Nu vil NASA rejse til isgiganterne

I biograffilmen Ad Astra rejser en ingeniør tværs gennem Solsystemet til Neptun. I virkelighedens verden er de to iskæmper i Solsystemets udkant stort set uudforskede. Men nu har NASA skitseret flere fartøjer, som kan drage mod Uranus og Neptun om kun ti år og endeligt afsløre, hvad der gemmer sig bag det frosne ydre.

I biograffilmen Ad Astra rejser en ingeniør tværs gennem Solsystemet til Neptun. I virkelighedens verden er de to iskæmper i Solsystemets udkant stort set uudforskede. Men nu har NASA skitseret flere fartøjer, som kan drage mod Uranus og Neptun om kun ti år og endeligt afsløre, hvad der gemmer sig bag det frosne ydre.

Claus Lunau/Shutterstock

I filmen Ad Astra er vi hundrede år ude i fremtiden.

Amerikanske astronauter har for længst bygget en avanceret rumstation, som kredser om en af Neptuns måner. Men NASA har mistet kontakten til kolonien, og ingen aner, om astronauterne stadig er i live.

Da en af Neptuns måner pludselig eksploderer, får regeringen mistanke om, at kolonisterne lever i skjul og udfører farlige forsøg.

På opfordring fra USA’s regering forsøger en ung ingeniør uden held at sende en besked til koloniens leder og må i stedet rejse tværs gennem Solsystemet til Neptun.

I virkeligheden har Solsystemets to iskæmper kun haft et eneste besøg, nemlig satellitten Voyager 2, der fløj forbi Uranus i 1986 og Neptun i 1989 udstyret med simple kameraer og måleinstrumenter udviklet først i 1970’erne.

Voyager

NASAs Voyager 2 er det eneste fartøj, der har været i nærheden af Uranus og Neptun.

© NASA

Derfor kender astronomer reelt kun de to planeters baner, størrelser, massefylder og magnetfelter.

Ud fra de spinkle data har forskerne lavet modeller over planeternes indre og deres atmosfærer, men det er stadig kun beregninger, som umuligt kan verificeres fra Jorden. Derfor står spørgsmålene om de to kæmper stadig i kø. For at besvare dem er det nødvendigt at sende nye satellitter ud til de to isgiganter.

Det har hidtil været fremtidsmusik, men nu er den amerikanske rumfartsorganisation, NASA, så småt klar til at foretage den ultimative rejse i Solsystemet.

I en 500 sider lang rapport har ingeniører og planetforskere siden 2015 arbejdet på at udvælge ruter og designe rumfartøjer, som endelig kan få os til Solsystemets to yderste planeter.

Men tiden er knap, for afrejsen fra Jorden skal ske om senest 15 år.

Fire missioner er i spil

I rapporten har NASA skitseret fire mulige missioner, der hver især besøger én af de to isgiganter.

Fra en forskningsmæssig synsvinkel er det optimale selvfølgelig at sende to satellitter op, som går i kredsløb omkring hver sin planet, fordi de to kæmper ikke er ens og derfor kan bidrage med forskellige oplysninger.

For eksempel udgør Uranus og dens 27 måner sandsynligvis et oprindeligt månesystem, som er typisk for isgiganter, mens Neptuns måner formentlig blev spredt eller smadret, da planeten indfangede dværgplaneten Triton, som nu er den største i et system af i alt 14 måner.

Økonomisk set er det mest realistiske dog en mission, som blot besøger én af de to planeter.

5 veje fører til Solsystemets udkant

NASA har regnet på flere hundrede rejseruter, som kan sende satellitter ud til isgiganterne, og rumagenturet har valgt fem mulige missioner som de bedste. Favoritten er en satellit, som skal gå i kredsløb om Uranus og sende en sonde ned gennem atmosfæren.

To af NASA’s foreslåede missioner ligner hinanden til forveksling, men går til hver sin planet. Udgangspunktet er en satellit, der går i kredsløb om isgiganten og sender en sonde ned igennem planetens atmo­sfære.

Da de to missioner har lige stor videnskabelig værdi, er rejsen til Uranus umiddelbart favorit.

Med en afstand på 4,5 milliarder kilometer ligger Neptun halv­anden så langt væk fra Jorden som Uranus, og det er derfor både hurtigere og billigere at sende en satellit til sidstnævnte.

Den tredje mulige mission er at sende en større satellit med ekstra instrumenter i kredsløb om Uranus, men uden en sonde, som skal dykke ned i atmosfæren. Og den fjerde mulighed er en satellit, som ikke går i kredsløb, men i stedet flyver forbi Uranus og dropper en sonde ned i atmosfæren på vejen.

Fordelen ved en satellit i kredsløb er ud over længere observationstid også, at astronomerne kan følge op på interessante fænomener, som satellitten opdager under de første kredsløb.

En flyv-forbi-mission er billigere, men kan alligevel besvare de fleste af forskernes spørgsmål. Det demonstrerede New Horizons på fornem vis, da satellitten fløj forbi Pluto i 2015 og ændrede forskernes billede af dværgplaneten for altid.

NASA har endnu ikke besluttet, om rumfartsorganisationen overhovedet skal sende en mission afsted, og slet ikke, hvilken tur der i givet fald bliver valgt.

Men afgørelsen skal træffes snart, for i perioden fra 2029 til 2034 befinder Jupiter sig i en position, hvor planetens ekstreme tyngdefelt kan slynge satellitterne ud til iskæmperne med så stor fart, så de kan nå frem til Uranus på blot 11 år og til Neptun på 13 år.

Skal den chance udnyttes, må konstruktionen af satellitterne begynde i løbet af få år – ellers må forskerne vente indtil omkring 2050.

Det vil de nødigt, for de to giganter er ikke blot Solsystemets mindst udforskede planeter, de er også den vigtigste nøgle til at forstå planetsystemer uden for Solsystemet.

Opdagelsen af flere end 3000 exoplaneter har vist, at is­giganter er den mest almindelige planettype, men astronomerne ved stadig ikke hvorfor.

Isgiganternes fødsel er en gåde

Et af de spørgsmål, astronomerne især gerne vil have besvaret, er, hvordan Uranus og Neptun blev dannet.

Planeterne er næppe født i de nuværende baner, idet den sky af støv og gas, som fødte planeterne, var for tynd – og indeholdt for lidt byggemateriale – til at bygge isgiganterne på stedet.

Den fremherskende teori går ud på, at de to planeter blev dannet mellem Saturns og Uranus’ nuværende baner. Da gasplaneterne – Jupiter og Saturn – landede i deres faste baner for fire milliarder år siden, blev Uranus og Neptun slynget ud i Solsystemets udkant.

Rejsen var dramatisk – ikke mindst for Uranus, som selv i dag roterer om sin ækvator, hvor Solsystemets andre planeter roterer omkring polerne.

Forskerne mener, at fænomenet er opstået, fordi Uranus på sin vej ud gennem Solsystemet stødte sammen med et stort objekt, og at kollisionen ganske enkelt væltede isgiganten om på siden.

Isgiganterne er fyldt med gåder

/ 5

Gåde: Hvordan opstår de stærke vinde på Neptun?

Atmosfæren på Uranus og Neptun er formentlig tredelt og består især af brint, helium og metan. I det øverste lag, termosfæren, er temperaturen flere hundrede plusgrader. Den støder op til et lag af iskolde skyer på flere hundrede minus­grader. Den enorme forskel skaber især på Neptun ekstreme orkaner, der kan blæse i flere år med 2200 km/t. En atmosfærisk sonde kan vise, om teorien holder stik.

1

Gåde: Hvad består isgiganterne af?

De to iskæmper har ifølge teorien en kerne af jern, sten og nikkel, som udgør en fjerdedel af planetens masse. Omkring kernen ligger en stor kappe af is og yderst en atmosfære af gas. En satellit i kredsløb kan teste modellen ved hjælp af tyngdemålinger.

2

Gåde: Hvordan er kappen bygget op?

Isen i kappen består sandsynligvis især af vand, men indeholder også ammoniak og metan. Vandet er på grund af høje temperaturer og tryk i en særlig ionisk tilstand og elektrisk ladet. Nær kernen er vandet måske i en superionisk tilstand, hvor iltatomer danner en krystalstruktur, mens brintatomer flyder frit rundt. Målinger fra en satellit kan vise lagdelingen og bevægelserne i den flydende og elektrisk ladede is.

3

Gåde: Hvorfor er Uranus så kold?

Atmosfæren på Uranus er koldere end Neptuns, selvom Neptun modtager mindre sollys og derfor burde være koldere. En mulig forklaring på Uranus’ mystiske kulde kan være, at et ukendt grænselag mellem kappen og atmosfæren hindrer varmen fra planetens indre i at slippe ud og opvarme atmosfæren. Teorien er rent gætværk, men en satellit kan muligvis løse gåden.

4

Gåde: Hvorfor roterer Uranus omkring planetens ækvator?

Uranus roterer omkring sin ækvator. Det kan skyldes, at et stort objekt stødte sammen med planeten for flere milliarder år siden og væltede den om på siden. I dag rummer Uranus intet spor af begivenheden, men månerne kan være rester fra sammenstødet. En satellit kan måske afsløre spor af det store brag på månerne.

5
© Diego Barucco/Alamy/ImageSelect

Astronomerne vil afprøve teorien om isgiganternes oprindelse med en satellit, som måler de to planeters sammensætning af grundstoffer, og sammenligne resultatet med Jupiters og Saturns.

Det vil vise, om de fire store planeter er dannet i det samme miljø. Observationerne kan samtidig give unikke oplysninger om den sky af støv og gas, som fødte de fire yderste planeter.

Iskæmpernes atmosfærer rummer sandsynligvis den oprindelige gas i skyen, fordi de to planeter kredser i Solsystemets kolde udkant, hvor de flygtige gasser næppe er fordampet fra deres atmosfærer.

Da Uranus og Neptun blev slynget ud i deres nuværende baner, havde de allerede tabt kampen om byggematerialerne i Solsystemets børneværelse.

Alle de fire ydre planeter dannede hurtigt store kerner, fordi de opstod uden for frostgrænsen. Her i Solsystemets udkant blev kernerne ikke kun bygget af jern, nikkel og sten som i de indre planeter, men også af is af vand, metan og ammoniak.

Når en planetkerne kommer op på 15 jordmasser, accelererer væksten, og den tunge kerne suger masser af gas til sig.

Jupiter passerede først det kritiske punkt og sugede derfor 71 procent af områdets gas til sig. Saturn kom i mål som nummer to og snuppede 21 procent, mens Uranus kun fik tre procent og Neptun fire.

Voyager neptun

Neptun, som Voyager 2 så planeten i 1989.

© NASA

Derfor er de to isplaneter i dag sat anderledes sammen end gasplaneterne.

Jupiter og Saturn består af 85 procent gas, ti procent is og fem procent kerne. I Uranus og Neptun udgør gas kun ti procent, mens 65 procent er is, og de sidste 25 procent er stenkerne.

Astronomer tester ny metode

Temperaturen i isgiganternes nabolag ligger under 200 minusgrader, alligevel er de to ikke dybfrosne.

Ifølge teorien er trykket i deres indre så højt, at temperaturen stiger fra cirka 100 grader øverst i iskappen til over 4700 grader i kernen af jern og sten. Derfor er isen i den lagdelte kappe flydende og for størstedelens vedkommende i en ioniseret tilstand, hvor vandet er elektrisk ladet.

Voyager uranus

Uranus, som Voyager 2 så planeten i 1986.

© NASA

Et nyt forsøg på Lawrence Livermore 
National Laboratory i USA tyder på, at det nedre lag i kappen er superionisk vand, hvor iltatomerne danner en fast krystalstruktur, mens brinten flyder frit rundt.

Forskerne har genskabt stoftilstanden ved at presse is sammen i en diamanttrykcelle og derpå øge trykket til to millioner atmosfærer ved at beskyde isen med kraftige laserstråler.

I et andet forsøg blev en kulstofholdig plast udsat for den samme behandling, og her blev kulstoffet udskilt og presset sammen til 
nanodiamanter.

Forskerne mener, at det samme sker i langt større skala med kulstofholdigt metan nederst i isplaneternes kapper, så diamanter regner ned på stenkernen og danner et lag af flydende diamant.

På trods af forsøgene er modellen over de to planeters indre stadig ren teori. En af de vigtigste opgaver for en satellit er derfor at bestemme den indre opbygning og dynamik.

Fartøjerne er stadig på tegnebrættet

/ 5

Magnet-o-meter

Magnetometeret måler gasgigantens magnetfelt.

1

Gyroskoper

De fire gyroskoper fastholder satellitten i sin bane og forhindrer, at variationer i Uranus’ tyngdefelt får den
til at slingre.

2

Kamera

Kameraet fotograferer overfladen af Uranus og det øverste skydække.

3

Dopplerkamera

Dopplerkameraet bestemmer overfladens bevægelser ved at måle det sollys, som atmosfæren reflekterer ud i rummet. Målingerne kan blandt andet afsløre den indre dynamik.

4

Atmosfæriske sonde

Den atmosfæriske sonde er anbragt i toppen af satellitten under den lange rejse fra Jorden.

5
© Claus Lunau

De indre lag kan beregnes ud fra tyngde­målinger, som viser variationer i planetens tyngdefelt.

Kappens dynamik satser NASA på at belyse med hjælp fra en seismologisk metode, som aldrig tidligere er blevet brugt på planeter, men til gengæld er blevet anvendt med stor succes på Solen.

Her har såkaldte dopplerkameraer målt rytmiske svingninger i overfladen og dermed afsløret bevægelserne i Solens indre. Målingerne kan opklare flere af isgiganternes største gåder.

En af dem er, hvorfor deres magnetfelter er så kaotiske i forhold til andre planeters, for eksempel Jordens.

Magnetfelter, Uranus, Neptun

Isgiganternes magnetfelter er ekstremt kaotiske sammenlignet med felterne i både stenplaneterne og de andre gasgiganter. Øverst ses Jordens magnetfelt, mens Uranus ses nederst til venstre og Neptun nederst til højre.

© G. Schubert & K.M. Soderlund

Det er så velordnet, at det ligner feltet fra en stangmagnet, mens Uranus og Neptun har flere regionale felter ud over hovedfeltet mellem polerne.

Forskerne mener, at de kaotiske felter dannes tæt på overfladen i de flydende og elektrisk ledende islag øverst i kappen.

Om det er rigtigt eller ej, kan kun afklares med nære observationer fra en satellit.

Dopplermålingerne kan sammen med tyngdemålinger også forklare, hvorfor Uranus er Solsystemets koldeste planet, selvom Neptun befinder sig halvanden milliard kilometer længere væk fra Solen og modtager 40 procent mindre sollys.


Fænomenet kan skyldes, at Uranus’ kappe rummer et ukendt lag, som holder på den udsivende varme fra kernen og hindrer den i at nå atmosfæren.

Men reelt ved forskerne ikke hvorfor. Astronomerne mangler også detaljerede informationer om isgiganternes atmosfærer, som bedst kan skaffes ved at sende en sonde ned under skyerne og ud­føre målinger på stedet.

Her er Neptun særligt interessant, fordi atmosfæren danner Solsystemets kraftigste orkaner, der blæser med en fart på op til 2200 kilometer i timen.

Luksusmodel sprænger budgettet

NASA’s arbejdsgruppe har arbejdet inden for en økonomisk ramme på cirka 13,1 
milliarder kroner pr. mission.

Den billigste mulighed er flyv-forbi-missionen til Uranus, som kan gennemføres for 9,7 milliarder, mens en mission til Neptun med en satellit i kredsløb vil koste 13 milliarder kroner.

Gruppen har imidlertid også lavet et overslag over, hvad det vil koste at opsende to satellitter samtidig med NASA’s nye store løfteraket, Space Launch System (SLS), som står klar i 2031, hvor opsendelsen i givet fald skal finde sted.

Prisen kommer til at ligge på omkring 23-24 milliarder kroner, men Det Europæiske Rumagentur, ESA, vil måske 
bidrage, da det har droppet sine egne planer om at sende satellitter til isgiganterne.

To samtidige missioner til henholdsvis Uranus og Neptun vil selvsagt give det ultimative videnskabelige udbytte og er uden tvivl 
planetforskernes store drøm. Om den bliver opfyldt, vil forhåbentlig snart vise sig.