Uranuksen tutkimus

Uranus oli ensimmäinen planeetta, joka löydettiin kaukoputken avulla.^[1][2] Ensimmäiset mahdolliset havainnot Uranuksesta teki Hipparkhos 25. maaliskuuta 127 eKr.^[2][3][4] Myöhemmin Hipparkhoksen havainnot kirjoitettiin ylös Klaudios Ptolemaioksen Almagest-teokseen.^[3][4] Mahdollisesti myös Ptolemaios havaitsi Uranuksen tähtitaivaalla, mutta hän luuli sitä tähdeksi.^[4] Ensimmäiset varmat havainnot Uranuksesta teki vuonna 1690 John Flamsteed, joka kuitenkin merkitsi Uranuksen 34 Tauri -nimiseksi tähdeksi. Hän havainnoi Uranusta uudelleen vuosina 1712 ja 1715, kuten myös James Bradley vuosina 1748, 1750 ja 1753.^[1] Myös ranskalainen Pierre Charles Le Monnier havainnoi Uranusta monia kertoja vuosien 1750 ja 1769 aikana, ja hänkin uskoi kohteen olevan tähti.^[2]

Kymmenen ja yhdentoista välisenä aikana illalla 13. maaliskuuta 1781 saksalaissyntyinen englantilainen tähtitieteilijä ja muusikko William Herschel huomasi Kaksosten ja Härän tähdistöjen lähettyvillä muita tähtiä suuremmalta näyttävän kohteen tähtitaivaalla. Löytönsä hän teki uudella itse rakentamallaan kaukoputkellaan kotitalonsa takapihalta Englannin Bathissa.^{[1][2][5][6][7]} Suuruutensa vuoksi hän piti kohdetta komeettana,^[7] mutta se varmistui joksikin muuksi taivaankappaleeksi neljä päivää myöhemmin, kun Herschel huomasi kohteen liikkuneen tähtitaivaalla. Herschel uskoi löytäneensä komeetan.^{[2][5][6][8][9]} Herschel ilmoitti löydöstään Royal Societylle, jonka jäsenet ryhtyivät tutkimaan kohdetta tarkemmin.^[2][9] Herschel raportoi löydöstään myös Kuninkaallisen tähtitieteilijän virassa olleelle Nevil Maskelynelle, joka uskoi Uranuksen olevan planeetta. Suomalainen Anders Johann Lexel laski Uranuksen radan ja huomasi sen muistuttavan enemmän planeettamaista kuin komeettamaista rataa. Johann Elert Bode alkoi tutkia vanhempia havaintoja kohteesta ja huomasi, että Uranus oli nähty lukuisia kertoja mutta kirjattu ylös tähdeksi.^[2] Kaksi vuotta myöhemmin Uranus hyväksyttiin yleisesti uudeksi planeetaksi lukuisten eurooppalaisten tähtitieteilijöiden havaintojen ansiosta.^[1]

Herschel ehdotti Uranuksen nimettävän Britannian kuninkaan Yrjö III:n mukaan. Herschel ehdotti nimeä Georgium Sidus (suom. Yrjön tähti), joka ei saanut kannatusta Britannian ulkopuolella.^[1][9] Hän ehdotti taivaankappaleen nimeksi myös Neptunusta.^[1] Ranskalaiset tähtitieteilijät ehdottivat planeetan nimettävän löytäjänsä mukaan Herscheliksi.^[1][9] Johann Elert Bode ehdotti nimeksi kreikkalaista jumalaa Uranosta. Boden kollega Martin Klaproth kannatti, ja hän nimesi pian ehdotuksen jälkeen löytämänsä alkuaineen uraanin Uranoksen mukaan. Lopulta Uranus yleistyi planeetan nimeksi.^[1][6][10] Britanniassa uudesta planeetasta käytettiin nimeä Georgium Sidus, kunnes siitä luovuttiin 1800-luvun puolivälissä.^[2][5]

Yrjö III palkitsi Herschelin planeetan löydöstä vuonna 1781 Royal Societyn Copley-mitalilla.^[5] Vuonna 1787 Herschel löysi kaksi Uranuksen kuuta, Titanian ja Oberonin. 1790-luvulla hän väitti löytäneensä vielä neljä kuuta lisää^[5][9] sekä Uranuksen renkaat,^[11] mutta havaintoja ei pystytty todentamaan.^[5][9][11]

Uranuksen kiertoradassa huomattiin häiriöitä, jotka voitiin selittää planeetalla Uranuksen takana. Siten Neptunuksen rata pystyttiin laskemaan, ja planeetta löydettiin vuonna 1846.^[12]

Englantilainen tähtitieteilijä William Lassell löysi vuonna 1851 Uranukselta kaksi uutta kuuta, Arielin ja Umbrielin.^[9] Uranuksen viidennen kuun, Mirandan, löysi 18. helmikuuta 1948 Gerard Kuiper.^[13] Kahden australialaisen observatorion tutkijoiden havainnot 10. maaliskuuta 1977 johtivat Uranuksen renkaiden löytymiseen.^[14]

Uranusta on tutkittu lähietäisyydeltä ainoastaan Nasan Voyager 2 -avaruusluotaimella.^[16] Ennen sen ohilentoa planeetasta tiedettiin melko vähän.^[17] Voyager 2 laukaistiin 20. elokuuta 1977 Floridasta Cape Canaveralin laukaisualustalta Launch Complex 41:stä.^[16] Uranuksen erikoisen akselin kallistuman takia tutkijat eivät olleet varmoja siitä, mitä planeetalta löydettäisiin.^[15] Luotain lensi Uranuksen ohi 24. tammikuuta 1986,^[18] mutta se oli aloittanut planeetan tutkimisen jo 4. marraskuuta 1985 ottamalla ajastettuja videoita planeetasta ja sen kuista.^[19] Koska Uranus saa pelkästään 25 prosenttia auringon valosta kuin Voyager 2:n edellinen kohde Saturnus, Nasa teki muutoksia luotaimen kuvaustekniikkaan kuvien laadun parantamiseksi. Ennen ohilentoa Nasa myös päivitti maanpäällisiä luotaimen signaalien vastaanottoasemien herkyyttä.^[19] Voyager 2 löysi 30. joulukuuta 1985 sen ensimmäisen uuden kuun Uranukselta, Puckin. Vain kolme päivää ennen varsinaista kuuden tunnin ohilentoa Nasan Jet Propulsion Laboratoryssa saatiin ratkaistua vika Voyager 2:n kuvausjärjestelmässä, joka tuotti epäselviä kuvia.^[19] 11 tuntia ennen ohilentoa luotain saapui Uranuksen magnetosfääriin.^[19] Kuuden tunnin ohilennon aikana luotain kuvasi Uranuksen monia kuita läheltä. Luotain oli lähimmillään 81 500 kilometrin etäisyydellä Uranuksen yläilmakehästä.^[18][19] Uranuksen tutkinnan aikana luotain havaitsi:

• 11 uutta kuuta (Puck, Portia, Juliet, Cressida, Rosalind, Belinda, Desdemona, Cordelia, Ofelia ja Bianca).^[18][20] (13 vuotta luotaimen ohilennosta Voyger 2:n vanhoista kuvista havaittiin Perdita).^[21]

• kaksi uutta rengasta.^[18]
• renkaiden olevan suhteellisen nuoria, viitaten niiden mahdollisesti olevan jäänteitä kuusta, joka repeytyi Uranuksen painovoiman vaikutuksesta tai hajosi törmäyksessä toiseen kappaleeseen. Luotain tutki kaikkia yhdeksää ennen Voyager 2:n ohilentoa tunnettua rengasta.^[15]

  •  

    Uranuksen renkaat selkeästi eroavat Jupiterin sekä Saturnuksen renkaista.^[15]
• magneettikentän,^[18] joka ei ole linjassa Uranuksen pyörimisakselin kanssa toisin kuin muilla planeetoilla, joiden magneettikenttää oltiin aiemmin mitattu.^[15][20]
  • Magneettikentän vahvuus Uranuksella on samankaltainen kuin Maalla. Sen voimakkuus vaihtelee Uranuksen eri alueilla, koska magneettikenttä ei ole planeetan keskellä. Erikoinen suuntaus viittaa kentän olevan syntynyt syvällä Uranuksen sisällä, missä paine on tarpeeksi korkea muuttamaan veden sähköä johtavaksi.^[15]
• magnetosfäärin hännän suuntaavan Auringosta poispäin, olevan noin 10 miljoonaa kilometriä pitkä ja pitkään kaarevaiseen muotoon.^[15][20]
• pilviä planeetan etelänavalla. Suurin osa planeetan pilvikerroksista oli ohilennon aikana sumukerroksen peitossa. Voyager 2:n väärävärikuvat paljastivat Uranuksen ilmakehästä pilviä.^[20]
  • Sumukerroksen havaittiin säteilevän suuria määriä ultraviolettivaloa.^[15]
• planeetan ilmakehästä tuulen, jonka huippunopeudeksi luotain mittasi 724 kilometriä tunnissa.^[18]
• viitteitä mahdollisesta noin 800 kilometrin syvyydessä kiehuvasta merestä planeetan pilvikerroksen alapuolella.^[18]
• planeetan pyörivän akselinsa ympäri 17 tunnin ja 14 minuutin välein.^[20][22]
• säteilyvyöhykkeitä, jotka olivat noin 100 kertaa heikompia kuin tutkijat olivat olettaneet.^[15][23] Säteilyvyöhykkeiden havaittiin olevan samankaltaisia kuin Saturnuksella. Säteilyn voimakkuus on saattanut vaikuttaa Uranuksen sisäisten kuiden sekä sisäisten renkaiden väriin.^[15]
• planeetalta lämpötiloja alle –214 celsiusasteen.^[24]
• Uranuksen kuiden tarkkoja pinnanmuotoja ja merkkejä niiden aiemmasta geologisesta aktiivisuudesta.^[22]
  • Mirandan ohi luotain lensi erittäin läheltä saaden todella tarkkoja kuvia pinnasta muihin kuihin verrattuna. Kuun pinnalla havaittin olevan syviä kanjoneita (syvimmillään 20 km), halkeamia, vanhan sekä uuden pinnan koostumuksia sekä juovia. Erään teorian mukaan kuu on saattanut hajota piennemmiksi osiksi ja muodostua uudelleen luoden Mirandalle nämä geologiset ominaisuudet.^[13][20][15] Toisen teorian mukaan geologiset piirteet ovat voineet syntyä asteroidien törmäyksissä.^[13]
  • Luotaimen ottamista Titanian kuvista paljastui kuun pinnalla olevan runsaasti törmäyskraattereita sekä kanjoneita. Suurin luotaimen kuvaama törmäyskraatteri on yli 300 kilometriä leveä ja suurin kanjoni 1 500 kilometriä pitkä.^[25] Titanian pinnan muodot viittaa aikaisempaan tektooniseen toimintaan.^[15]
  • Arielin pinta on mahdollisesti nuorin sekä kirkkain viidestä Uranuksen suurimmasta kuusta.^[15]
  • Umbrielin ja Oberonin tumma pinta viittaa vanhaan ja vähäiseen geologiseen aktiivisuuteen kuiden pinnoilla.^[15]
• Voyager 2 tutki kuita sen ultraviolettispektrometrillään ja havaitsi kuiden pinnalta vuotavan kaasuja avaruuteen.^[26]

Voyager 2 käytti höydykseen Uranuksen painovoimalinkoa saaden lisää nopeutta. Luotain sai päätökseen Uranuksen ja sen kuiden tutkinnan 25. helmikuuta 1986. Tutkinnan aikana luotain oli ottanut yli 7 000 kuvaa. Seuraavaksi luotain suuntasi kohti Neptunusta, jonka luotain ohitti 1989. Voyager 2 on matkannut ulos Aurinkokunnassa ja on tähtienvälisessä avaruudessa.^[19]

•  
  Uranus
•  
  Uranus ja sen renkaat
•  
  Uranus väärävärikuvana
•  
  Uranuksen renkaat
•  
  Uranuksen kuu Umbriel
•  
  Uranuksen kuu Titania
•  
  Uranuksen kuu Miranda
•  
  Uranuksen sirppi, luotaimen viimeinen kuva Uranuksesta

Vuonna 2020 Voyager 2:n tuottamaa dataa uudelleen analysoitaessa havaittiin, että Uranuksen magneettikenttä mahdollisesti vuotaisi Uranuksen ilmakehän ainetta avaruuteen. Ilmiötä kutsutaan plasmoidiksi.^[27]

Voyager 2:n dataa analysoitiin jälleen vuonna 2023, jolloin saatiin selville, että neljällä Uranuksen kuulla saattaisi olla pinnanalainen meri. On mahdollista, että Titanialla ja Oberonilla pinnanalainen meri olisi lämmin, jolloin olosuhteet elämälle olisivat niissä suotuisat. Myös Arielilla ja Mirandalla saattaisi olla pinnanalainen meri. Mirandan meri on kuitenkin hyvin mahdollisesti jo jäätynyt.^[28]

Vuonna 2024 paljastui, että osa Voyager 2:n mittauksista oli johtanut tutkijoita harhaan. Uranukseen oli vuonna 1986 osunut Aurinkomyrsky juuri Voyager 2:n lentäessä sen ohi, mikä vääristi luotaimen keräämä dataa.^[17]

Hubble-avaruusteleskooppi kuvasi vuonna 2003 Uranusta, ja vuonna 2005 näistä kuvista paljastui uusi rengaspari sekä kaksi uutta kuuta, Mab ja Cupid.^[29][30] Nasa julkisti löydöt 22. joulukuuta 2005.^[31] Hubblen ja Keckin observatorion havaintojen perusteella vuonna 2006 todettiin Uranuksen ulkoiset renkaat sinisiksi ja sisäiset renkaat punertaviksi.^[31]

James Webb -avaruusteleskooppi löysi Uranukselta vuoden 2023 loppupuolella infrapunarevontulet^[32][33] teleskoopin NIRCam (Near-Infrared Camera)^[33] -infrapunakameralla.^[34]

Nasa kaavailee uutta kiertolaisluotainta Uranukseen.^[31] Nasa on kertonut uuden Uranus-luotaimen olevan järjestön yksi tärkeimmistä tavoitteista ja kuvannut sitä Mars Sample Return Missionia tärkeämmäksi. Luotain maksaisi 4,2 miljardia dollaria ja laukaistaisiin mahdollisesti vuonna 2031. Matka Uranukseen kestäisi noin 13 vuotta.^[35] Luotaimen alustava nimi joulukuussa 2024 oli Uranus Orbiter and Probe (UOP^[36]).^[17]

Luotaimeen kuuluisi kaksi osaa: kiertolaisluotain, joka kiertäisi Uranusta, sekä laskeutumiskapseli, joka laskeutuisi Uranukseen tehden planeetan ilmakehässä mittauksia ja päättäisi matkansa tuhoutumalla Uranuksen pintaan.^[35] Samankaltainen luotain oli Jupiteria tutkimaan lähetetty Nasan Galileo.^[37] Uranuksen ilmakehä on Aurinkokunnan planeetoista kylmin (kylmimmillään 153–218 Celsiusta), mikä luo haasteita laskeutumiskapselin suunnittelussa.^[38]

Myös Kiina on kaavailemassa Uranukseen luotainta nimeltä Tianwen-4. Suunnitelmana on laukaista vuonna 2035 kaksi luotainta yhdessä Pitkä Marssi 5 -raketilla. Toisen, suuremman luotaimen määränpäänä olisi Jupiterin kuu Kallisto ja pienemmän Uranus.^[39][40]

Lähimmät laukaisuikkunat Uranukseen ovat vuosille 2030 ja 2034.^[41]

ESA:lle ja Nasalle on ehdotettu useita erilaisia Uranus-luotaimia. Niitä ovat muun muassa:

• Horus (Herschel Orbital Reconnaissance of the Uranian System) oli Johns Hopkinsin yliopiston Applied Physics Laboratorynopiskelijoiden Nasalle joulukuussa 2010 ehdottama New Horizons -ohjelman kiertolaisluotain. Se olisi ollut Nasan ja ESA:n yhteinen projekti, joka olisi laukaistu huhtikuussa 2021.^[42][43] Luotainta ei laukaistu.^[44]
• Uranus Pathfinder (UP^[45]) oli ESA:lle joulukuussa 2010^[46] ehdotettu ESA:n ja Nasan yhteinen ydinparistoilla toimiva kiertolaisluotain, mutta ehdotus hylättiin.^[47][48] Luotain oli tarkoitus laukaista vuonna 2021, ja sen oli määrä saapua Uranuksen kiertoradalle vuonna 2031. Matkallaan luotain olisi hyödyntänyt Venuksen ja Saturnuksen painovoimia. Luotaimen suunnittelussa oli mukana yli 120 tutkijaa eri maista.^[48][49] Luotain olisi maksanut noin 600 miljoonaa euroa.^{[huom 1][50][51]}
• Muse (Mission to Uranus for Science and Exploration) ehdotettiin ESA:lle vuonna 2015. Luotain laukaistaisiin vuonna 2026 Ariane 5 -raketilla, se saapuisi Uranukseen vuonna 2044 ja olisi toiminnassa vuoteen 2050 asti. Luotain tutkisi Uranuksen ilmakehää, sisäistä rakennetta, kuita, renkaita ja magnetosfääriä.^[52][53] Joulukuussa 2024 Musesta ei ollut mainintaa ESA:n laukaisuaikataulussa.^[54]
• Oceanus (Origins and Composition of the Exoplanet Analog Uranus System) ehdotettiin Nasalle uudeksi New Frontiers -ohjelman luotaimeksi vuonna 2017. Luotain esitettiin edullisena vaihtoehtona, mikäli Nasa tai muut avaruusjärjestöt eivät pystyisi rahallisista syistä tekemään Uranus-luotainta.^[55][56]
• Odinus (Origins, Dynamics and Interiors of Neptunian and Uranian Systems) on ehdotettu luotainpari, joista toinen tutkisi Uranusta ja toinen jatkaisi matkaa Neptunukseen. Laukaisua on ehdotettu vuodelle 2034.^[57][58]
• Quest (Quest to Uranus to Explore Solar System Theories) on vuonna 2020 ehdotettu New Frontiers -ohjelman luotain, joka laukaistaisiin vuosina 2029–2034 ja käyttäisi matkallaan Uranukseen Jupiterin painovoimalinkoa hyödykseen. Luotain kiertäisi Uranusta elliptisellä polaariradalla eli naparadalla.^[59]
• Umami (Uranus Magnetosphere and Moons Investigator) on ehdotettu New Frontiers -ohjelman kiertolaisluotain, jonka tavoitteena on saapua Uranuksen kiertoradalle 2040-luvun alussa. Luotain tutkisi Uranuksen kuita, magnetosfääriä ja renkaita.^[60]
• Perseus (Plasma Environment, Radiation, Structure, and Evolution of the Uranian System) on vuonna 2023 John Hopkinsin yliopiston Applied Physics Laboratoryn ehdottama kiertolaisluotain, joka lähtisi matkaan helmi-maaliskuussa 2031, käyttäisi Jupiterin painovoimalinkoa hyödykseen ja saapuisi Uranuksen kiertoradalle vuonna 2043. Luotain kiertäisi Uranusta erittäin elliptisellä kiertoradalla ja tutkisi Uranuksen magnetosfääriä, ilmakehää, kuita ja renkaita.^[61]

• Saturnuksen tutkimus
• Neptunuksen tutkimus

1. ↑ Muunnettu alkuperäinen 400 miljoonaa puntaa 3. joulukuuta 2010 (ESA:n Cosmic Vision -ohjelman luotainhakemusten määräaika, jonne ehdotus luotaimesta tehtiin) punnista ensiksi saman päivän euroihin ja sen jälkeen vuoden 2023 euroihin.