays, http://irtfweb.ifa.hawaii.edu/~elv/icarus185.563.pdf
5. Hoskin, Michael: Bodes’ Law and the Discovery of Ceres. Observatorio Astronomico di Palermo „Giuseppe S. Vaiana”
6. Bode’s law, https://www.britannica.com/science/Bodes-law
7. Chisholm, Hugh, ed. (1911). „Phaëthon” . Encyclopædia Britannica. 21 (11th ed.). Cambridge University Press. p. 342
8. Wood, J.A. (1988). „Chondritic Meteorites and the Solar Nebula”. Annual Review of Earth and Planetary Sciences. 16: 53–72
9. Systematics and Evaluation of Meteorite Classification https://www.lpi.usra.edu/books/MESSII/9014.pdf
10. „Dawn at Ceres”, https://solarsystem.nasa.gov/system/downloadable_items/2733_dawn-ceres.pdf
11. Legacy of NASA’s Dawn, Near the End of its Mission, https://www.jpl.nasa.gov/news/legacy-of-nasas-dawn-near-the-end-of-its-mission
12. Modelling the internal structure of Ceres, https://www.aanda.org/articles/aa/pdf/2015/12/aa27083-15.pdf
13. Dawn Journal: Ceres’ Intriguing Geology, https://www.planetary.org/articles/0630-dawn-journal-ceres-intriguing-geology
14. Ahuna Mons, https://planetarynames.wr.usgs.gov/Feature/15409
15. Ceres takes life an ice volcano at a time, https://phys.org/news/2018-09-ceres-life-ice-volcano.html
16. Dawn And Ceres: A Dwarf Planet Revealed, https://www.forbes.com/sites/kevinanderton/2016/03/26/dawn-and-ceres-a-dwarf-planet-revealed-infographic/?sh=40e671614c07
17. New Clues to Ceres’ Bright Spots and Origins, https://www.jpl.nasa.gov/news/new-clues-to-ceres-bright-spots-and-origins
18. Dawn Discovers Evidence for Organic Material on Ceres, http://www.jpl.nasa.gov/news/news.php?feature=6751
19. The Origin of Organic Matter on Ceres, https://www.calacademy.org/explore-science/the-origin-of-organic-matter-on-ceres