Nu ska Nasa resa till isgiganterna

I filmen Ad Astra reser en ingenjör tvärs genom solsystemet till Neptunus. I verkligheten är de två isjättarna i solsystemets utkant i stort sett outforskade. Men Nasa skissar på flera farkoster som ska kunna flyga mot Uranus och Neptunus om bara tio år och slutgiltigt fastslå vad som gömmer sig bakom deras frysta yttre.

Claus Lunau/Shutterstock

I filmen Ad Astra är vi hundra år framme i tiden.

Amerikanska astronauter har för länge sedan byggt en avancerad rymdstation som kretsar runt en av Neptunus månar. Men Nasa har förlorat kontakten med kolonin och ingen vet om astronauterna fortfarande är vid liv.

När en av Neptunus månar plötsligt exploderar börjar regeringen misstänka att kolonisatörerna lever och i hemlighet utför farliga experiment. På
uppdrag av USA:s regering försöker en ung ingenjör förgäves skicka ett meddelande till kolonins ledare och får i stället resa genom solsystemet till Neptunus.

I själva verket har solsystemets två isjättar bara haft varsitt besök, när satelliten Voyager 2 flög förbi Uranus 1986 och Neptunus 1989, utrustad med enkla kameror och mätinstrument som utvecklades i början på 1970-talet.

Voyager

Nasas Voyager 2 är den enda farkosten som har varit i närheten av Uranus och Neptunus.

© NASA

Därför är informationen som astronomerna har begränsad till de båda planeternas banor, storlek, densitet och magnetfält. Utifrån dessa skrala kunskaper har forskarna skapat modeller av planeternas inre och deras atmosfärer, men det är bara beräkningar som omöjligen kan verifieras från jorden.

Frågorna kring de två jättarna samlas alltså fortfarande på hög. Det enda sättet att hitta svar är att skicka ut nya satelliter till de två isjättarna. Det har hittills bara varit framtidsvisioner, men nu står snart den amerikanska rymdstyrelsen Nasa redo att genomföra den ultimata resan i solsystemet.

I en 500 sidor lång rapport har ingenjörer och planetforskare sedan 2015 arbetat med att välja rutter och utveckla rymdfarkoster som ska föra oss till solsystemets yttersta planeter. Men tiden är knapp eftersom avresan från jorden måste ske inom 15 år.

Fyra alternativa uppdrag

I rapporten har Nasa skissat på fyra möjliga uppdrag som samtliga besöker en av de två isjättarna. Ur forskningsmässig synvinkel vore den perfekta lösningen att skicka upp två satelliter som lägger sig i omlopp runt var sin planet, eftersom de båda jättarna inte är identiska och därmed kan ge olika kunskaper.

Uranus och dess 27 månar utgör sannolikt ett ursprungligt månsystem, vilket är det typiska för isjättar, medan Neptunus månar troligen spreds eller krossades när planeten fångade in dvärgplaneten Trito – som nu är den största i ett system som omfattar 14 månar. Ekonomiskt sett är dock det mest realistiska ett uppdrag som bara besöker en av planeterna.

5 vägar leder till Solsystemets utkant

Nasa har räknat på flera hundra resrutter som kan skicka ut satelliter till isjättarna, och rymdstyrelsen har utsett de fem bästa uppdragen som är genomförbara. Högt uppe på listan återfinns en satellit som lägger sig i omlopp runt Uranus och skickar ned en sond genom atmosfären.

Favoriten: Satellit och sond utforskar Uranus

Satelliten lägger sig i omlopp runt Uranus och en sond skickas ned genom atmosfären. Satelliten samlar in data om den inre uppbyggnaden och dynamiken samt systemet av månar och ringar, medan sonden samlar in detaljerad information om atmosfären.

  • Farkost: Satellit och en atmosfärisk sond.
  • Uppskjutning: 25 maj 2031.
  • Ankomst: 17 maj 2043.
  • Pris: 16 miljarder kronor.
Oliver Larsen

Falkögat: Satellit lägger sig i omlopp runt Uranus

Satelliten är utrustad med fler instrument än favoriten, men har inte med sig någon atmosfärisk sond. Farkosten kan leverera detaljerade data om isplanetens inre uppbyggnad och dynamik samt dess månar och ringar, men kan bara utföra mätningar av atmosfären på håll.

  • Farkost: Satellit med fler vetenskapliga instrument.
  • Uppskjutning: 25 maj 2031.
  • Ankomst: 17 maj 2043.
  • Pris: 18,7 miljarder kronor.
Oliver Larsen

Billigaste: Satellit flyger förbi Uranus

Den billigaste lösningen är en satellit som flyger förbi Uranus, men inte lägger sig i omlopp. Satelliten kan avslöja den inre uppbyggnaden och dynamiken, men inte undersöka systemet av månar och ringar lika väl som en satellit i omlopp. En sond kommer däremot nära atmosfären.

  • Farkost: Satellit och en atmosfärisk sond.
  • Uppskjutning: 16 april 2030.
  • Ankomst: 15 april 2040.
  • Pris: 14 miljarder kronor.
Oliver Larsen

Lyxmodellen: Ny jätteraket skickar upp två satelliter

Forskarnas stora dröm är ett uppdrag som skickar satelliter till Uranus och Neptunus med ­samma raket, exempelvis Nasas nya SLS-raket. Dubbeluppdraget ska ge den bästa vetenskapliga utdelningen, eftersom jättarna skiljer sig åt och observationer av båda därför ger en komplett bild

  • Farkost: Två satelliter.
  • Uppskjutning: 13 februari 2031.
  • Till Uranus: 6 april 2042.
  • Till Neptunus: 9 januari 2044.
  • Pris: 33–34 miljarder kronor.
Oliver Larsen

Långresenären: Satellit och sond åker nära Neptunus

En satellit och en atmosfärisk son­d skickas till Neptunus. Utrustningen är identisk med den som skickas till Uranus och kan ge samma data om ­Neptunus. Det är den enda satelliten med sol-paneler. Panelerna ska öka hastigheten på resan fram till Jupiter.

  • Farkost: Satellit och en atmosfärisk sond.
  • Uppskjutning: 28 mars 2030.
  • Ankomst: 28 april 2043.
  • Pris: 18,6 miljarder kronor.
Oliver Larsen

Två av Nasas alternativ är förvillande lika varandra, men besöker var sin planet. Utgångspunkten är en satellit som lägger sig i omlopp runt isjätten och skickar ned en sond genom planetens atmosfär.

Eftersom båda uppdragen är vetenskapligt värdefulla blir resan till Uranus en uppenbar favorit. Med ett avstånd på 4,5 miljarder ­kilometer från jorden blir resan till Neptunus avsevärt längre än till Uranus, som bara kräver två tredjedelar av den resan. Det går alltså snabbare och är billigare att skicka en satellit till den sistnämnda planeten.

Det tredje alternativet är att skicka en större satellit med extra instrument i omlopp runt Uranus, utan någon sond att skicka ned i atmosfären. Och det fjärde alternativet är en satellit som utan att lägga sig i omlopp flyger förbi Uranus och släpper ned en sond i atmosfären på vägen.

Fördelen med en satellit i omlopp är, förutom den längre observationstiden, att astronomerna kan följa upp intressanta fenomen som satelliten avslöjar under sitt första varv.

Ett förbiflygande uppdrag är billigare men kan ändå besvara de flesta av forskarnas frågor. Det visade New Horizons när satelliten flög förbi Pluto 2015 och för evigt förändrade forskarnas bild av dvärgplaneten.

Nasa har ännu inte bestämt om rymdstyrelsen ska verkställa något uppdrag – och vilket alternativ valet i så fall faller på.

Men beslutet måste fattas snart, för under perioden 2029 till 2034 befinner sig Jupiter i en position som gör att planetens extrema gravitationsfält kan slunga ut satelliterna till isjättarna i så hög hastighet att de kommer fram till Uranus på bara elva år och till Neptunus på 13 år.

För att utnyttja den möjligheten måste konstruktionen av satelliterna inledas inom ett par år – annars får forskarna vänta till omkring 2050. Det blir nödvändigt eftersom de två jättarna inte bara är solsystemets minst utforskade planeter utan också den viktigaste nyckeln till att förstå planetsystem utanför solsystemet.

Upptäckten av mer än 3 000 exoplaneter har visat att isjättar är den vanligaste planettypen, men astronomer vet ännu inte varför.

Isjättarnas födelse är en gåta

En av de frågor som astronomerna är mest intresserade av att få besvarade handlar om hur Uranus och Neptunus har bildats. Planeterna kan knappast ha blivit till i sina nuvarande banor, eftersom det moln av damm och gas som i sådana fall födde planeterna var för tunt – och innehöll för lite byggmaterial – för att bygga isjättarna på plats.

En allmänt accepterad teori går ut på att de båda planeterna bildades mellan Saturnus och Uranus nuvarande banor. Gasplaneterna – Jupiter och Saturnus – landade i sina fasta banor för fyra miljarder år sedan medan Uranus och Neptunus slungades ut till solsystemets utkant.

Resan var dramatisk – inte minst för Uranus, som i dag roterar runt sin ekvator, medan solsystemets övriga planeter roterar runt polerna. Forskarna tror att fenomenet uppstod för att Uranus på sin väg genom solsystemet krockade med ett stort objekt och att kollisionen helt enkelt välte omkull isjätten.

Isjättarna har hemligheter

1 / 5

undefined

12345

Hittills har bara en farkost — Voyager 2 — varit i närheten av de två isjättarna i solsystemets utkant. Voyager 2 flög förbi och tog bilder av Uranus 1986 och Neptunus 1989. Men de korniga bilderna avslöjade inte mycket och de två jättarna kan fortfarande lösa några av solsystemets största gåtor.

© Diego Barucco/Alamy/ImageSelect

Astronomerna ska testa teorin om isjättarnas ursprung med en satellit som mäter de båda planeternas sammansättning av grundämnen, och sedan jämföra resulaten. Det visar om de fyra stora planeterna har bildats i samma miljö.

Observationerna ger samtidigt unik information om det damm- och gasmoln som födde de fyra yttersta planeterna. Isjättarnas atmosfärer innehåller sannolikt molnets ursprungliga gaser eftersom de kretsar i solsystemets kalla utkant där de flyktiga gaserna knappast kan ha avdunstat från deras atmosfärer.

När Uranus och Neptunus slungades ut i sina nuvarande banor hade de redan förlorat striden om byggmaterial i solsystemets barnkammare. Samtliga fyra yttre planeter bildade snabbt stora kärnor eftersom de uppstod utanför frostgränsen.

I solsystemets utkant byggdes kärnorna inte bara av järn, nickel och sten som de inre planeterna utan även av is och vatten, metan och ammoniak. När en planetkärna når upp till 15 jordmassor, accelererar tillväxten och den tunga kärnan suger åt sig mängder av gas.

Jupiter passerade först den kritiska punkten och sög därför åt sig 71 procent av områdets gas. Saturnus kom i mål som tvåa och knyckte 21 procent, medan Uranus bara fick tre procent och Neptunus fyra.

Voyager neptun

Neptunus, såsom Voyager 2 såg planeten 1989.

© NASA

Därför har de två isplaneterna i dag en annan sammansättning än gasplaneterna. Jupiter och Saturnus består av 85 procent gas, tio procent is och fem procent kärna. I Uranus och Neptunus utgör gas bara tio procent, medan 65 procent är is och 25 procent stenkärna.

Astronomer testar ny metod

Temperaturen ute i isjättarnas hemvist ligger under 200 minusgrader, men trots det är de inte djupfrysta. Enligt teorin är trycket i deras inre så högt att temperaturen stiger från cirka 100 grader längst ut på istäcket till över 4 700 grader i kärnan av järn och sten. Isen i det skiktade istäcket är flytande och mestadels joniserat, vilket innebär att vattnet är elektriskt laddat.

Voyager uranus

Uranus, såsom Voyager 2 såg planeten 1986.

© NASA

Ett nytt försök på Lawrence Livermore National Laboratory i USA tyder på att det nedre lagret i istäcket är superjoniserat vatten, där syreatomer bildar en fast kristallstruktur medan vätet flyter fritt. Forskare har återskapat plasmatillståndet genom att pressa ihop is i en diamanttryckcell för att sedan öka trycket till två miljoner atmosfär genom att beskjuta isen med kraftiga laserstrålar.

I ett annat försök utsattes en kol-haltig plast för samma behandling, varpå kolet utsöndrades och pressades ihop till nanodiamanter. Forskare tror att samma sak sker i långt större skala med kolhaltigt metan underst i isplaneternas istäcken, så att diamanter regnar ned på stenkärnan och bildar ett lager av flytande diamant.

Trots detta är modellen av planeternas inre fortfarande bara teorier. Satellitens främsta uppgift blir därför att avslöja den inre uppbyggnaden och dynamiken.

Farkoster finns kvar på rit­bordet

1 / 5

undefined

12345

Nasa har redan formgivit farkosterna till uppdragen, men de har ännu inte byggts. I favorituppdraget till Uranus skickas en sond ned i atmosfären innan satelliten påbörjar sitt omlopp. Sonden är skyddad av en värmesköld och hastigheten sänks med fallskärmar så att sonden kan mäta utan att brinna upp.

© Claus Lunau

De inre lagren rekonstrueras utifrån gravitationsmätningar som visar variationer i planetens gravitationsfält. Nasa satsar på att belysa istäckets dynamik med hjälp av en seismologisk metod som tidigare har använts framgångsrikt på solen.

Där har så kallade dopplerkameror mätt upp rytmiska svängningar på ytan och avslöjat rörelserna i solens inre. Mätningarna kan lösa fler av isjättarnas största gåtor. En av dem är varför deras magnetfält är så kaotiska jämfört med andra planeters, exempelvis jordens.

© G. Schubert & K.M. Soderlund

Det är så välordnat att det liknar fältet från en stavmagnet medan Uranus och Neptunus har flera regionala fält förutom huvudfältet mellan polerna. Forskare tror att de kaotiska fälten bildas nära ytan i det flytande och elektriskt ledande islagret överst i istäcket. Bara nära satellitobservationer kan avslöja om det stämmer eller inte.

Doppler- och gravitationsmätningar kan även förklara varför Uranus är solsystemets kallaste planet, trots att Neptunus befinner sig en och en halv miljard kilometer längre bort från solen och får 40 procent mindre solljus.

Det kan bero på att Uranus istäcke har ett okänt lager som håller kvar den utsipprande värmen från kärnan och förhindrar att den når atmosfären. Men forskarna vet inte riktigt vad det beror på. Astronomerna saknar också detaljerad information om isjättarnas atmosfär, som de enklast besvarar genom att skicka ned en sond under molnen som utför mätningar på plats.

Satellit kretsar runt Uranus i två år

Satelliten placeras i en lätt oval bana där den kretsar runt Uranus i två år. Under 75 av dagarna kommer satelliten nära isjätten och utför där de viktigaste observationerna.

Då är Neptunus extra intressant, eftersom atmosfären bildar solsystemets kraftigaste orkaner som blåser med en hastighet på upp till 2 200 kilometer i timmen.

Lyxmodell spränger budgeten

Nasas arbetsgrupp har arbetat inom en ekonomisk ram på cirka 18,9 miljarder kronor per uppdrag. Det billigaste alternativet är en förbiflygning till Uranus, som kan genomföras för 14 miljarder, medan en resa till Neptunus med en satellit i omlopp kommer att kosta 18,7 miljarder kronor.

Gruppen har också räknat på hur mycket det kostar att skicka upp två satelliter samtidigt med Nasas nya stora bärraket, Space Launch System (SLS), som står klar 2031 då uppskjutningen är planerad.

Priset kommer att hamna på cirka 33-34 miljarder kronor, men det europeiska rymdorganet ESA kan kanske bidra eftersom de har skrotat sina egna planer på att skicka satelliter till is-jättarna. Två samtidiga uppdrag till Uranus respektive Neptunus ger naturligtvis den bästa vetenskapliga utdelningen och är definitivt planetforskarnas stora dröm. Om den går i uppfyllelse får vi snart veta.

Läs också:

Rymdresor

NASA erövrade rymden

5 minuter
ISS

360-gradersvideo tar med dig på rymdvandring

1 minut
Neptune_solar system theme
Solsystemet

Neptunus: Stormig isjätte

3 minuter

Logga in

Fel: Ogiltig e-postadress
Lösenord behövs
VisaDölj

Redan prenumerant? Prenumererar du redan på tidningen? Klicka här

Ny användare? Få åtkomst nu!