ÚJ LEHETŐSÉGEK A NAPRENDSZER KUTATÁSÁBAN SZEGŐ KÁROLY WIGNER FIZIKAI KUTATÓKÖZPONT RÉSZECSKE- ÉS MAGFIZIKAI INTÉZET szego.karoly@wigner.mta.hu 1 Hét ország, köztük Magyarország tudósai és mérnökei készítették azt a berendezést, amelyet rövidesen a Nemzetközi Űrállomáson helyeznek üzembe. A műszer feladata a Föld kozmikus környezetének és az űridőjárásnak a vizsgálata lesz. A kutatók arra kíváncsiak, milyen jelenségeket vált ki a Föld magnetoszférájában nagy sebességgel száguldó, közel 500 tonnás fémtest, az űrállomás. űrállomás Földi ellenőrző Magyar műszer: SAS3 A műszeregyüttes tervezését és építését Oroszország, azon belül a Kozmikus Kutatások Intézete (IKI) koordinálta. A berendezés magyar részeit az ELTE Geofizikai és Űrtudományi Tanszék Űrkutató Csoportja, az MTA Wigner Fizikai Kutatóközpont (korábban Részecske és Magfizikai Kutatóintézet, RMKI), valamint a BL-Electronics Kft. és az SGF Kft. készítette. Emellett brit, bolgár, lengyel, svéd és ukrán mérnökök vettek részt a közös munkában. Az Obsztanovka kísérlet alapvető tudományos feladata az úgynevezett plazma-hullám folyamatok kutatása a Föld körüli térségben. Célja a magnetoszféra és az ISS kölcsönhatásaiból kialakuló jelenségek, valamint hullámterjedési alapkérdések és geofizikai összefüggések kutatása. 2
Magyar részvétel az ESA Jupiter missziójában Az Európai Űrügynökség JUICE (JUpiter ICy moons Explorer) missziója 11 tudományos kísérletet visz majd a fedélzetén, hogy tanulmányozzák a gázóriást és jeges holdjait, amelyek felszíne alatt jelenlegi ismereteink szerint óceánok lehetnek. 2013. február 21-én az ESA tudományos program bizottsága döntött a szondájára kerülő műszerek kiválasztásáról. A fellövést 2022-re tervezik, a megérkezés a Jupiterhez 2030-ra várható. Az MTA Wigner Fizikai Kutatóközpont Részecske- és Magfizikai Intézetének kutatói két műszer sikeres pályázatában vettek részt. Magyarországról a Wigner intézet mellett az SGF kft. mérnökei is részt vesznek a műszerek fejlesztésében. 3 MIT JELENT A NAPRENDSZER KUTATÁSA? ŰRTEVÉKENYSÉG/ŰRKUTATÁS: ŰRTEVÉKENYSÉG: VALAMENNYI ŰRREL KAPCSOLATOS TEVÉKENYSÉG: távközlés, helymeghatározás, katonai felderítés, stb. ENNEK KUTATÁSI RÉSZE: ŰRKUTATÁS/CSILLAGÁSZAT ŰRKUTATÁS: AHOVA ŰRESZKÖZT TUDUNK KÜLDENI ember részvételével robotokkal CSILLAGÁSZAT-ASZTROFIZIKA: TÁVOLI MEGFIGYELÉS exobolygók ŰRKUTATÁS: a) planetológia b) a láthatatan Naprendszer c) a Nap 4
A Naprendszer az a térrész, amelyben a Nap anyaga a domináns. MI VAN AZON KÍVÜL? 150 fényév JELENLEG A NAP EGY LOKÁLIS INTERSTELLÁRIS FELHŐN HALAD KERESZTÜL EZ A FELHŐ AZ INTERSTELLÁRIS KÖRNYEZET ALACSONY SŰRŰSÉGŰ TARTOMÁNYÁBAN VAN EZT NEVEZIK LOKÁLIS BUBORÉKNAK A HELIOSZFÉRA MOZOG KÖRNYEZETÉHEZ KÉPEST, ANYAG ÁRAMLIK BE A NAPRENDSZERBE A TÁVOLABBI GALAKTIKUS KÖRNYEZETBŐL ÉRKEZIK A KOZMUKUS SUGÁRZÁS 5 SÖTÉT ANYAG-SÖTÉT ENERGIA? A SÖTÉT ANYAG VIZSGÁLATÁRA TERVEZI AZ ESA A 2020-BAN FELLÖVÉSRE KERÜLŐ EUCLID MISSZIÓJÁT, EHHEZ A NASA IS CSATLAKOZOTT. 6
Naprendszerek összehasonlító vizsgálata A HERSCHEL teleszkóp egy hideg réteget detektált az Alpha Centauri-A atmoszférájában. Ez a csillag ~4,37 fényévre található. 7 Exobolygók A KEPLER teleszkóp új naprendszert talált, amely az eddigi legkisebb exobolygót tartalmazza. E bolygók az un. Kepler-37 rendszerben találhatóak, ~210 fényévre, a Lyra csillagképben. 8
FŐ KÉRDÉSEK AZ ŰRFIZIKA TERÜLET LETÉN HOGYAN MŰKÖDIK M EGYÜTT A NAP ÉS S FÖLD, F HOGYAN MŰKÖDIK M A NAPRENDSZER HOGYAN MŰKÖDIK M A NAP HOGYAN BEFOLYÁSOLJA A NAP A FÖLDI F LÉTETL HOL BIZTONSÁGOS A VILÁGŰR HOGYAN BEFOLYÁSOLJA A GALAXIS LÉTÜNKETL MIT TANÍT T A VILÁGŰR R AZ 9 ALAVETŐ FIZIKAI FOLYAMATOKRÓL BESZÉLJÜK MEG: MIBŐL ÁLL A NAPRENDSZER? 1. bolygók, holdjaik, üstökösök, más szilárd testek A NAPRENDSZER BOLYGÓI A NAPRENDSZER TÁVOLRÓL 10
MIBŐL ÁLL A NAPRENDSZER (folyt.)? 2. A láthatatlan összetevő: Por, töltött és semleges részecskék, sugárzás 11 MIBŐL ÁLL A NAPRENDSZER (folyt.)? 3. A NAPBÓL KIÁRAMLÓ láthatatlan anyag: töltött részecskék és sugárzás A NAP NEMCSAK LÁTHATÓ FÉNYT BOCSÁT KI 12
A NAPBÓL KIÁRAMLÓ ANYAG A Nap működése eredményeképp sugárzás és anyag áramlik ki, ezek zömmel töltött részecskék Ezt megfigyelhetjük napfogyatkozás alkalmából Robbanásszerű kiáramlást műszerekkel érzékelhetünk Az anyagáramlással impulzus- és energiaáramlás jár, ez szétterjed a Naprendszerben, kölcsönhatásba kerül a Naprendszer tárgyaival. 13 HOGYAN TÁROLJA ÉS BOCSÁJTJA KI A NAP ENERGIÁJÁT? A NASA 2012-BEN FELBOCSÁJTOTT HIGH RESOLUTION CORONAL IMAGER (HI-C) TELESZKÓPJA MÉRTE EZT AZ EGY NAPFOLTBÓL SZÁRMAZÓ KITÖRÉST ÉS A KIREPÜLŐ ANYAG FEJLŐDÉSÉT 14
MISSZIÓK A NAPHOZ Az ESA To perform close-up, high-resolution studies of our Sun and inner heliosphere, Solar Orbiter is intended to brave the fierce heat and carry its telescopes to just one-fifth of Earth's distance from our nearest star. Following launch, currently foreseen for 2017, Solar Orbiter will begin its journey to the Sun. This will require a cruise phase lasting approximately 3 years. 15 MI A MAGNETOSZFÉRA? Egy mágneses bolygó dipóltere ha nem lenne napszél A bolygó mágneses tere az áramló mágnesezett plazmában A magnetoszféra az a térrész a bolygó körül, amelyben a bolygó mágneses tere a meghatározó a napszél mágneses eréhez képest 16
A NAPSZÉL VÁLTOZÁSAINAK HATÁSA A VÉNUSZNÁL 2010 augusztusában a NASA Stereo-Bűrszondája csökkent napszélaktivitást mért, 1/50-szer alacsonyabbat Ez a csökkent nyomás módosította az ionoszféra alakját 17 HOGYAN MODELLEZZÜK E KÖLCSÖNHATÁST? Két fő megközelítés: minden egyedi részecskére meghatározzuk a reá ható erőket (elektromágneses, gravitációs, stb.); majd a sok részecskés feladatot számítógépre bízzuk: EZ A SZIMULÁCIÓ Nem vizsgáljuk a folyamatot minden részecskére, csak az anyagmegmaradás, impulzusmegmaradás, energiamegmaradás egyenleteit vizsgáljuk. EZ A MAGNETOHIDRODINAMIKAI KÖZELÍTÉS. Ez meglepően szemléletes eredményt ad: a kölcsönhatás sokban hasonlít a folyadékok (gázok) áramlásához. A különböző akadályok körül kialakuló struktúrák hasonlóak. 18
PERTURBÁCIÓK A NAPSZÉLBEN 18 December 2012, Using ESA s Cluster quartet of satellites as a space plasma microscope, scientists have zoomed in on the solar wind to reveal the finest detail yet, finding tiny turbulent swirls that could play a big role in heating it. In the stream of charged particles emitted by the Sun the solar wind turbulence is thought to play a key part in maintaining its heat as it streams away and races across the Solar System. 19 A VOYAGER 1 SZONDÁT 1977-BEN LŐTTÉK FEL 2004 DECEMBER 16- ÁN, 94 AU TÁVOLSÁGRA A NAPTÓL, ÁTLÉPTE A NAPRENDSZER HATÁRÁT!!!! EGY IZGALMAS EREDMÉNY: 20
VOYAGER 1 A HELOSZFÉRA LEGKÜLSŐBB TARTOMÁNYÁBAN NASA's Voyager 1 spacecraft exploring a new region in our solar system called the "magnetic highway at ~123 AU. In this region, the sun's magnetic field lines are connected to interstellar magnetic field lines, allowing particles from inside the heliosphere to zip away and particles from interstellar space to zoom in. 21 PLANETOLÓGIA HOLDRASZÁLLÁSSAL KEZDŐDÖTT. 10 VENERA SZONDA SIMA LESZÁLLÁSA A VENUSZRA CSAK NÉHÁNY ÉRDEKESSÉG VÍZ A HOLDON 22
On target. Permanent shadow on the moon (inside yellow contour) harbors abundant hydrogen (deepest blue), some of which the LCROSS impact (red dot) showed to be hydrogen bound in water. Published by AAAS R. A. Kerr Science 330, 434 (2010) (2010) A HOLD GRAVITÁCIÓS TERE A Hold távoli felének gravitációs anomáliái. Piros: +. Kék: - A NASA GRAIL szondáinak mérései alapján: a szondák közötti távolságot méri, amit a gravitációs perturbációk befolyásolnak
GRAVITÁCIÓS ANOMÁLIÁK Izosztázia A 18 században Pierre Bouguer francia fizikus akarta megmérni a Föld egyenlitői sugarát Peruban. Azt várta, hogy a közeli hegyek tömege arányos mértékben eltéríti a függőónt, de nem így történt. Everest ugyanezt találta Indiában, a Himalája tömeghatását vizsgálva. Két külön pontban, de azonos szélességen végzett g mérés különbözhet egymástól. Ennek okai lehetnek: A mérések rendszerint nem a szferoidon, hanem magasabban történnek. A Föld középpontjától távolabb a gravitáció csökken. A "szabad-levegő" korrekciót hozzáadva az alacsonyabb szinti méréshez, kapjuk a szabad-levegő anomáliát. A szferoidra számitott gravitációnál azt tételezzük fel, hogy a teljes tömeg a szferoidfelület alatt van. A valóságban a szferoid és a topográfiai felszín között tömegek helyezkednek el. Ezek hatását a Bouguer-korrekcióval lehet figyelembe venni. A szabad levegő anomáliához hozzáadva a szabad-levegő korrekciót, és levonva a Bouguer korrekciót, kapjuk a Bouger anomáliát. A meglepő az, hogy ez az anomália a szárazulaton sokszor negatív, és számszerint nagyobb, mint a szabad levegő anomália, mintha látszólag a szferoid felület feletti kőzetlemeznek nem lenne tömege. Ez a jelenség, amely általánosnak tűnik, az izosztázia. Ennek földtani jelentése az, hogy a függőleges kőzetoszlop tömege a Földön mindenütt ugyanakkora, függetlenül a topográfiától és a magasságtól, a kontinenseken és az óceánokon egyaránt. Ha tehát a kőzetoszlop sűrüsége kisebb, akkor térfogata nagyobb (és ezért a felületről jobban kiemelkedik). Fig. 1 (A) Free-air and (B) Bouguer gravity anomaly maps from GRAIL lunar gravity model GL0420A, to spherical harmonic degree and order 420. M T Zuber et al. Science 2013;339:668-671 Published by AAAS
Fig. 1 Bulk density of the lunar crust from gravity and topography data. M A Wieczorek et al. Science 2013;339:671-675 Published by AAAS Fig. 3 Crustal thickness of the Moon from GRAIL gravity and LRO topography. M A Wieczorek et al. Science 2013;339:671-675 Published by AAAS
Felhők A MARSRÓL Furcsa mágneses tér Friss becsapódási nyomok Porvihar 29 LESZÁLLÁS A TITÁNRA: 2005. JAN. 14. NYOMÁS A LESZÁLLÓEGYSÉG A LESZÁLLÁS FÁZISAI 30
A TITÁN FELSZÍNE: DŰNÉK, KANYONOK, TAVAK 31 Kriovulkanizmus a Titánon R.M.C. Lopes et al., JGR-Planets 2012, doi: 10.100220062 Planetary volcanism is an eruption from an opening on a planetary surface from which magma, defined for that body as a partial melt product of mantle or crustal material, is erupted. Cryovolcanism is primarily the eruption of aqueous or non-polar molecular solutions or partly crystallized slurries (folyékony iszap), derived from partial melting of ice-bearing materials. Kriovulkanizmust indikáltak a Voyager-2 képei a Neptun Triton holdján. Az Europa és Ganymedes holdakon is hasonló tevékenység nyomai vélelmezhetőek. Kedvező feltétel lehet a Titán felszíne alatt (50-100 km mélyen) vélelmezett folyékony óceán, feltehetően víz-alapú. 32
Kriovulkanizmus a Titánon 2. A CASSINI szonda mérései: Multimode Ku-band (13.78 GHz, λ=2.17 cm) radar, 4 operating modes SAR, altimetry, scatterometry, radiometry. Radar felbontás ~ 350 m to >1 km. Radiometer: the 2.2-cm thermal emission, felbontás 5-500 km. Összetételre vonatkozó mérések a Visible and Infrared Spectrometer (VIMS) segítségével. 8 near-infrared ablak 0.9-5.2 micron tartományban. Radar topográfiai mérések A cikk konklúziója: kriovulkanizmus működik a Titánon, de nem a meghatározó, felszínt alakító mechanizmus. 33 Kriovulkanizmus a Titánon 3. 34
Kriovulkanizmus a Titánon 4. Figure 10a: Perspective view of the Hotei Regio area from a DTM, with a vertical exaggeration of 40. On the right hand side are the mountains forming Hotei Arcus and a few channels are seen coming down from the mountains. High areas thought to be flows are shown in green (see profile in Fig. 10b) and are about 200 m high. Low intra-flow areas are shown in purple. There is no clear connection between the channels and putative flows, and the inferred flow adjacent to a channel is topographically higher than the channel. 35 Kriovulkanizmus a Titánon 5. Western Xanadu (left, image centered at 146 o W, 12 o S)comparison with the Erebor Mons region (right, image centered at 33.3 o W, 7.0 o S). Open arrows indicate SAR illumination direction and incidence angle. Western Xanadu was interpreted as a region containing cryovolcanic flows by Wall et al. (2008). Both Western Xanadu and the Erebor Mons region show a pattern of lobate features that appear to be overlapping flows. Topographic data (Fig. 6) revealed the existence of Erebor Mons (in the upper right of the SAR image on right) and strengthened the cryovolcanic interpretation for the 36 region. The available topographic data (SARTopo) for Western Xanadu is too sparse to be diagnostic.
Kriovulkanizmus a Titánon 6. Flow-like feature (~70W, 47N) seen in T3 data and interpreted as cryovolcanic by Lopes et al. (2007) from radar data and by Le Corre et al. (2009) from VIMS data. Although the SARTopo data show here is too sparse to be diagnostic, it is consistent with a feature flowing downhill. 37 ENCELADUS, A FONTOS ANYAGFORRÁS ELSŐ JEL: ZAVAR A MÁGNESES TÉRBEN AZ ANYAGKIÁRAMLÁS KÉPEI. FORRÁS: DÉLI PÓLUS KÖRNYÉKE A KIÁRAMLÓ ANYAG TÁVOLRA IS ELJUT Kiáramló energia ~10 GW!!! Kiáramló gáz ~100-38 300 kg/s!!!
ENCELADUS FOLYT FORRÁS: TIGRISKARMOK ÉRTELMEZÉS: VÍZ A FELSZÍN ALATT 39 A ROSETTA MISSZIÓ, 2014 KÉRDÉS: HOGYAN KELETKEZTEK, HOGYAN MŰKÖDNEK AZ ÜSTÖKÖSÖK? A VÁLASZHOZ: LE KELL SZÁLLNI A FELSZÍNRE! 40
A NAPRENDSZER KUTATÁSÁNAK EGYIK FŐ KÉRDÉSE: HOGYAN KELETKEZETT A NAPRENDSZER ÉS AZ ÉLET A Spirit önarcképe A Spitzer teleszkóp organikus molekulákat lát újszülött csillagok környékén A Marson ez a felszíni rész egyszer nedves volt 41 VÍZ NYOMAI A MARSON Friss vízmosás Jég?? Gipsz 42
HOL LEHET MÉG VÍZ A NAPRENDSZERBEN? JUPITER HOLD: EURÓPA 43 VÍZ A MERKÚRON A NASA spacecraft studying Mercury has provided compelling support for the longheld hypothesis the planet harbors abundant water ice and other frozen volatile materials within its permanently shadowed polar craters. The new information comes from NASA's MErcury Surface, Space ENvironment, GEochemistry, and Ranging (MESSENGER) spacecraft 44
MENNYI AZ ÉLET VALÓSZÍNŰSÉGE A MARSON? A PHOENIX LANDER EREDMÉNYEI STOKER ET AL., 2011, JGR- PLANETS, 115, E00E20 ÉLHETŐSÉGI INDEX: P lw a folyékony víz jelenléte P e biológiailag hasznosítható energiaforrás P ch az élethez szükséges kémiai elemek jelenléte P b barátságos környezet AZ ÉLHETŐSÉGI INDEX EZEK SZORZATA 45 A VÍZ UTÁN: SZÉN VAGY BIOKÉMIA? A CURIOSITY ROVER 46