Rátal s ňou už Kepler v 16. storočí, objavená bola v 19. storočí a v marci 2015 k nej priletela sonda Dawn.
Umelecká predstava sondy Dawn vyžarujúcej modré svetlo. Zdroj: NASA
Ceres je najväčšie teleso v páse asteroidov medzi Marsom a Jupiterom a súčasne najlepší kandidát na štúdium hmoty v stave najviac pripomínajúcom pôvodný materiál, z ktorého sa pred 4,7 miliardy rokov vytvorili telesá slnečnej sústavy.
Ceres – očakávaný a predsa náhodný objav
Vzdialenosť medzi planétami Mars a Jupiter je taká veľká, že už Johannes Kepler (1571 – 1630) predpokladal v tejto oblasti existenciu ďalšieho telesa. Tento názor sa veľmi rozšíril medzi astronomickou verejnosťou 18. storočia ako dôsledok objavu nemeckého matematika a astronóma Johanna Daniela Titiusa (1729 – 1796), ktorý si všimol, že rozloženie veľkých polosí planét nie je náhodné, ale vyhovuje zákonitostiam, ktoré možno popísať vzťahom an = 0,3 x 2n + 0,4 ( n = – ∞, 0, 1, 2, 3, 4, 5, 6).
Vzťah, ktorý zverejnil riaditeľ berlínskej hvezdárne Johann Elert Bode (1747 – 1826), je dnes známy ako Titius-Bodeho zákon.
Stredná vzdialenosť planét od Slnka v astronomických jednotkách (au).
Vidíme, že zodpovedajúce hodnoty sa líšia o menej ako o 5 percent a k hodnote 2,8 au nebolo možné priradiť koncom 18. storočia žiadne teleso. Vzdialenosť planéty Neptún do tejto schémy nezapadá, ale koncom 18. storočia sa o jej existencii ešte nevedelo, objavená bola až v roku 1846. Pravidlo tak prekrásne súhlasilo s astronomickou praxou tohto obdobia.
Prvá pozorovacia kampaň v dejinách astronómie
Onedlho po zverejnení Titiusovho vzťahu vyslovil Bode hypotézu o existencii neznámej planéty medzi Marsom a Jupiterom. A tak zorganizoval viedenský astronóm Franz Xaver von Zach (1754 – 1832) v roku 1796 medzinárodnú konferenciu, na ktorej si európske hvezdárne rozdelili oblohu v oblasti zvieratníkových súhvezdí s cieľom nájsť chýbajúcu planétu medzi Marsom a Jupiterom. Viera v platnosť Titius-Bodeho zákona bola dostatočne veľká na to, aby vyvolala prvú pozorovaciu kampaň v dejinách astronómie. Akcia však úspešná nebola.
Chýbajúce teleso objavil celkom náhodne pri pozorovaní hviezd pre nový hviezdny katalóg taliansky astronóm Giuseppe Piazzi (1746 – 1826) v Palerme v prvú noc 19. storočia, teda 1. januára 1801. Nové kozmické teleso sa podobalo hviezde – nemalo kotúčik –, z čoho Piazzi správne usúdil, že ide o teleso malých rozmerov.
Piazzi ho pozoroval až do polovice februára, keď sa uhlovo priblížilo k Slnku a hrozilo, že vzhľadom na krátky pozorovaný úsek nebude možné vypočítať jeho dráhu a teleso sa stratí.
Giuseppe Piazzi a ďalekohľad, ktorým bola objavená Ceres. Zdroj: Palermo Astronical Observatory
Hviezde podobný
Nemecký matematik Carl Friedrich Gauss (1777 – 1855) vyvinul novú výpočtovú metódu a určil heliocentrickú dráhu novoobjaveného telesa. Na základe jeho výpočtov Heinrich Wilhelm Olbers (1758 – 1840) presne po roku, čiže 1. januára 1802, opäť našiel Ceres.
Pre nové teleso sa začali používať názvy malá planéta, planétka alebo asteroid, čo znamená hviezde podobný. Vypočítaná hodnota veľkej polosi dráhy nového telesa bola 2,77 au. Zhoda s očakávanou hodnotou 2,8 au bola nad všetky očakávania, a tak neboli žiadne pochybnosti o objave chýbajúcej planéty a platnosti Titius-Bodeho zákona.
Ceres – obor medzi trpaslíkmi
Teóriu o chýbajúcej planéte však rýchlo naštrbili ďalšie objavy, keď boli v rokoch 1802 – 1807 objavené ďalšie 3 asteroidy (Pallas, Juno a Vesta), všetky v takmer rovnakej vzdialenosti od Slnka.
Počet objavov, najmä po zavedení fotografie, rýchlo pribúdal. K 4. februáru 2023 je očíslovaných (so spoľahlivou dráhou) viac ako 620 000 asteroidov. Až 97 percent z nich sa nachádza v hlavnom páse vo vzdialenostiach 1,8 až 4,0 astronomických jednotiek od Slnka.
Ceres sa tak stala z chýbajúcej planéty najväčším telesom v pásme asteroidov. A 24. augusta 2006 sa rozhodnutím kongresu Medzinárodnej astronomickej únie zmenila na trpasličiu planétu. Je to jediné teleso vnútri dráhy Neptúna, ktoré spĺňa novozavedenú definíciu trpasličej planéty. Tá vyžaduje, aby trpasličia planéta obiehala okolo Slnka, mala dostatočnú hmotnosť na to, aby nadobudla takmer guľový tvar, nebola vo svojom okolí dominantná a nebola mesiačikom iného telesa.
Dráhové a fyzikálne parametre
Sklon roviny dráhy k rovine ekliptiky je 10,6º. Ceres patrí k najtmavším známym telesám v slnečnej sústave s albedom len 9 percent a s priemermi 975 x 909 km. Jej hustota je 2 160 kg/m3, čo je menej ako polovica hustoty Zeme. Rotačná perióda je 9,075 hodiny, amplitúda svetelných zmien spôsobených rotáciou dosahuje až 0,04 magnitúdy. Ceres je viditeľná už v malom ďalekohľade, jej jasnosť v opozícii dosahuje 7,4 magnitúdy. Ceres síce patrí k malým telesám slnečnej sústavy, ale je dosť hmotná na to, aby v nej prebehla gravitačná diferenciácia. Dôsledkom je kvázisférický tvar, uloženie hustejšieho materiálu v jadre a redšieho bližšie k povrchu.
Podľa našich dnešných predstáv má Ceres diferencované vnútro, ktoré sa skladá z kamenného jadra a ľadového plášťa. Tento 100 km hrubý plášť (23 percent – 28 percent celkovej hmotnosti a 50 percent objemu trpasličej planéty) obsahuje 200 miliónov kubických kilometrov vody, čo je viac než celá neviazaná voda na Zemi (jazerá, rieky, moria, oceány, atmosférická para a voda v podzemných rezervoároch).
Povrch je všeobecne veľmi tmavý, odráža len 9 percent svetla. Keby sme ho mali prirovnať k pozemským materiálom, najviac sa podobá na čerstvý asfalt. Svetlé škvrny, ktoré sa na ňom vyskytujú, sú v širokom intervale jasností, najsvetlejšie oblasti odrážajú asi 50 percent slnečného svetla.
Štúdium teploty povrchu ukázalo veľké rozdiely, teplota sa v blízkosti rovníka pohybuje od 180 kelvinov po 240 kelvinov. Toto meranie nastolilo pred vedcov veľký problém. Teploty v blízkosti rovníka sú totiž vo všeobecnosti príliš vysoké na dlhodobé udržanie ľadu s vysokým obsahom solí.
Pozorovanie z vesmíru
Keďže z kozmického hľadiska ide o teleso malé a od Zeme veľmi vzdialené, jeho pozorovania nepriniesli veľa poznatkov. Vznikol preto projekt vesmírnej sondy Dawn na preskúmanie dvoch najhmotnejších telies v páse asteroidov – asteroidu Vesty a trpasličej planéty Ceres.
Projekt vesmírnej sondy Dawn sa nazýva aj Cestou k začiatkom slnečnej sústavy. Dôvody, prečo táto cesta vedie do pásu asteroidov, sú dva.
Po prvé malé telesá slnečnej sústavy – asteroidy a kométy –, sú vzhľadom na svoje rozmery a vývoj najnádejnejšími miestami z hľadiska zachovania hmoty v stave najviac pripomínajúcom pôvodný materiál, z ktorého sa telesá slnečnej sústavy pred 4,7 miliardy rokov vytvorili.
Po druhé očakávame, že sa najväčšie telesá v páse asteroidov (možno len samotná trpasličia planéta Ceres) zachovali v pôvodne sformovanej veľkosti, kým menšie telesá pásu sú produkty niekoľkonásobných zrážok a rozpadov.
Ceres zo vzdialenosti 83 000 km v zábere sondy Dawn z 12. februára 2015. Časový odstup medzi snímkami je približne 10 hodín. Zdroj: NASA/JPL-Caltech/UCLA/MPS/DLR/IDA
Ceres s hmotnosťou 9,5 x 1020 kg predstavuje až 32 percent hmotnosti všetkých asteroidov, Vesta s hmotnosťou 2,7 x 1020 kg len 9 percent celkovej hmotnosti. Kým Vesta je typický predstaviteľ kamenných telies, Ceres obsahuje nezanedbateľné množstvo vodného ľadu. Vesta má na podobných dráhach s predpokladaným spoločným vývojom veľkú rodinu menších asteroidov, Ceres príbuzné asteroidy nemá. Pritom tieto rozdiely vznikli v prípade telies, ktorých vývoj prebiehal blízko jedno vedľa druhého. Poslaním sondy Dawn bolo preto aj skúmanie, prečo sa tieto blízke telesá vyvinuli v také rozdielne svety.
Sonda Dawn priletela k trpasličej planéte 6. marca 2015 a postupne sa približovala k povrchu. V decembri 2015 získala snímky z výšky 385 km s rozlíšením 35 metrov na pixel.
Povrch trpasličej planéty Ceres
V prospech ľadového povrchu hovorí neprítomnosť akýchkoľvek výrazných povrchových útvarov. Všetky pozemské pozorovania hovoria o veľkej povrchovej homogenite. Najpodrobnejšia štúdia bola urobená pomocou VLT ďalekohľadu Európskeho južného observatória, kde sa vďaka excelentným pozorovacím podmienkam dosiahlo rozlíšenie až 75 km.
Pri analýze týchto pozorovaní sa nenašli žiadne variácie jasnosti prevyšujúce 3-percentnú chybovú hladinu. Známych bolo 11 rozoznateľných takzvaných albedových útvarov na úrovni asi 2-percentnej variácie jasnosti, ktorých podstatu sme však nepoznali.
Ceres – mapa vytvorená Dawnom odhaľuje rozmanitosti povrchu. Zdroj: NASA/JPL-Caltech/UCLA/MPS/DLR/IDA
Zo snímok, ktoré vznikli počas približovania Dawnu k trpasličej planéte, bola vytvorená farebná mapa povrchu tohto nebeského telesa. Vidíme na nej veľkú rozmanitosť, pričom tieto veľké rozdiely v morfológii svedčia o aktivite v dávnej minulosti.
Chris Russell, vedúci celého projektu Dawn, povedal: „Táto trpasličia planéta nebola len inertným kusom skaly. V minulosti bola aktívna, čo viedlo k usadeniu rôznych materiálov v rôznych oblastiach.“
Impaktný kráter Kupalo s odkrytými depozitmi solí. Kráter má priemer 26 km, pomenovaný je podľa slovanského boha úrody. Zdroj: NASA – Dawn
So získavaním detailnejších snímok povrchu sa postupne začalo pomenovávanie najnápadnejších útvarov. Medzinárodná astronomická únia prijala pravidlo, že útvary na trpasličej planéte Ceres budú pomenované po božstvách a javoch spojených s poľnohospodárstvom, keďže Ceres je bohyňa poľnohospodárstva a úrody.
Na rozdiel od veľkoškálových snímok, kde povrch vyzerá veľmi homogénne, pri detailných záberoch z obežnej dráhy Dawnu je povrch veľmi rôznorodý od hladkého cez zvrásnený až po oblasti s veľkými nerovnosťami.
Mnohé krátery majú ploché dno, čo môže znamenať, že sú vyplnené ľadom, ktorý tam pritiekol vo forme vody dodatočne a stuhol vysoko nad pôvodným impaktným dnom. Na niektorých miestach povrchu sú viditeľné zlomy, čo sú charakteristické znaky tektoniky. Pozorovania tiež naznačujú, že Ceres bola v nedávnej minulosti, keď sa na jej povrch vyliala soľanka a ukladali sa soli, geologicky aktívna.
Jasné škvrny v kráteri Occator
Na základe pozorovaní Dawnu vedci pokročili aj pri hľadaní odpovede na otázku, aká je podstata dvoch jasných škvŕn vnútri krátera Occator, ktoré objavil Hubblov vesmírny ďalekohľad už pred desaťročím. Škvrny boli mimoriadne nápadné aj počas približovania Dawnu, a tak sa vedci sústredili na hľadanie odpovedí. Dve možné vysvetlenia uverejnené v prestížnom časopise Nature určite sklamali početnú facebookovskú komunitu, ktorá očakávala svetlá cudzích miest, sú napriek tomu z vedeckého hľadiska senzačné.
Mimoriadne jasná škvrna na dne krátera Occator je sprevádzaná sublimáciou vodného ľadu. Autori dospeli k záveru, že pod ľadovou kôrou by mohol byť ukrytý obrovský oceán tekutej vody. Odhady hovoria o objeme 25 percent vody v plášti trpasličej planéty Ceres, čo predstavuje väčšie množstvo tekutej vody, než je obsah všetkých pozemských oceánov.
Ceres, v strede kráter Occator s jasnými škvrnami. Zdroj: NASA – Dawn
Druhou možnosťou je, že škvrny obsahujú prchavé látky bohaté na amoniak. Ak by sa dnes vyskytoval amoniak na povrchu vo forme čistého zmrznutého čpavku, ihneď by sa odparil, pretože trpasličia planéta je príliš teplá. Avšak molekuly amoniaku môžu byť stabilné, ak sú chemicky naviazané na iné minerály. Amoniak sa nachádza v slnečnej sústave prevažne vo veľkých vzdialenostiach od Slnka. To môže znamenať, že materiál z vonkajšej slnečnej sústavy sa stal súčasťou trpasličej planéty Ceres buď v priebehu jej formovania vo veľkých vzdialenostiach od Slnka, alebo zabudovaním prepravovaného materiálu do exitujúceho telesa už v hlavnom páse asteroidov. Možnosť, že Ceres vznikla vo vzdialenosti Neptúna a neskôr migrovala na súčasnú pozíciu, je obrovským prekvapením.
Pri skúmaní týchto škvŕn sa ale podaril mimoriadne zaujímavý objav. Hoci škvrny ležia na dne krátera, ukázalo sa, že sú viditeľné hneď, ako sa kráter vďaka rotácii objaví na obzore. Pritom by mali byť pod úrovňou kráterového valu, teda neviditeľné.
Zjasňujú sa a hasnú
Je zrejmé, že v skutočnosti musia byť vertikálne nad okrajom krátera – ako vysvetlenie sa ponúka nejaký plyn alebo para. Počas dňa sa nahrievaním škvrny zjasňujú, počas súmraku hasnú a neskôr úplne zmiznú. Hoci nemožno urobiť definitívne závery, veľmi to pripomína kometárnu aktivitu, ktorá tiež prebieha len na dennej, Slnkom osvetlenej, strane kometárneho jadra. Podľa analógie by teda mohli byť jasné škvrny plynné prúdy sublimujúcich ľadov, či už vodného ľadu, alebo i prchavejších látok.
Herschelov vesmírny ďalekohľad i samotná sonda Dawn pozorovali uvoľňovanie vodnej pary z povrchu Ceres. To, že molekuly vody z rôznych zdrojov môžu byť uväznené v miestach s trvalým tieňom v blízkosti pólov, vieme už z prieskumov Mesiaca a Merkúra.
Molekuly vody uvoľnené z povrchu po čase znovu dopadnú na iné miesto a môžu takto skákať po povrchu až do chvíle, keď dopadnú na miesto v nejakom kráteri, kde nikdy nedopadá slnečné svetlo a žiadny mechanizmus už molekulu k ďalšiemu skoku nezdvihne. Na týchto miestach sa môžu molekuly vody hromadiť a postupne môžu vzniknúť mohutné depozity vodného ľadu.
Na povrchu Ceres je len na severnej pologuli 634 trvale zatienených kráterov so zatienenou plochou viac ako 2000 km2. Dlhé expozície pomocou infračerveného mapovacieho spektrometra našli s istotou charakteristický odtlačok ľadu. Namerané teploty dna zatienených kráterov boli pod -163 °C. Štúdium sa zatiaľ uskutočnilo len na severnej pologuli, keďže na južnej pologuli neboli z hľadiska osvetlenia dobré podmienky.
Kryovulkán Ahuna Mons
Medzi najzaujímavejšie útvary na trpasličej planéte Ceres patrí vysoká hora s názvom Ahuna Mons, ktorá má tvar kupoly s hladkými strmými stenami. Časť jej svahov je pokrytá veľmi svetlým materiálom. S priemernou výškou 4 km a najväčšou výškou nad najstrmším svahom 5 km patrí k najväčším záhadám a zatiaľ o jej formovaní nemáme vyhovujúcu teóriu.
Vedci sa snažili nájsť nejaký útvar na povrchu, ktorý by sa aspoň čiastočne podobal na Ahuna Mons, ale žiadny nie je taký vysoký a dobre definovaný ako táto hora.
Kryovulkán Ahuna Mons. Obrázok vznikol digitálne z mapových podkladov, ktoré získala sonda Dawn. Zdroj: NASA/JPL-Caltech/UCLA/MPS/DLR/IDA
Ahuna Mons je pravdepodobne vulkanického pôvodu, pričom ide o takzvaný kryovulkán. Na rozdiel od bežných vulkánov kryovulkán nevyvrhuje roztavené horniny, ale takzvanú kryomagmu (vodu, oxid uhličitý, amoniak, metán, dusík a podobne) v podobe kvapaliny alebo pary, ktorá bola pôvodne vnútri telesa v zmrznutom stave. Po výbuchu z dôvodu nízkej okolitej teploty kryomagma opäť skondenzuje do pevnej formy.
Impaktné krátery sú určite najhojnejšie sa vyskytujúcim geologickým útvarom na tomto telese a ich rôzne tvary pomáhajú vedcom rozmotať zložité klbko o minulosti trpasličej planéty.
Mnohé krátery sú ohraničené priamkami, čo naznačuje, že kôra je silne roztrieštená. Navyše niekoľko kráterov má na svojich dnách viditeľné lomy. Niektoré tvary kráterov naznačujú prítomnosť vodného ľadu pod povrchom. Dawn ukázal, že Ceres je svet s vodou v jej najrozmanitejších formách, ktorý bol v nedávnej minulosti geologicky aktívny.
Ceres ako astrobiologický cieľ
Ceres sa so svojimi zásobami vody dosť podobá na vonkajšie satelity joviálnych planét. Avšak jej povrchová teplota – až do 240 kelvinov na rovníku –, je v porovnaní so satelitmi o 100 kelvinov vyššia a poskytuje možnosť pre aktivitu z vnútra telesa. V okolí niektorých kráterov na povrchu Ceres bol zistený organický materiál vo forme hydratovaných minerálov obsahujúcich amoniak, vodný ľad, uhličitany a soli.
Ceres má občas aj atmosféru
Ceres má občas aj veľmi slabú, prechodnú atmosféru. Nie je však trvalá a hlavnou hybnou silou, ktorá ju vytvára, je okamžitá aktivita Slnka a nie poloha Ceres v blízkosti perihélia.
Dočasná atmosféra vzniká po zvýšení toku vysokoenergetických slnečných protónov. Tieto častice prúdiace zo Slnka môžu mať energie od 10 keV do viac ako 100 MeV a sú schopné rozprašovať vodný ľad na povrchu alebo blízko neho. Náraz protónov uvoľňuje molekuly vody z povrchu, čo im umožňuje uniknúť a vytvárať jemnú hydroxyl obsahujúcu atmosféru, ktorá môže trvať približne týždeň.
