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.

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.

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

/ 5

Gåta: Hur uppstår de starka vindarna på Neptunus?

Atmosfären på Uranus och Neptunus är troligen tredelad och består främst av väte, helium och metan. I det översta lagret, termosfären, ligger temperaturen på flera hundra plusgrader. Det befinner sig intill ett lager av iskalla moln på flera hundra minusgrader. Den enorma skillnaden skapar, främst på Neptunus, extrema orkaner som kan blåsa i flera år med 2 200 km/h. En atmosfärisk sond kan visa om teorin stämmer.

1

Gåta: Vad består isjättarna av?

De båda isjättarna har enligt teorin en kärna av järn, sten och nickel som utgör en fjärdedel av planetens massa. Runt kärnan ligger ett stort istäcke och ytterst finns en atmosfär av gas. En satellit i omlopp kan testa modellen med hjälp av gravitationsmätningar.

2

Gåta: Hur är istäcket ­uppbyggt?

Istäcket består sannolikt mest av vatten, men innehåller även ammoniak och metan. Vattnet är på grund av höga temperaturer och tryck i ett joniserat tillstånd och elektriskt laddat. Nära kärnan kan vattnet vara i ett superjoniserat tillstånd, så att syreatomer bildar en kristallstruktur, medan väteatomer flyter fritt. Mätningar från en satellit kan visa skiktningen och rörelserna i den flytande och elektriskt laddade isen.

3

Gåta: Varför är Uranus så kall?

Atmosfären på Uranus är kallare än Neptunus, trots att Neptunus mottar mindre solljus och därför borde vara kallare. En möjlig förklaring till Uranus mystiska kyla kan vara att ett okänt gränslager mellan istäcket och atmosfären förhindrar att värmen från planetens inre slipper ut och värmer upp atmosfären. Än så länge handlar det bara om gissningar, men en satellit kan eventuellt lösa gåtan.

4

Gåta: Varför roterar Uranus runt planetens ekvator?

Uranus roterar runt sin ekvator. Det kan bero på att ett stort objekt krockade med planeten för flera miljarder år sedan och välte "omkull" den. I dag har Uranus inga spår av händelsen, men månarna kan vara rester av kollisionen. En satellit kan kanske avslöja spår av den stora smällen på månarna.

5
© 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

/ 5

Magnetometer

mäter gasjättens magnetfält.

1

Fyra gyroskop

håller kvar satelliten i sin bana och förhindrar att variationer i Uranus gravitationsfält gör den instabil.

2

Kamera

fotograferar Uranus yta och det översta molntäcket.

3

Dopplerkamera

ser ytans rörelser genom att mäta det solljus som atmosfären reflekterar ut i rymden. Mätningarna kan bland annat avslöja den inre dynamiken.

4

Atmosfärisk sond

placeras högst upp på satelliten under färden från jorden.

5
© 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.

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.