Planetky neboli asteroidy: jak pomáhají vědcům při dobývání a výzkumu vesmíru

Asteroidy. Veřejností obávané, pro vědu nedocenitelné. Podávají důkazy o formování Sluneční soustavy, podílely se na utváření života na Zemi a v budoucnosti nám nejspíš pomohou při dobývání vesmíru. Svátek slaví právě dnes – každý rok totiž připadá na 30. června Mezinárodní den asteroidů. Datum vyhlásila OSN poprvé před osmi lety a není stanoveno náhodně. Článek Nebezpečí i příležitost? vyšel v magazínu Akademie věd ČR – A / Věda a výzkum.

Datum 30. června odkazuje k roku 1908, kdy se na neobydlenou centrální část Sibiře zřítilo asi 50metrové kosmické těleso. Při sestupu nevydrželo atmosférický tlak a ve výšce několika kilometrů nad sibiřskou tajgou explodovalo, vyvrátilo a zapálilo lesy v oblasti o rozloze přes 2000 km². Exploze o síle přibližně 30 megatun byla zhruba 2000krát ničivější než hirošimská atomová bomba. Jde o největší a nejničivější dopad vesmírného objektu v novodobé historii.

Proč si tunguzskou katastrofu, jak ji označil dobový tisk, připomínáme? Mezinárodní den asteroidů má zvýšit veřejné povědomí o těchto vesmírných objektech, připomenout, že hrozby z kosmu nejsou jen fantaskním námětem pro filmová plátna a že má smysl věnovat úsilí a čas na hledání možností, jak naši planetu před podobnými katastrofami v budoucnu ochránit.

Na kosmické střelnici
Do naší atmosféry vstupují cizí vesmírná tělesa překvapivě často. V průměru nás navštíví nějaké těleso o velikosti jednoho metru jednou za měsíc. „Většinou ale jde o menší objekty, které po vstupu do atmosféry shoří,“ připomíná Petr Pravec z Astronomického ústavu AV ČR. Vědci je označují jako bolidy. Jejich pevnější zbytky někdy pád přečkají a dopadnou až na povrch, pak se nazývají meteority.

Petr Pravec vede výzkumnou skupinu planetek v Astronomickém ústavu AV ČR v Ondřejově. (CC)

Objekty o velikosti nad 20 metrů dopadnou na povrch Země průměrně zhruba jednou za sto let, ty ještě větší, do 600 metrů, jednou za asi půl milionu let – ty už mohou svým působením vyvolat negativní globální efekt. Skutečně masivní těleso, jakým byl desetikilometrový asteroid Chicxulub, se na horizontu naší planety objeví v průměru jednou za 100 milionů let.

Srážka s takzvaným blízkozemním asteroidem, jakou známe z katastrofických filmů, je sice nepravděpodobná, ale rozhodně není vyloučená. I velká tělesa totiž naši planetu míjejí takřka neustále. Ve vzdálenosti geostacionárních družic proletí okolo Země desetimetrový objekt v průměru jednou za 70 dní. A ve vzdálenosti odpovídající té mezi naší planetou a Měsícem nás kilometrový asteroid mine jednou za 150 let.

To neznamená, že by nám od poslední vesmírné katastrofy ubíhal pomyslný časový odpočet. Návštěva asteroidu je vždy v režii náhody. Přesto je žádoucí si o možném nebezpečí udržovat přehled. Proto NASA již před lety iniciovala plán Asteroid Watch, který má zmapovat na 90 % blízkozemních těles s velikostí nad 140 metrů. Odborníci se totiž domnívají, že objekty o podobných a větších rozměrech by mohly být pro naši civilizaci nebezpečné. V minulosti se často stalo, že malé asteroidy sledovací přístroje odhalily jen necelých 24 hodin před tím, než proletěly v naší těsné blízkosti.

Společenští tvorové
Naprostá většina planetek, což je fyzikálně přesnější pojmenování pro asteroidy, je koncentrovaná do několika oblastí Sluneční soustavy, takzvaných pásů. Ten nejbližší, nazývaný hlavní pás asteroidů, se nachází v prostoru mezi Marsem a Jupiterem. Tedy ve vzdálenosti dvou až čtyř astronomických jednotek od centra naší soustavy.

Hlavní pás svým tvarem připomíná asi 150 milionů kilometrů široký nafukovací kruh nebo americkou koblihu. Odborně se takový tvar nazývá torus. Podle odhadů se v tomto pásu nachází možná až miliarda objektů. Některé z nich nejsou větší než oblázek, ale najdeme tady také miliony objektů s průměrem větším než jeden kilometr. Největší známý obyvatel pásu je se svými 945 kilometry Ceres. Pak následuje Pallas, Vesta a Hygiea. Jen tato čtveřice dohromady tvoří 62 % celkové hmotnosti veškerého materiálu v pásu. Už jen samotný Ceres v sobě nese asi 39 % celé hmoty. Přitom kdybychom všechny zdejší planetky včetně prachu i částic umístili na misku váhy, vážily by stále méně než 5 % hmotnosti našeho Měsíce.

Je to dáno tím, že pás není nikterak celistvý. Právě naopak. Jeho hmota je tak řídce rozptýlená, že pokud bychom stáli na kterémkoli asteroidu v pásu, neměli bychom v dohledu pouhým okem žádný jiný. Průměrná vzdálenost mezi nimi činí asi jeden milion kilometrů. Pro sondy, které vysíláme do kosmu, tak není problém hlavním pásem asteroidů bezpečně proletět.

Trpasličí planetka Pluto je největším objektem v Kuiperově pásu.

Planetky se neshlukují jen v tomto hlavním pásu, ale také v mnohem vzdálenějším Kuiperově pásu, který se nachází až za oběžnou drahou Neptunu. Jeho nejbližší bod najdeme ve vzdálenosti asi 30 astronomických jednotek od Slunce. Kuiperův pás je přibližně dvacetkrát širší než pás hlavní a jeho hmotnost až dvousetnásobná. Od roku 1992, kdy byl objeven, vědci zmapovali asi tisícovku zdejších, převážně velkých objektů. Odhadem se ale v pásu nachází přes 70 tisíc těles s rozměry nad sto kilometrů. Jde o takzvaná transneptunická tělesa a patří mezi ně i trojice trpasličích planet – Haumea, Makemake a Pluto, které je největším objektem v pásu.

Vypadají jako hvězda
Objev prvního asteroidu, kterým byl již zmíněný Ceres, se datuje k 1. lednu 1801. Tehdy, kolem osmé hodiny večerní, řeholník a astronom Giuseppe Piazzi, zakladatel observatoře v italském Palermu, učinil významný objev. V jednom z ramen souhvězdí Býka pozoroval malý zářivý bod, jakousi poměrně slabou hvězdu. Přesně zaznamenal jeho pozici, a jak bylo jeho zvykem, druhý den se na tutéž část oblohy podíval znova. Jenže svou hvězdu už nenašel, alespoň tedy ne na stejném místě – pohnula se. Posun nejprve přisoudil chybě ve vlastních záznamech z minulého večera, ale již v noci na 4. ledna, kdy sledoval, jak objekt po obloze neustále putuje, došel k názoru, že objevil novou kometu. Ještě ten den se zpráva rozšířila po Itálii i za její hranice.

Přestože dal Piazzi o objevu vědět veřejnosti, trvalo mu delší dobu, než se odhodlal napsat dvěma zahraničním kolegům, renomovaným astronomům, z nichž s jedním se osobně přátelil. Právě jemu se v dopise svěřil se svými pochybnostmi: jeho kometa, ačkoli blízko Slunce, postrádala okolní oblak prachu, a navíc byl její pohyb na tento typ objektu příliš pomalý a uniformní. Nebyl sám, mnoho dalších odborníků si paradoxu povšimlo také a začali podstatu objektu zpochybňovat: co to vlastně Ital ve svém teleskopu viděl?

Svůj vlastní názor měl i německý astronom Johann Elert Bode, který pojal podezření, že Piazziho kometa je ve skutečnosti dosud neznámá planeta Sluneční soustavy nacházející se mezi Marsem a Jupiterem. Takovou se ostatně snažil již řadu let prokázat. Podle zveřejněných záznamů objekt na obloze našel a dal mu jméno Juno.

Jenže mezinárodní astronomická komunita název nepřijala. Nové vesmírné těleso by měl pojmenovat právoplatný objevitel. Piazzi si zvolil jméno Ceres Ferdinandea. První část jména odkazovala na římskou bohyni úrody a patronku Sicílie, druhá sloužila k poctě tehdejšího panovníka Ferdinanda III. Sicilského. Odkaz na krále ale nakonec Piazzi po námitkách odstranil. Zkrátka proto, že jméno bylo moc dlouhé. Zůstal tedy pouze Ceres.

Jak jim budeme říkat?
Když o rok později slavný astronom William Herschel prezentoval britské Královské vědecké společnosti nejnovější pokroky v pozorování vesmírných objektů, pečlivě rozlišil mezi klasickými planetami a novým typem tělesa, které se zdálo jasné jako hvězda, ale nemělo vlastnosti velkých planet. Nazval ho asteroid, ze starořeckého asteroeidēs, ve volném překladu „hvězdě podobný“ nebo „mající tvar jako hvězda“. Do jeho pojmenování tak vložil odkaz na způsob, jakým bylo toto těleso objeveno. „Historicky tak pojem ‚asteroid‘ odkazuje spíše na pozorované vlastnosti těchto těles než na ty materiální a fyzikální,“ upřesňuje Petr Pravec.

Jakkoli poeticky nám může Herschelovo pojmenování nových vesmírných objektů znít, trvalo více než sto let, než se ujalo, a ještě na počátku druhé poloviny 19. století vědci termíny „asteroid“ a „planeta“ používali jako synonyma.

Názvosloví se pak proměnilo v průběhu 20. století. Asteroidy, podobně jako planety, sice obíhají kolem Slunce, jsou ale podstatně menší. Navíc mají podstatně slabší gravitaci a nemají atmosféru. Tyto a některé další odlišnosti tak vedly k zavedení přesnějšího termínu: planetky, v angličtině minor planets. Pokud tedy hovoříme o asteroidech, používáme sice populární, ale vlastně poněkud zastaralý výraz. Fyzikálně správně bychom je měli nazývat planetkami.

Jako houby po dešti
Prvně objevený Ceres nezůstal v katalogu asteroidů (nebo planetek) dlouho sám. Brzy se svět dozvěděl o existenci planetky Pallas. V roce 1804 přibyl Juno a o další tři roky později Vesta. Ta, díky svému velmi světlému povrchu, zůstává dodnes jediným známým objektem tohoto typu, který mohou lidé pozorovat ze Země pouhým okem.

Trpasličí planetka Ceres se nachází v hlavním pásu asteroidů Sluneční soustavy. Má úctyhodných 945 kilometrů.

S dalšími lety přibývala další pozorování, ačkoli mezi jednotlivými objevy někdy uběhly i téměř čtyři desítky let. Na konci 19. století však již vědci znali přes tři stovky planetek. V pořadí tisícím objeveným tělesem v roce 1923 se vracíme na začátek našeho příběhu: svým jménem Piazzia vzdává hold italskému astronomovi, který jako první tyto vesmírné objekty spatřil.

Od začátku 21. století zažívá výzkum planetek opravdovou renesanci a od té doby se jejich seznam mnohonásobně rozrostl, nejdramatičtěji v průběhu posledních 10 let. Jen za tu dobu vědci odhalili víc než půl milionu planetek a u části z nich přesněji popsali jejich fyzikální vlastnosti. Pro představu, na počátku devadesátých let minulého století jsme znali jen asi 10 tisíc objektů, na přelomu milénia pak 20 tisíc. V době psaní tohoto článku se počítadlo známých planetek nakrátko zastavilo u čísla 1 113 527.

Vesmírný odpad
Fakt, že se planetky shlukují v pásech, popřípadě gravitačních polích velkých planet, dává astronomům tušit, jak vlastně vznikly. V samých počátcích Sluneční soustavy se prach a jiný stavební materiál obíhající kolem naší centrální hvězdy gravitací kumuloval a spojil v planety. Nespotřeboval se ale všechen a v široké oblasti mezi Marsem a Jupiterem zformoval hlavní pás asteroidů. Dál od centra, za Neptunem, pak vznikl Kuiperův pás. Tvoří jej zbytkový stavební materiál naší soustavy.

Planetky, nebo chcete-li asteroidy, obíhají po svých eliptických drahách kolem Slunce, tedy podobně jako planety Sluneční soustavy. Jenže na rozdíl od nich je jejich gravitace příliš malá na to, aby „vyčistila“ oběžnou dráhu kolem nich tak, jak to udělaly velké planety. Asteroidy hlavního pásu jsou ovšem pod vlivem gravitace velkých planet, a mohou tak být vychýleny ze svých bezpečných drah. „Planetky se k Zemi obvykle nepřibližují. Mohou se k ní ale dostat vlivem gravitačních poruch,“ vysvětluje Petr Pravec.

Nejen nebezpečí
I z těchto důvodů je důležité studovat mechaniku planetek, jejich vzájemné působení a dynamiku cest kosmickým prostorem. Týmy odborníků z Astronomického ústavu AV ČR poznávají způsoby, jakými se chovají nejběžnější malé asteroidy — takzvané rubble piles (z angl. hromádka suti). Jde o objekty, které nejsou „z jednoho kusu“, ale z mnoha menších a drží při sobě jen pomocí gravitace, ovšem poměrně slabé, neboť nejde o příliš velká tělesa. Například průlet poblíž velmi hmotného objektu tak může změnit třeba i tvar takového asteroidu.

Dalším podstatným vlivem je pak sluneční záření. Dopadá na povrch a kvůli zmíněné struktuře se objekt zahřívá nerovnoměrně. Tepelná energie se posléze zase vyzáří do prostoru, třeba když odvrácená strana chladne. Ale protože se tak děje anizotropně (vyzařování má stejný směr), má to za důsledek několik různých jevů: může se pozměnit dráha asteroidu; dráha se může stát nestabilní; nebo se asteroid může dokonce roztočit. A pokud začne rotovat příliš rychle, gravitace jej už neudrží pohromadě a rozpadne se. Tak vznikají takzvané asteroidální (planetkové) páry.

Petr Scheirich pracuje v oddělení meziplanetární hmoty Astronomického ústavu AV ČR v Ondřejově. (CC)

Právě jim se odborníci z Ondřejova rovněž věnují. Taková tělesa putují vesmírem odděleně, tedy každé po své vlastní dráze, ale jejich pohyb je kvůli společnému původu velmi podobný. „Dnes s jistotou víme, že takové objekty vznikly buď rozštěpením nějakého většího tělesa, nebo rozpadem nějakého systému kolem sebe kroužících planetek,“ vysvětluje Petr Scheirich rovněž z Astronomického ústavu AV ČR.

Kolegovi Petru Fatkovi z Ondřejova a jeho týmu se loni podařilo objevit a prozkoumat velmi mladý, do té doby neznámý pár asteroidů. Dvě tělesa na podobných drahách okolo Slunce, označovaná 2019 PR2 a 2019 QR6, vznikla před asi 300 lety, pravděpodobně rozpadem větší planetky. Zjistili, že alespoň jeden z objektů musel v minulosti vykazovat aktivity typické pro komety, a odhalili, že v jeho složení se nacházejí těkavé látky, pravděpodobně voda či oxid uhelnatý.

Sklady vesmírných chemikálií
O asteroidech jsme se zmínili jako o vesmírném odpadu, ale nemůžeme zanedbávat důležitou roli, kterou v „kosmickém ekosystému“ mají. Ovlivnily nejen povrch naší planety, ale pravděpodobně také její evoluci. Vědci tvrdí, že bez dopadů asteroidů na Zemi v dávné minulosti bychom tady nebyli. Z dřívějšího studia stáří kráterů na Měsíci odborníci vědí, že v době vzniku prvního života na Zemi docházelo k četným dopadům asteroidů na její povrch. Právě ony se zřejmě staly zdrojem životodárné vody, těkavých složek atmosféry a možná také hnacím motorem životodárných chemických reakcí.

Nukleové kyseliny, základní stavební struktury organismů, se na naší planetě objevily před asi čtyřmi miliardami let a mohly vzniknout chemickými reakcemi, pro něž se zdrojem energie staly právě impakty asteroidů. Takovou hypotézu prokázali z experimentálního hlediska vědci z Ústavu fyzikální chemie J. Heyrovského AV ČR. „Impakty asteroidů společně s bleskovými výboji, vysoké teploty a tlak. V takových podmínkách vznikaly první biomolekuly,“ popisuje podmínky experimentu astrochemik Martin Ferus, který výzkumný tým vedl.

Martin Ferus vede oddělení spektroskopie v Ústavu fyzikální chemie J. Heyrovského AV ČR, aktuálně pracuje na projektu české kosmické mise SLAVIA. (CC)

Na Zemi podobné procesy probíhaly následkem dopadů miliard asteroidů a po dobu stovek milionů let. Vědci ale samozřejmě tolik času neměli. „V laboratoři jsme takové podmínky napodobili pomocí vysoce výkonných laserů během miliontin vteřiny,“ doplňuje.

Složení asteroidů nám neodhaluje jen minulost naší planety, ale dává nahlédnout do stavby celé Sluneční soustavy. Protože obsahují zbytky materiálu, ze kterého se naše soustava zformovala, jsou cenným zdrojem informací o místech a krajinách, kam lidské teleskopy ani sondy nedohlédnou. Byla na Venuši v minulosti voda, oceány, podmínky vhodné pro život? Mise, která by poskytla odpověď, je otázkou kosmických misí příští dekády. Prvková analýza okolních planetek ji nabídne mnohem dřív.

Budoucnost kosmonautiky
O složení planetek se vědci zajímají nejen z teoretických důvodů, ale i pro jejich možný praktický přínos v dalších letech. Při vesmírných misích nemáme jinou možnost než všechny materiály a suroviny na oběžnou dráhu vynášet. Přitom mnoho užitečných materiálů v kosmu najdeme. Hádáte správně, vedle povrchu Měsíce také na asteroidech.

Planetky jsou nejčastěji složené ze silikátů a kovových materiálů, jako jsou železo a nikl. Pro kosmický průmysl jsou ostatně nejdůležitější ty suroviny, které je obtížné do vesmíru vynést, na Zemi mají zpravidla nízkou hodnotu. Jde o titan, chrom nebo kyslík. Nejcennější je ale v kosmu látka na Zemi zcela běžná: již zmíněná voda.

Podle směrnic Evropské kosmické agentury ESA je právě voda nejvíce limitujícím faktorem pro další výzkum vesmíru, případnou kolonizaci Měsíce a mise na Mars. Dlouhodobý technologický plán agentury počítá se začátkem těžby na asteroidech mezi lety 2050–2060. Nejprve se využijí vzácné kovy, plyny a voda přijdou na řadu později, až se najde způsob, jak je lépe transportovat.

Seriózní debata o využití nerostného bohatství asteroidů se vede od padesátých let minulého století, od roku 2015 se řeší také legislativně. Firmy již na výzkumu těžebních technologií pracují, ale je otázkou, zdali se jejich uvedení do praxe dožijí současné generace. „Pokud se ukáže, že je těžba v kosmu efektivnější než ta na Zemi a mohla by pozemský těžební průmysl nahradit, zájem firem by nás k této metě značně přiblížil,“ upozorňuje Martin Ferus.

Česká stopa ve vesmíru
Prvním krokem je podrobné zmapování potenciálních ložisek, výběr vhodných a bohatých planetek. Na tomto důležitém úkolu se podílejí vědci AV ČR přípravou projektu SLAVIA, který má potenciál stát se první ryze českou národní misí ESA.

Cílem mise SLAVIA je mapování zdrojů surovin ve vesmíru. Na oběžnou dráhu Země by měla vyslat dva mikrosatelity. (CC)

Cílem je vyslat do kosmu dvojici přibližně 20kilogramových družic, které budou studovat úlomky planetek vstupujících do naší atmosféry. Mimo jiné mají za úkol měřit jejich záření v UV spektru. To se z povrchu Země kvůli ozonové vrstvě a oblačnosti měřit nedá. Jde vůbec o největší a nejambicióznější projekt české provenience od vyslání družic Magion před více než čtyřmi desítkami let.

Projekt se na prahu roku 2023 nachází ve fázi studie proveditelnosti. Odborníci z různých oborů zjišťují, za jakých podmínek bude misi možné uskutečnit a zda bude třeba udělat kompromisy. Řada otazníků se týká samotných přístrojů na palubě a jejich hmotnosti.

Kromě hyperspektrální kamery schopné analyzovat prvkové složení padajících hvězd a rádiové antény pro pozorování meteorického plazmatu ponese hmotnostní spektrometr, který bude velmi detailně zkoumat chemikálie v prachových částicích meziplanetární hmoty. Na konci studie budou vědci znát nejen plán mise, ale i přesnou podobu obou družic.

Tvůrci stříbrného plátna nám asteroidy obvykle představují jen z jejich stinné stránky, jako zkázonosné vesmírné poutníky, případně jako zbytečný vesmírný odpad bez valného užitku. Třebaže se nám může jejich využití zdát stejně tak fantaskní, jako jsou scénáře katastrofických filmů, po technologiích pro těžbu jejich nerostného bohatství, které vznikají v rámci mise SLAVIA, je velká poptávka už dnes. Zdá se, že v budoucnosti by mohlo být kolem dříve opomíjeného kosmického odpadu nezvykle živo.

Článek Nebezpečí i příležitost byl uveřejněn v časopise Akademie věd ČR A / Věda a výzkum 4/2022.

4/2022 (verze k listování)
4/2022 (verze ke stažení)

Text: Jan Hanáček, Markéta Wernerová, Divize vnějších vztahů SSČ AV ČR
Foto: Shutterstock; NASA/JHUAPL/SwRI; NASA/JPL-Caltech/UCLA/MPS/DLR/IDA; Jan Malý pro AV ČR; Jana Plavec, Divize vnějších vztahů SSČ AV ČR

Text a fotografie označené CC jsou uvolněny pod svobodnou licencí Creative Commons.

Přečtěte si také

• V Praze odstartovala největší mezinárodní konference o materiálovém modelování
• Z čeho se skládá kosmické záření? Napoví přelomová metoda českého fyzika
• Tuk je možné vydolovat i z tisíce let staré keramiky, říká Veronika Brychová
• Svérázná říše umělé inteligence. Máme se jako lidstvo bát, nebo být nadšení?
• Přelomové datování. První lidé přišli do Evropy už před 1,4 milionu let
• Přitažlivá nepřitažlivost. Vědci experimentálně potvrdili novou formu magnetismu
• Krása neviditelného krystalu. Jak se zkoumá skrytý svět atomů a molekul
• Nová krystalografická metoda pomůže ve vývoji léků i rychlejších počítačů
• Dva bratři Jungwirthové, dva prestižní evropské granty ve výši 120 milionů korun
• Budoucnost energetiky: malé modulární reaktory jako zdroj čistší energie