Ceres

Dvergreikistjarna

Þegar ítalski stjörnufræðingurinn Giuseppe Piazzi fann Ceres á nýársdag árið 1801 var hún talin reikistjarna. Í kjölfarið fannst fjöldi annarra samskonar hnatta á sömu slóðum í sólkerfinu sem leiddi að lokum til þess að Ceres var endurskilgreint sem smástirni upp úr 1850.

Eitt geimfar hefur heimsótt Ceres. Hinn 6. mars árið 2015 fór Dawn gervitungl NASA á braut um dvergreikistjörnuna. Á myndum geimfarsins sést mjög gígótt yfirborð en líka ljósir blettir sem eru líklega mjög saltur ís.

1. Uppgötvun

Menn höfðu lengi velt fyrir sér eyðu sem virtist vera milli brauta Mars og Júpíters. Í riti sínu Mysterium Cosmographicum (1596) benti Jóhannes Kepler fyrstur manna á eyðuna og taldi að þar væri að finna óséða reikistjörnu. Fleiri vísindamenn og hugsuðir veltu hinu sama fyrir sér en það var ekki fyrr en árið 1772 sem hjólin fóru að snúast. Það ár setti þýski stjörnufræðingurinn Johann Elert Bode fram lögmál kennt við hann og annan Þjóðverja, Johann Daniel Titius, um fjarlægðir reikistjarna frá sólu.

Lögmálið er ekki tekið gilt í dag en samkvæmt því var reglulegt mynstur í fjarlægðum reikistjarna sólkerfisins. Ef marka mátti lögmálið hefði reikistjarna átt að vera milli Mars og Júpíters, í um 2,8 stjarnfræðieininga fjarlægð frá sólu. Lögmálið fékk byr undir báða vængi þegar William Herschel fann Úranus árið 1781, því fjarlægð hennar var í samræmi við lögmálið.

Í lok 18. aldar var mikill áhugi meðal stjörnufræðinga að leita að þessari óséðu reikistjörnu. Árið 1800, eftir nokkurra ára árangurslausa leit, var sett á laggirnar „himnalögregla“, Himmels Polizei, sem samanstóð af 24 stjörnufræðingum víða um Evrópu. Í þeim hópi var ítalski munkurinn og stærðfræðingurinn Giuseppe Piazzi frá Palermo á Sikiley. Piazzi var reyndar ekki kunnugt um að hann tilheyrði himnalögreglunni.

Á nýársdag árið 1801 vann Piazzi að stjörnuskrá sinni þegar hann tók eftir stjörnu við „öxl“ stjörnumerkisins Nautsins. Piazzi skrásetti hana og mældi staðsetningu hennar og endurtók mælingarnar venju samkvæmt næstu nótt á eftir. Tók hann þá eftir því að stjarnan virtist hafa færst til. Í fyrstu taldi Piazzi sig hafa orðið á mistök en hinn 4. janúar var hann orðinn sannfærður um að nýja „stjarnan“ væri hugsanlega halastjarna. Sá hann þó engin merki um hjúp eða hala.

Eins og tíðkaðist á þessum tíma tilkynnti Piazzi opinberlega um uppgötvun á halastjörnunni í fjölmiðlum og barst hún hratt til erlendra dagblaða. Frekari athuganir sýndu þó að ekki var um að ræða halastjörnu. Þegar Bode frétti af uppgötvuninni reiknaði hann gróflega út brautina, sem hann taldi næsta hringlaga, fjarlægðina og umferðartíma hnattarins og taldi hana staðfesta lögmál sitt.

1.1. Þáttur Gauss

Piazzi tókst aðeins að fylgjast með færslu nýja hnattarins um himinhvolfið í rétt rúmlega mánuð eða þar til hann varð að hætta vegna veikinda. Á þeim tíma reikaði hnötturinn um þrjár gráður yfir himininn uns hann hvarf í glýju sólar.

Nokkrum mánuðum síðar hefði hnötturinn átt að koma fram undan sól aftur en var hvergi sjáanlegur. Í desember 1801 voru stjörnufræðingar margir orðnir úrkula vonar um að hnötturinn fyndist aftur og efuðust sumir, þeirra á meðal ungverski stjörnufræðingurinn Franz Xaver von Zach, hreinlega um tilvist reikistjörnunnar..

Þýski stærðfræðingurinn Carl Friedrich Gauss eftir G. Biermann (1824-1908)

Á þessum tíma var stærðfræðin ekki komin nógu langt til þess að hægt væri að reikna út og spá fyrir um staðsetningu hnattarins út frá svo litlum upplýsingum. Þriggja gráðu færsla um himininn er innan við 1% af heildarsporbrautinni. Franski stærðfræðingurinn Pierre-Simon Laplace lýsti því meðal annars yfir að útilokað væri að reikna brautina út.

Þegar þýski stærðfræðisnillingur Carl Friedrich Gauss, þá aðeins 24 ára gamall, frétti af vandamálinu í september 1801, ákvað hann að leita lausnarinnar. Þremur mánuðum síðar, eftir þrotlausa vinnu, var Gauss búinn að finna upp aðferð byggða á lögmálum Keplers til að spá fyrir um staðsetningu nýja hnattarins á himinhvolfinu í desember 1801, tæpu ári eftir að hann fannst, byggt á aðeins þremur mælingum Piazzis.

Sjöunda desember beindi Franz von Zach sjónauka sínum á þann stað sem Gauss spáði fyrir um og sá Ceres. Slæmt veður setti strik í reikninginn og gat von Zach ekki haldið athugunum sínum áfram dögum saman. Það var svo hinn 31. desember 1801 sem von Zach staðfesti tilvist nýja hnattarins svo skeikaði aðeins hálfri gráðu frá útreikningum Gauss. Tveimur dögum síðar tók þýski stjörnufræðingurinn Heinrich Olbers líka auga á hann.

1.2 Nafn

Piazzi lagði til að nýja plánetan skyldi nefnd Cerere Ferdinandea eftir gyðjunni Ceresi og Ferdinandi konungi Sikileyjar. Ceres var í samræmi við eldri nafnahefðir á reikistjörnum sólkerfisins en Ferdinandea ekki og féll það því ekki vel í kramið. Í Þýsklandi lagði Bode til að reikistjarnan hlyti nafnið Júnó en Piazzi mótmælti því.

Í rómverskri goðafræði var Ceres gyðja akuryrku og landbúnaðar, frjókorna og móðurástar auk þess að vera verndargyðja Sikileyjar en þar var elsta hof hennar. Ceres var dóttir Satúrnusar og Óps, systir Júnó, Vestu, Neptúnusar og Plútós. Hún eignaðist dótturina Prosperínu með Júpíter en hann hafði áður ættleitt Ceresi og orðið yfir sig ástfanginn af henni. Sagt var að þau hefði átt saman margar lostafullar nætur án þess að nokkur vissi af. Grísk hliðstæða hennar er Demetra.

Frumefnið seríum (e. cerium), sem er sjaldgæfur jarðmálmur sem fannst fyrst í Svíþjóð árið 1803, er nefnt eftir Ceresi. Sama ár fannst annað frumefni sem í fyrstu var líka nefnt eftir Ceresi en síðar breytt í palladíum eftir öðru smástirninu sem fannst, 2 Pallas.

1.3 Flokkun

Í byrjun voru flestir stjörnufræðingar á því að Ceres væri reikistjarna. Var hún flokkuð sem slík og fékk reikistjörnutákn sem er sigð eða kornljár.

Tæplega fjórum mánuðum síðar, hinn 28. mars árið 1802, fann Heinrich Olbers annan lítinn hnött sem líktist Ceresi og var gefið nafnið Pallas. Í maí sama ár lagði enski stjörnufræðingurinn William Herschel til að þessir nýju hnettir tilheyrðu nýjum flokki himinhnatta þar sem þeir liktust hvorki halastjörnum né öðrum reikistjörnum. Herschel lagði til að þeir yrðu kallaðir „smástirni“.

Í hálfa öld var Ceres engu að síður flokkuð sem reikistjarna líkt og Pallas, Júnó og Vesta. Í fyrsta árgangi tímaritsins Fjölnis, sem kom út árið 1835, er Ceres til að mynda talin til reikistjarna eins og hinar þrjár.

Eftir að ný flokkun var tekin upp í samræmi við tillögu Herschels fékk Ceres reikistirnisnúmerið 1 Ceres. Formleg skilgreining á reikistjörnu var hins vegar aldrei búin til.

Árið 2006 var staða Ceresar í sólkerfinu aftur tekin til skoðunar. Þá leiddu deilur um stöðu Plútós í sólkerfinu til þess að lögð var fram tillaga fyrir aðalþing Alþjóðasambands stjarnfræðinga, sem fram fór í Prag í Tékklandi, að Ceres yrði gerð að reikistjörnu á ný, þá fimmta í röðinni frá sólu, ásamt Plútó, Karon og Eris. Tillagan var felld og ný skilgreining samin í staðin sem færði Ceres, Plútó, Hámeu, Eris og Makemake í nýjan flokk dvergreikistjarna.

Ceres er því í dag skilgreind sem dvergreikistjarna sem er jafnframt stærsta smástirnið í smástirnabeltinu.

2. Sporbraut

Ceres gengur um sólina á 4,6 jarðárum í smástirnabeltinu milli Mars og Júpíters. Ceres er að meðaltali í um 414 milljón km fjarlægð frá sólinni. Í sólnánd er fjarlægðin 382,6 milljónir km en í sólfirrð 445,4 milljónir km. Sporbrautin er álíka sporöskjulaga og braut Mars (miðskekkja = 0,08) og hallar um 10,6° miðað við sólbauginn.

3. Massi

Samanburður á stærð Jarðar, tunglsins og Ceresar. Mynd: Wikimedia Commons

Mælingar Dawn geimfarsins sýna að massi Ceresar er 9,39 x 10²⁰ kg. Það þýðir að Ceres inniheldur um þriðjung af heildarmassa smástirnabeltisins en er þó aðeins 4% af massa tunglsins.

4. Yfirborð

Yfirborð Ceresar endurvarpar að meðaltali aðeins 9% af sólarljósinu sem á það fellur. Það er því afar dökkt, álíka dökkt og malbik. Yfirborðið minnir um margt á kolefniskondrítloftsteina af C-gerð en þó erz munu á. Sem dæmi er mun meira af steindum sem innihalda ammóníak en í kolefniskondríti. Auk þess er yfirborðið vatnaðara (30%) en kolefniskondrít (sem innihalda 15-20% vatn).

Yfirborðshitinn á Ceresi er á bilinu –93°C til –33°C. Við þetta hitastig er ís óstöðugur og gufar upp og eftir situr dökka efnið.

Yfirborð Ceresar er mjög gígótt en hefur færri stórar árekstradældir en búist var við. Gígarnir eru nefndir eftir akuryrkju- og landbúnaðarguðum og landbúnaðarhátíðum ýmissa menningarsamfélaga. Stærstu gígarnir eru:

• Kerwan, 284 km breiður gígur á suðurhveli Ceresar, stærsti gígurinn á Ceresi, nefndur eftir anda spírandi maís í Hopi goðafræðinni, gígurinn er óvenju grunnur miðað við stærð

• Yalode, 271 km breiður gígur á suðurhveli Ceresar, nefndur eftir guði sætkartafla í trúarbrögðum Dohomeya þar sem nú er Benín í Afríku

• Urvara, 163 km breiður gígur á suðurhveli Ceresar, nefndur eftir forn-Indó-íranskri persónugervingu frjósemi.

Landslagskort af Ceresi með örnefnum. Munurinn á milli hæstu svæðanna (rautt) og lægstu (blátt) nemur 7,5 km. Mynd: NASA/JPL-Caltech/UCLA/MPS/DLR/IDA

4.1 Bjartir blettir

Yfirborð Ceresar endurvarpar að meðaltali aðeins 9% af sólarljósinu sem á það fellur. Það er því afar dökkt, álíka dökkt og malbik. Myndir sem teknar voru með Hubble geimsjónaukanum sýndu þó nokkra mjög bjarta bletti og þegar Dawn geimfarið heimsótti Ceres kom í ljós að þeir voru meira en 130 talsins. Blettirnir endurvarpa 40-50% sólarljóssins. Flestir tengjast árekstragígum.

4.2 Occator-gígurinn

Occator gígurinn og björtu blettirnir í honum. Mynd: NASA/JPL-Caltech/UCLA/MPS/DLR/IDA

Bjartasti bletturinn er í raun svermur bletta í gíg sem kallast Occator. Gígurinn er nefndur eftir aðstoðarguði Ceresar, hinum rómverska guði herfa sem voru og eru notaðir til að fara yfir plægt land.

Occator gígurinn er um 90 km í þvermál. Hann hefur skarpa barma og veggi, hjalla og skriður sem benda til þess að hann sé ein yngsta jarðmyndunin á Ceresi. Rannsóknir vísindamanna við Dawn leiðangurinn benda til þess að hann sé aðeins í kringum 78 milljón ára gamall.

Í miðju gígsins er dæld sem þakin er bjarta efninu. Dældin er 10 km breið og 0,5 km djúp. Í gegnum hana liggja dökkleitar rákir, hugsanlega sprungur. Leifar af fjalli í miðjunni, sem var allt að 500 metra hátt, sjást líka.

Mælingar sýna að stundum liggur mistur yfir gígbotninum. Hugsanlegt er að mistrið tengist mælingum á vatnsgufu sem Herschel geimsjónaukinn greindi árið 2014. Mistrið virðist mest á hádegi að staðartíma en mælist ekki árdegis eða síðdegis. Það bendir til þess að björtu blettirnir hegði sér á svipaðan hátt og halastjörnur, þ.e. að vatn þurrgufi og lyfti pínulitum ryk- og ísögnum upp af Ceresi.

Rannsóknir evrópskra vísindamanna, sem byggja á gögnum frá Dawn geimfarinu, benda til þess að blettirnir séu saltlög. Litrófsmælingar sýna að blettirnir innihalda magnesíum súlfat hexahýdrít salt (MgSO₄·6H₂O) sem svipar til Epsom salts á Jörðinni.

Saltið sat líklega eftir þegar vatnsís gufaði upp. Við árekstra smástirna og loftsteina hafa þessi svæði komið í ljós og það bendir til þess að á Ceresi sé lag undir yfirborðinu sem innihaldi saltan vatnsís.

4.3 Ammóníakríkur leir

Ahuna Mons, 6 km hátt fjall á suðurhveli Ceresar. Mynd: NASA/JPL-Caltech/UCLA/MPS/DLR/IDA

Vísindamenn við Dawn leiðangurinn hafa fundið merki um ammóníakríkan leir. Notuðu þeir til þess gögn frá litrófsrita sem mælir bæði sýnilegt og innrautt ljós. Með því að skoða endurvarp ljóssins af yfirborðinu er hægt að efnagreina það.

Á Ceresi er of heitt til þess að ammóníaksís geti verið til staðar. Hins vegar gætu ammóníakssameindir verið stöðugar í dag ef þær eru í bland við önnur efni.

Ammóníakið er ráðgáta því talið er að það þurfi að hafa borist til Ceresar frá ytri svæðum sólkerfisins. Með öðrum orðum gæti Ceres verið þakin efni úr ytra sólkerfinu eftir árekstra. Önnur hugmynd er sú að Ceres hafi myndast utar í sólkerifnu en færst innar. Tilvist ammóníakssambanda bendir til að Ceres sé úr efnum sem hafi safnast saman þar sem ammóníak og nitur voru í miklu magni.

5. Innviðir

Gígaröðin Gerber Catena á mynd sem Dawn geimfarið tók úr 385 km hæð hinn 10. desember 2015. Mynd: NASA/JPL-Caltech/UCLA/MPS/DLR/IDA

Ceres er líklega lagskiptur hnöttur. Mælingar Dwan geimfarsins og athuganir frá Jörðinni benda til að í miðjunni sé stór bergkjarni umlukinn 100 km þykkum möttli úr vatnsís sem telur í kringum 25% af massa Ceresar en 50% af rúmmáli hnattarins. Möttullinn er síðan umlukinn þunnri rykskorpu.

6. Lofthjúpur

Ceres hefur engan eiginlegan lofthjúp en gæti haft örþunnt gaslag úr vatnsgufu þegar vatnsís á yfirborðinu gufar upp.

Árið 2014 sýndu mælingar Herschel geimsjónauka Geimvísindastofnunar Evrópu merki um nokkra staðbundar uppsprettur vatnsgufu. Frá þeim streymdi að meðaltali 3 kg af vatni á sekúndu út í geiminn. Uppspretturnar virðast tengjast björtu blettunum á yfirborðinu.

7. Könnun Ceresar

Vegna smæðar Ceresar hefur reynst mjög erfitt að rannsaka hana.

Hinn 13. nóvember árið 1984 gekk Ceres fyrir fastastjörnuna BD +8°471 og var fylgst með stjörnumyrkvanum frá þrettán stöðum í Norður Ameríku. Mælingarnar gerðu stjörnufræðingum kleift að mæla stærð og lögun Ceresar, fá grófa mynda af eðlismassa hennar og endurvarpsstuðli.

Hubble geimsjónaukanum hefur nokkrum sinnum verið beint að Ceresi. Árið 1995 gerði sjónaukinn mælingar á útfjólubláu ljósi frá Ceresi. Myndir sjónaukans frá árinu 2003 og 2004 sýndu bjarta bletti og önnur smáatriði eins og gíga á yfirborðinu og voru hinar bestu sem til voru áður en Dawn geimfarið fór á braut um Ceres.

Myndirnar voru teknar með SPHERE mælitækinu á Very Large Telescope ESO og eru hluti af rannsókn sem staðið hefur yfir frá miðjum júlímánuði 2015 og snýst um að útbúa ljósskautunarkort af yfirborðinu. Mynd: ESO, B. Yang og Z. Wahhaj

Árið 2006 tóku stjörnufræðingar myndir af Ceresi með hjálp aðlögunarsjóntækja á Keck sjónaukunum á Hawaii. Myndirnar sýndu nokkur smáatriði á yfirborðinu og voru líka notaðar til að kanna eiginleika yfirborðsins

Árið 2014 var tilkynnt að vísindamenn ESA, Geimvísindastofnun Evrópu, sem notuðu Herschel geimsjónaukann hefðu greint vatnsgufu streyma út í geiminn frá ýmsum stöðum á Ceresi.

Í júlí 2015 var SPHERE mælitækið á Very Large Telescope ESO í Chile notað til að ná bestu myndum sem náðst hafa af Ceresi frá Jörðinni.

Dawn geimfarið

Aðalgrein: Dawn geimfarið

Hinn 27. september 2007 var Dawn geimfari NASA skotið á loft. Fjórum árum síðar (2011) fór geimfarið á braut um Vesta, næst stærsta smástirnið í smástirnabeltinu, og dvaldi þar við rannsóknir í þrettán mánuði. Þá voru jónavélar geimfarsins ræstar á ný og förinni heitið til Ceresar.

Hinn 6. mars 2015 fór Dawn á braut um Ceres og var þar með fyrsta geimfarið til að heimsækja dvergreikistjörnu. Dawn mun líklega dvelja á braut um Ceres eftir að leiðangrinum lýkur.

8. Ceres á stjörnuhimninum

Þegar Ceres er í sólnánd og í gagnstöðu getur sýndarbirtustigið náð +6,7. Ceres sést því tæpast með berum augum nema við framúrskarandi góðar aðstæður og manneskja hafi einstaklega góða sjón.

Ceres sést leikandi með handsjónauka og stjörnusjónauka ef maður veit hvert á að horfa. Með sjónauka sjást þó engin smáatriði.

Tengt efni

• Dawn geimfarið
• Plútó
• Eris
• Hámea
• Makemake
• Smástirni

Tenglar

• Myndasafn NASA af Ceresi

Heimildir

1. G. Foderà Serio, A. Manara og P. Sicoli: Giuseppe Piazzi and the Discovery of Ceres.
2. „New Clues to Ceres' Bright Spots and Origins“. JPL.NASA.gov
3. „Largest Asteroid May Be 'Mini Planet' with Water Ice“. Hubblesite.org
4. „Water Detected on Dwarf Planet Ceres“. Science at NASA.
5. Emily Lakdawalla (2015). „Dawn data from Ceres publicly released: Finally, a color global portraits!“ Planetary.org
6. Emily Lakdawalla (2015). „DPS 2015: First reconnaissance of Ceres by Dawn“. Planetary.org.
7. Andrew Rivkin (2015). „Dawn at Ceres: A haze in Occator crater?“ Planetary.org.
8. Millis, L. R.; Wasserman, L. H.; Franz, O. Z.; et al. (1987). „The size, shape, density, and albedo of Ceres from its occultation of BD+8°471“. Icarus 72 (3): 507–518.
9. „Keck Adaptive Optics Images the Dwarf Planet Ceres“. AdaptiveOptics.org
10. „SPHERE kortleggur yfirborð Ceresar“. ESO.org

– Sævar Helgi Bragason