Expedition till Uranus

Nu återvänder vi till planeternas iskalla outsider

Trettiosex år efter det senaste besöket står Uranus nu överst på Nasas önskelista över resmål i rymden. En ny expedition ska lösa den märkliga isplanetens många mysterier – och svaren kommer att sträcka sig långt utanför vårt eget solsystem.

Trettiosex år efter det senaste besöket står Uranus nu överst på Nasas önskelista över resmål i rymden. En ny expedition ska lösa den märkliga isplanetens många mysterier – och svaren kommer att sträcka sig långt utanför vårt eget solsystem.

Shutterstock & Claus Lunau

Föreställ dig en värld där solen står högt på himlen i 21 år och sedan inte visar sig alls på ytterligare 21 år, en planet som ligger på sidan, så att den emellanåt närmast rullar fram i sin bana runt solen och emellanåt roterar i motsatt riktning till sin omloppsbana – och som det för övrigt är omöjligt att orientera sig på, eftersom magnetfältet är helt kaotiskt.

Så är det på Uranus. Solsystemets näst yttersta planet skiljer sig på en rad områden från alla övriga. I årtionden har astronomerna önskat att de kunde studera den närmare.

Nu ser det äntligen ut som om deras dröm ska gå i uppfyllelse. I en ny rapport rekommenderar USA:s nationella forskningsråd (NRC) en rymdresa till Uranus som Nasas flaggskeppsexpedition på 2030-talet. Tanken är att man ska sända upp en satellit och placera den i omloppsbana runt planeten i flera år, medan en mätsond ska dyka djupt ner i den täta atmosfären.

Rymdsonden färdas i tolv år för att tillryggalägga de närmare tre miljarder kilometerna till Uranus.

Resultaten ska både lära oss mer om vårt eget planetsystem och om solsystem i andra delar av Vintergatan, där det har visat sig att planeter som liknar Uranus är vanligt förekommande.

Nasas tekniker får dock väldigt mycket att göra, för rymdfarkosten måste vara redo för avfärd i början av 2030-talet. Om det inte lyckas tvingas vi vänta i årtionden på nästa chans.

Trettiosex år sedan det senaste besöket

Resan till Uranus blir en av de längsta i rymdfartens historia. Uranus kretsar nämligen 2,88 miljarder kilometer från solen, nästan 20 gånger längre ut än jorden.

Därför är Uranus också en iskall planet. Liksom Neptunus, solsystemets yttersta planet, kallas den för en isjätte. Uranus väger 14,5 gånger mer än jorden och har fyra gånger större diameter.

Endast en gång tidigare har en rymdfarkost kommit nära Uranus. Det var när Voyager 2 passerade planeten på 81 500 kilometers håll år 1986.

Voyager 2 och Uranus, år 1986

Den 24 januari 1986 passerade sonden Voyager 2 Uranus på 81 500 kilometers avstånd. Sedan dess har planeten inte haft något besök.

© Carlos Clarivan/SPL

Sedan dess har astronomerna bara kunnat studera planeten på avstånd, och forskarna har efterlyst bättre observationer än de data som Voyagers enkla instrument levererade.

Sonden bestämde faktiskt bara isjättens färg, storlek, temperatur, densitet och magnetfält. Det krävs mer än så innan forskarna kan lösa planetens många gåtor.

Beslutet om en ny expedition till Uranus kan inte vänta så mycket längre.

Det kommer att ta mellan sju och tio år att bygga rymdfarkosten, som har fått namnet Uranus Orbiter and Probe. Det innebär att det precis kommer att gå att få iväg den under första hälften av 2030-talet.

Vid den tidpunkten ligger Jupiter i linje med Uranus, vilket är avgörande för expeditionen. Med sin gravitation kan Jupiter nämligen slunga ut rymdsonden mot sitt avlägsna mål, så att resan bara tar tolv år. Manövern sparar dessutom mycket bränsle och ger extra plats för instrument.

Nästa chans kommer först i mitten av århundradet, då planeterna står rätt igen.

Två planeter hjälper rymdsonden

Resan till Uranus börjar med en liten omväg förbi Venus. Sedan passerar rymdfarkosten jorden två gånger innan den sätter kurs mot Jupiter, som ger den sista knuffen på vägen mot Uranus.

© Shutterstock & Lotte Fredslund/Claus Lunau

När rymdfarkosten anländer till Uranus kommer den att möta en värld som man skulle kunna säga egentligen inte borde finnas där. Isjättens placering så långt ut i solsystemet utgör nämligen ett mysterium i sig.

Forskarna anser att det är högst osannolikt att Uranus och Neptunus föddes i sina nuvarande banor, eftersom det inte fanns tillräckligt mycket materia så långt ut i det unga solsystemet.

Den förhärskande teorin är att isjättarna bildades närmare solen för att sedan slungas längre ut i solsystemet när gasjättarna Jupiter och Saturnus föll på plats i sina nuvarande banor.

En satellit i omloppsbana kan testa denna teori genom att mäta Uranus innehåll av grundämnen och jämföra resultaten med Jupiter och Saturnus.

Metan färgar planeten blå

Astronomerna tror att Uranus består av en kärna av järn, nickel och sten och att det ovanpå finns en tjock mantel av is, som består av vatten, ammoniak och metan.

Atmosfären består huvudsakligen av väte och helium, men innehåller även ett par procent metan, som ger isjätten dess ljusblå färg, eftersom metan reflekterar blått solljus ut i rymden.

Uranus har två ringar runt ekvatorn och 27 månar. De fem största bildades troligen samtidigt som planeten, medan de övriga kan ha fångats in senare av Uranus gravitationsfält.

Uranus och fem av dess månar

Uranus isblå färg beror på att atmosfären innehåller metan, som reflekterar de blå våglängderna i solens ljus.

© Qai Publishing/Universal Images Group/SPL

Hela systemet skulle se normalt ut om det inte vore för en sak: Uranus har hamnat på sidan, så att rotationsaxeln ligger i nästan samma plan som dess omloppsbana runt solen.

Det tar planeten 84 jordår att tillryggalägga ett varv runt solen, vilket ger bisarrt långa årstider. Sett från en punkt på planeten är solen uppe i 21 jordår, det vill säga en enda lång dag. Under de följande 21 åren växlar ett 17 timmar långt dygn mellan natt och dag och under de därpå följande 21 åren är det en enda lång, mörk natt.

Kollision kan ha vält omkull Uranus

Hur Uranus har fått sin egendomliga rotation är ovisst, men den främsta teorin är att isjätten i solsystemets barndom träffades av en planet med en massa som var omkring dubbelt så stor som jordens.

En sådan kollision skulle vara kraftig nog att välta Uranus. Isjätten uppvisar inte längre några spår av kollisionen, men kanske kan den kommande expeditionen reda ut om några av månarna innehåller material från kollisionen.

Uranus träffas

I sin ungdom kan Uranus ha kolliderat med en planet som var omkring dubbelt så stor som jorden. Det skulle förklara både att Uranus har hamnat på sidan och att planeten är så kall.

© Ron MIller/SPL

Kollisionen kan även ge svar på en annan av Uranus gåtor, nämligen att planeten är kallare än Neptunus. Så borde det inte vara, eftersom Neptunus får 40 procent mindre solljus än Uranus.

Orsaken kan vara att den stora kollisionen närmast punkterade Uranus, så att det mesta av värmen från kärnan avgavs på en gång.

En annan teori är att den liggande rotationen gör polerna varmare än ekvatorn, vilket kan ha ökat planetens värmeförlust. En tredje hypotes är att isjättens kärna fortfarande är varm, men att ett okänt skikt mellan manteln och atmosfären hindrar värmen från att avges.

Faktum är att alla dessa tre teorier är rena spekulationer, men en satellit i omloppsbana kan förmodligen lösa mysteriet.

Fem drömresor i det yttre solsystemet

Ansamling av planeter
© Shutterstock

Expeditioner till solsystemets mest avlägsna planeter kan lära oss mycket om vårt närområde i universum och bland annat visa om det finns förutsättningar för liv på andra platser än jorden. Framför allt fem resmål står högt på astronomernas önskelista.

Samma sak gäller den allra största gåtan som Uranus döljer i sitt inre: det kaotiska magnetfältet.

I huvudfältet har de magnetiska polerna flyttats 59 grader från planetens rotationsaxel, vilket motsvarar att jordens nordpol skulle befinna sig i Europa. Samtidigt har Uranus ett flertal starka regionala magnetfält.

Bägge delar står i stark kontrast till solsystemets fyra stenplaneters och två gasjättars magnetfält, där den magnetiska axeln befinner sig nära rotationsaxeln och där fälten påminner om en stavmagnets välordnade fält.

Fullspäckad med instrument

För att lösa de många mysterierna ska Uranus Orbiter and Probe ta med sig en mängd vetenskapliga instrument. Rymdfarkostens detaljer kan komma att förändras under de närmaste åren, men satellitens och mätsondens övergripande utformning är på plats.

CL, satellit

Rymdfarkosten består av två delar: en satellit (1), som ska placeras i omloppsbana runt Uranus, och en mätsond (2), som ska sändas ner genom atmosfären.

© Claus Lunau

Satelliten har bland annat försetts med fyra gyroskop, som ska användas för att undersöka Uranus inre uppbyggnad. Det sker med hjälp av tyngdkraftsmätningar, där gyroskopen registrerar hur variationer i isjättens gravitationsfält påverkar satellitens omloppsbana.

En magnetometer ska kartlägga isjättens kaotiska magnetfält, medan satellitens kamera ska fotografera Uranus yta och molntäcke.

En dramatisk höjdpunkt blir när satelliten efter ankomsten släpper ner mätsonden, som ska dyka genom atmosfären.

När rymdfarkosten placeras i omloppsbana runt Uranus sänder den ner en mätsond på självmordsuppdrag genom atmosfären.

Steg1, värmesköld skyddar sonden
© Claus Lunau

1. Värmesköld skyddar sonden

Sonden möter atmosfären i en hastighet av 22,5 kilometer i sekunden. En värmesköld skyddar den dock från att brinna upp. Efter 96 sekunder fäller sonden ut den första av totalt tre fallskärmar.

Steg2, två planeter hjälper till
© Claus Lunau

2. Fallskärmarna sänker farten

Den första lilla fallskärmen drar ut en större fallskärm ur sonden. Efter 103 sekunder har farten minskat så mycket att sonden klarar sig utan värmeskölden, som då lossas.

Steg3, två planeter hjälper till
© Claus Lunau

3. Tre minuters mätningar börjar

Efter 27 minuter byts den stora fallskärmen ut mot en ny. Först nu börjar mätningarna. Tre minuter senare, när sonden har nått 1 000 kilometer ner bland molnen, dukar den under för trycket.

Sonden innehåller ett paket med sensorer, som mäter temperatur, tryck och densitet. Samtidigt bestämmer en masspektrometer atmosfärens exakta innehåll av väte, helium och metan.

Den välutrustade expeditionen kommer utan tvivel att ge en mängd olika data, som kommer att lära oss mycket om Uranus. På köpet kommer vi att få veta mer även om andra solsystem.

Astronomerna har nu upptäckt över 5 000 planeter kring främmande stjärnor, och hela 40 procent av dem är isjättar. Därför är det viktigt att ta reda på hur de bildas och vilken funktion de fyller i utvecklingen av solsystem.

På så vis kan vi också få veta hur likt vårt solsystem är andra och därmed hur speciellt vårt hem i universum är.