ŠtudentEdini pravi spletni portal za mlade

Znanstveniki domnevajo, da je izgubljena Saturnova luna, ki so jo poimenovali Chrysalis, vlekla planet, dokler se ni raztrgala, oblikovala prstane in prispevala k Saturnovemu nagibu.

Planeta nekoč morda sinhroizirana

Saturnovi obroči, ki se vrtijo okoli planetovega ekvatorja, so jasen znak, da se planet vrti pod naklonom. Orjaški planet se vrti pod kotom 26,7 stopinje glede na ravnino, v kateri kroži okoli Sonca. Astronomi že dolgo sumijo, da je ta nagib posledica gravitacijskih interakcij s sosednjim Neptunom, saj se Saturnov nagib kot vrteči se vrh vrti skoraj enako hitro kot Neptunova orbita.

Vendar je nova modelna študija, ki so jo opravili astronomi na MIT (Massachusetts Institute of Technology) in drugod, pokazala, da sta bila planeta nekoč morda sinhronizirana, vendar se je Saturn od takrat Neptunovi privlačnosti izognil. Kaj je povzročilo to prerazporeditev planetov? Ekipa ima eno skrbno preizkušeno hipotezo: manjkajoča luna.

Saturn nekoč imel 84 lun

V študiji ekipa predlaga, da je Saturn, ki danes gosti 83 lun, nekoč skrival vsaj še eno, dodaten satelit, ki so ga poimenovali Chrysalis. Raziskovalci domnevajo, da je Chrysalis skupaj s svojimi sorodniki krožil okoli Saturna več milijard let ter ga vlekel in vlekel tako, da je ohranjal njegov nagib ali v sozvočju z Neptunom.

Po ocenah ekipe pa je pred približno 160 milijoni let Chrysalis postal nestabilen in se je preveč približal svojemu planetu, pri čemer se je satelit raztrgal. Izguba lune je bila dovolj, da se je Saturn iztrgal iz Neptunovega objema in dobil današnji naklon.

Poleg tega raziskovalci domnevajo, da je večina Chrysalisovega razbitega telesa morda trčila v Saturn, vendar bi lahko del njegovih fragmentov ostal viseti v orbiti in se sčasoma razbil na majhne ledene koščke, ki so tvorili značilne prstane planeta.

Manjkajoči satelit bi tako lahko pojasnil dve dolgoletni skrivnosti: Saturnov današnji nagib in starost njegovih obročev, ki so bili doslej ocenjeni na približno 100 milijonov let – veliko mlajši od samega planeta.

»Tako kot metuljeva krilca je bil ta satelit dolgo časa v mirovanju, nato pa je nenadoma postal aktiven in obročki so se pojavili,« pravi Jack Wisdom, profesor planetarnih znanosti na MIT in glavni avtor nove študije.

Trenutek napredka

V začetku leta 2000 so znanstveniki predstavili zamisel, da je Saturnova nagnjena os posledica tega, da je planet ujet v resonanco ali gravitacijsko povezavo z Neptunom. Toda opazovanja Nasine sonde Cassini, ki je okoli Saturna krožila med letoma 2004 in 2017, so v problem vnesla nov preobrat. Znanstveniki so ugotovili, da se Titan, Saturnov največji satelit, oddaljuje od Saturna hitreje, kot je bilo pričakovano, in sicer s hitrostjo približno 11 centimetrov na leto. Zaradi hitrega preseljevanja Titana in njegovega gravitacijskega privlaka so znanstveniki sklepali, da je luna verjetno odgovorna za nagibanje in ohranjanje Saturna v resonanci z Neptunom.

Toda ta razlaga je odvisna od ene velike neznanke: Saturnovega vztrajnostnega momenta, ki pomeni, kako je masa razporejena v notranjosti planeta. Saturnov nagib bi se lahko obnašal različno, odvisno od tega, ali je snov bolj skoncentrirana v njegovem jedru ali proti površju.

»Da bi napredovali pri reševanju problema, smo morali določiti Saturnov vztrajnostni moment,” pravi Wisdom.

Izgubljeni element

V svoji novi študiji so Wisdom in njegovi sodelavci poskušali določiti Saturnov vztrajnostni moment s pomočjo nekaterih zadnjih opazovanj, ki jih je Cassini opravil v velikem finalu, fazi misije, v kateri se je sonda izredno približala, da bi natančno kartirala gravitacijsko polje okoli celotnega planeta. Gravitacijsko polje lahko uporabimo za določitev porazdelitve mase na planetu.

Wisdom in njegovi sodelavci so modelirali notranjost Saturna in ugotovili porazdelitev mase, ki je ustrezala gravitacijskemu polju, ki ga je opazoval Cassini. Presenetljivo so ugotovili, da je ta na novo ugotovljeni vztrajnostni moment postavil Saturn v bližino resonance z Neptunom, vendar tik zunaj nje. Morda sta bila planeta nekoč sinhronizirana, vendar nista več.

»Nato smo začeli iskati načine, kako bi Saturn spravili iz Neptunove resonance,« pravi Wisdom.

Ekipa je najprej izvedla simulacije za razvoj orbitalne dinamike Saturna in njegovih lun za nazaj v času, da bi ugotovila, ali bi lahko kakšna naravna nestabilnost med obstoječimi sateliti vplivala na nagib planeta. Iskanje je bilo prazno.

Zato so raziskovalci ponovno preučili matematične enačbe, ki opisujejo precesijo planeta, torej kako se os vrtenja planeta s časom spreminja. En člen v tej enačbi je sestavljen iz prispevkov vseh satelitov. Ekipa je sklepala, da če bi iz tega seštevka odstranili en satelit, bi to lahko vplivalo na precesijo planeta.

Vprašanje je bilo, kako velik bi moral biti ta satelit in kakšno dinamiko bi moral imeti, da bi Saturn izvzel iz Neptunove resonance?

Astronomi so prišli do zaključka

Wisdom in njegovi sodelavci so s simulacijami določili lastnosti satelita, kot sta njegova masa in orbitalni polmer, ter orbitalno dinamiko, ki bi bila potrebna, da bi Saturn izrinila iz resonance.

Ugotovili so, da je sedanji Saturnov naklon posledica resonance z Neptunom in da je izguba satelita Chrysalis, ki je bil velik približno toliko kot Japet, Saturnova tretja največja luna, omogočila, da se je izognil resonanci.

Pred 200 do 100 milijoni let je Chrysalis vstopil v kaotično orbitalno območje, doživel številna bližnja srečanja z Japetom in Titanom ter se na koncu preveč približal Saturnu, pri čemer se je satelit raztrgal na koščke, manjši del pa je obkrožil planet kot obroč, posut z razbitinami.

Ugotovili so, da izguba Chrysalisa pojasnjuje Saturnovo precesijo in njegov današnji nagib, pa tudi pozen nastanek njegovih obročev.

»To je precej dobra zgodba, vendar jo bodo kot vsak drug rezultat morali preučiti še drugi,« pravi Wisdom.

Najti »poskusne zajčke« za sodelovanje v znanstvenih eksperimentih včasih ni enostavno. Nekateri znanstveniki so se problemu izognili tako, da so eksperimente izvajali kar na sebi – in s tem tvegali lastno življenje. V najboljšem primeru je bila njihova predanost poplačana z Nobelovo nagrado, v nekoliko slabšem izidu je bila posledica smrt. Vsekakor pa je njihov pogum prinesel pomembna odkritja za človeštvo.

George de Hevesy: težka voda za žejo

Preden je kot predmet znanstvenega preučevanja vzel lastno telo, je George de Hevesy leta 1923 objavil opažanja o tem, kako spremljati različne substance med potovanjem skozi rastlino. Pri tem je uporabljal radioaktivni svinec, ki ga je rastlina absorbirala in nato transportirala ter skladiščila. Z analizo posameznih delov rastline je lahko ugotovil, kam je rastlina transportirala svinec. Kasneje se je odločil s podobno metodo preučevati potovanje vodnih molekul skozi človeško telo. Namesto radioaktivnega svinca je tokrat kot marker uporabil težko vodo. Zares ni povsem znano, ali je različne količine težke vode zaužil George de Hevesy sam, ali morda njegov asistent. Po zaužitju težke vode je z zbiranjem in analizo urina določal, koliko časa traja, preden zaužita voda zapusti človeško telo. Ugotovil je, da je potrebnih devet dni, da polovica težke vode zapusti človeško telo. Čeprav v svojem poročilu George de Hevesy ni poročal o negativnih učinkih pitja težke vode, so kasnejši poskusi na miših pokazali, da je težka voda v zadostnih količinah lahko smrtonosna. Pri svojem delu je imel torej precej sreče, saj je devet let kasneje celo prejel Nobelovo nagrado za eksperimente z radioaktivnim svincem, ki so ga pripeljali do eksperimentov na lastnem telesu.

Carl Wilhelm Scheele: arzen in cianid ne tekneta preveč dobro

Še ena oseba, ki je brez zadržkov zaužila snovi v laboratoriju. Kar se danes zdi bizarno in nedopustno je bilo v 18. stoletju skoraj običajen del kemijskega raziskovanja. Ker sofisticirane naprave za identifikacijo različnih snovi takrat še niso obstajale, je Scheele po končani reakciji pogosto z vonjem in okusom preučeval dobljene produkte. Na ta način je kot prvi uspešno ugotovil, da je kisik plin brez barve, vonja in okusa, kar velja še danes. Podobno je odkril vsaj sedem elementov in 18 spojin. Njegove metode so se dobro obnesle, dokler se ni lotil preučevanja bakrovega arzenida in vodikovega cianida. Pri 43 letih je tako umrl, najverjetneje zaradi izpostavljenosti arzenu in cianidu.

Karl Landsteiner: mešanje krvi

Če se ti uživanje laboratorijskih produktov ne sliši preveč privlačno, pomisli na eksperimente z lastno krvjo. V 20. stoletju je Karl Landsteiner želel ugotoviti, zakaj so transfuzije krvi včasih neuspešne. Pri tem je uporabil vzorce svoje krvi in krvi še petih kolegov. Na srečo je vzorce mešal zunaj njihovih teles in s tem preprečil smrt. Pri svojem delu je odkril krvne skupine A, B in 0. Krvno skupino AB so odkrili naslednje leto, saj med testiranimi osebami nihče ni imel krvne skupine AB. Za svoje delo je Landsteiner prejel Nobelovo nagrado. Umrl je 13 let kasneje zaradi srčnega napada, ki ni bil povezan z njegovimi eksperimenti.

Daniel Carrion: načrtna okužba se ni iztekla po načrtih

Carrion se je leta 1885 ukvarjal s kronično boleznijo perujska bradavica. Identifikacijo simptomov in posameznih stopenj bolezni je oteževalo dejstvo, da večina bolnikov, ki so dosegli akutno fazo ni uspela pravočasno priti do bolnišnice. Ali so hitro ozdraveli ali pa umrli. Ker je bila bolezen le redko smrtonosna se je Carrion odločil, da se okuži s tekočino, ki je pritekla iz poškodbe enega izmed bolnikov. Uspešno si je nakopal precej simptomov, ki pa se niso ujemali s takratno predstavo o perujski bradavici. Njegova bolezen je precej bolj spominjala na na videz nepovezano bolezen »vročina Oroya«, ki je zelo hitro smrtonosna. Carrion je dokazal, da gre za eno samo bolezen v dveh različnih stopnjah. Nekateri podležejo že prvi akutni fazi, medtem ko jo drugi uspešno preživijo, kasneje pa razvijejo kronične bolezenske znake. Nekateri posamezniki preidejo v kronično perujsko bradavico celo brez akutne vročine. Danes vemo, da obe stopnji bolezni povzroča ista bakterija, zato bolezen lahko zdravimo z antibiotiki. Carrion še ni imel te sreče, zato je nekaj tednov po okužbi podlegel bolezni.

Niels Finsen: vsaj okužba ni bila namerna

Finsen je od svojega 23. leta trpel za simptomi, ki jih danes opišemo kot Niemann-Pickova bolezen. Gre za degenerativno bolezen, ki odebeli vezivno tkivo organov in tako otežuje njihovo delovanje. Ukvarjanje z lastno boleznijo je za Finsena tako postalo osrednji del njegove znanstvene kariere, pri tem se je osredotočil predvsem na fototerapijo. Gre za terapevtsko uporabo svetlobe za zdravljenje določenih bolezni. Začel je s sončenjem z namenom, da bi olajšal simptome bolezni. Danes težko rečemo, ali je metoda delovala, saj niti sam ni beležil opažanj. Kasneje se je problema lotil bolj sistematično, saj je želel ugotoviti, kateri del elektromagnetnega spektra najučinkoviteje zaustavi bakterije in pri tem ne škoduje pretirano človeškim celicam. Pri tem je uspešno poiskal ustrezen del UV spektra. Na sebi je testiral tudi največjo izpostavljenost svetlobe, ki jo telo prenese, brez razvoja eriteme. Svoje bolezni sicer ni uspel pozdraviti, je pa njegov inštitut s pomočjo fototerapije do leta 1902 uspešno ozdravil več kot 400 ljudi, ki so trpeli za kožno boleznijo lupus vulgaris. Leta 1903 je za svoje delo prejel tudi Nobelovo nagrado. Žal je pri svojih 44 letih podlegel bolezni, a v znanosti in medicini pustil svoj pečat.