Plutone

L'osservazione di perturbazioni delle orbite di Nettuno ed Urano, aveva già fatto ipotizzare la presenza di un nono satellite all'esterno dell'orbita di Nettuno. William Henry Pickering e Percival Lowell all'inizio del Novecento ne calcolarono grossolanamente l'orbita. Nel 1930 Clyde Tombaugh, dedicandosi a lunghe ricerche con il metodo fotografico scoprì il pianeta cercato. Il pianeta fu in seguito riconosciuto anche in fotografie risalenti al 1914 e 1915. Dopo la scoperta, il nuovo corpo celeste venne denominato Plutone, divinità romana dell'oltretomba, nome suggerito, sembra, da una figlia di un professore di Oxford, utilizzando le iniziali di Percival Lowell che per primo lo aveva ipotizzato. La posizione di Plutone fu rilevata quasi esattamente in quella prevista dai calcoli teorici, per cui inizialmente si credette di aver trovato il corpo perturbatore, tuttavia le misurazioni successive rivelarono che Plutone era troppo piccolo per spiegare interamente le perturbazioni osservate, e ripartì quindi la caccia al decimo pianeta. Solo nel 1989, con i dati della sonda Voyager 2, si scoprì un errore nel calcolo delle masse di Urano e Nettuno, la cui correzione permetteva di escludere la presenza di un decimo pianeta oltre Nettuno, dotato di grande massa.
Plutone fu quindi considerato per 76 anni il nono pianeta del sistema solare. Ma nel 1992, in seguito all'individuazione di diversi oggetti di dimensioni simili a Plutone nella fascia di Kuiper ed infine la scoperta di Eris nel 2005, un pianeta del disco diffuso che, pur essendo leggermente più piccolo di Plutone, presenta una massa superiore del 27%, ha portato l'Unione Astronomica Internazionale a riconsiderare, dopo un acceso dibattito, la definizione di pianeta, e a riclassificare così Plutone come pianeta nano l'anno successivo.
Infatti come corpo celeste del sistema solare, Plutone è il sedicesimo per grandezza e il diciassettesimo per massa, ha il diametro maggiore dei pianeti nani e degli oggetti transnettuniani conosciuti, ma presenta massa e dimensioni inferiori a quelle dei maggiori satelliti naturali del sistema solare: i quattro satelliti medicei di Giove, Titano di Urano, Tritone di Nettuno e la Luna. Confrontato con quest'ultima, la sua massa è pari solo ad un sesto e il suo volume ad un terzo. Come gli altri oggetti della fascia di Kuiper, Plutone è principalmente costituito da ghiaccio e roccia.
Nel 1978, J.W. Christy scoprì il primo satellite di Plutone, Caronte. I due corpi celesti distano appena 19.000 Km (la luna dista dalla Terra oltre 360.000 Km) e questo ha sempre fatto pensare ad un unico pianeta, viceversa la scoperta di Caronte ed i ricalcoli della massa hanno sottolineato le modeste dimensioni di Plutone. Tuttavia Caronte non è un vero satellite di Plutone, ma con questo costituisce un sistema planetario binario, in quanto ruotano attorno attorno ad un baricentro esterno ad entrambi. Le dimesioni di Caronte, con un diametro di 1.200 Km ovvero circa la metà di quello di Plutone, e la vicinanza fra i due corpi celesti, ha indotto forze mareali reciproche che hanno determinato una completa sincronia della rotazione di entrambi, pari a 6,39 giorni, per cui Caronte e Plutone si mostrano sempre la stessa faccia e ciascuno si trova alto nel cielo, senza mai spostarsi verso l'orizzonte. Nel luglio 2015, la sonda New Horizons della NASA ha inviato le prime immagini ravvicinate di Plutone e delle sue lune. Utilizzando i dati reali di New Horizons e i modelli di elevazione digitale di Plutone e della sua luna più grande, Caronte, gli scienziati della missione hanno creato filmati di sorvolo che offrono nuove spettacolari prospettive delle molte caratteristiche insolite che sono state scoperte e che hanno rimodellato le nostre vedute del sistema di Plutone - da un punto di osservazione ancora più vicino di un giro su New Horizons stesso.
Nel settembre 2016, gli astronomi hanno annunciato che la calotta bruno-rossastra che ricopre il polo nord di Caronte è composta da toline, macromolecole organiche che possono essere ingredienti per la vita, e che, rilasciate dall'atmosfera di Plutone, precipitano su Caronte a 19.000 km di distanza.

Struttura interna, superficie e atmosfera

Il dato fondamentale su cui ci si basa per ipotizzare la struttura interna di Plutone è la sua densità media (~2 g/cm3). Ciò indica che Plutone è ricco di materiali rocciosi: si pensa che esso consista di un nucleo di silicati, comprendente il 70-80% della massa totale, circondato da un mantello di ghiacci (acqua, metano, azoto). Plutone è dotato di una crosta solida, che sembra essere costituita prevalentemente da metano congelato: si è trovato, infatti, che lo spettro della radiazione solare, riflessa dal pianeta, presenta un minimo assai marcato alle lunghezze d’onda infrarosse, dove cade una banda di assorbimento di questa sostanza. È risultato che la riflettività della superficie non è uniforme: le calotte polari sono le aree più brillanti, mentre nella fascia equatoriale si alternano zone chiare e zone oscure. Sull’esistenza di un’atmosfera si è a lungo speculato, finché essa è stata rivelata nel corso di un’occultazione stellare, avvenuta nel 1988. La scomparsa della stella dietro al disco del pianeta non è stata, infatti, brusca ma graduale, indicando che la luce, prima di essere intercettata dalla superficie solida, aveva subito un’attenuazione dovuta all’attraversamento di strati via via crescenti di atmosfera.
Osservazioni tramite il telescopio spaziale Hubble avevano stimato la densità di Plutone compresa tra 1,8 e 2,1 g/cm³, mentre coi dati della New Horizons si è ottenuta una più precisa stima di 1,860±0,013 g/cm³. La struttura interna di Plutone è probabilmente differenziata, con il materiale roccioso depositato in un nucleo denso circondato da un mantello di ghiaccio.
La densità media di Plutone, pari a due volte quella dell'acqua, suggerisce che il suo interno sia costituito da un miscuglio di materiali rocciosi, di ghiaccio d'acqua e di metano. Alcuni studiosi dell'Università della California sostengono che sotto lo strato ghiacciato Plutone potrebbe ospitare un oceano, mantenuto liquido dal decadimento di materiali radioattivi, dello spessore di 100–180 km.
Le osservazioni con Hubble hanno rivelato sostanziali mutazioni nella topografia plutoniana nel corso degli anni, dovute probabilmente ai cicli stagionali di Plutone che provocano l'evaporazione dell'azoto ghiacciato dal suolo dell'emisfero maggiormente irradiato dal sole con conseguenti precipitazioni nevose nell'emisfero opposto (nel 1987 il polo sud è uscito dalla sua notte invernale che dura 120 anni). Nel corso delle osservazioni è stato riscontrato anche un aumento della tonalità rossa del pianeta rispetto agli anni precedenti, a fronte di una stabilità cromatica del suo satellite Caronte.
La superficie è composta per oltre il 98% di ghiaccio d'azoto, monossido di carbonio e tracce di metano. L'azoto e il monossido di carbonio sono più abbondanti nell'emisfero opposto a quello rivolto a Caronte, attorno alla Sputnik Planitia. Le montagne sono invece costituite da acqua ghiacciata.
Il colore della superficie varia dal nero carbone, all'arancione scuro e al bianco, generalmente più arancione e meno rosso di quella di Marte e più simile a quello di Io. La temperatura superficiale sulla superficie di Plutone si aggira tra i 40 e i 50 °K. Fenomeni di disgelo e precipitazioni danno luogo a strutture che sembrano essere un laghi ghiacciati di azoto liquido, come quello dell'immagine, situato in una catena montuosa appena a nord dello Sputnik Planum di Plutone. Catturata dal Long Range Reconnaissance Imager (LORRI) di New Horizons mentre la sonda sorvolava Plutone il 14 luglio 2015, l'immagine mostra dettagli piccoli come circa 430 piedi (130 metri). Nel suo punto più largo il possibile lago sembra essere di circa 20 miglia (30 Km). Immagine dalla NASA.

Parametri orbitali

A causa dell'eccentricità della sua orbita, la sua distanza dal Sole varia da un minimo di 29,58 UA (al perielio) a un massimo di 49,19 UA (all’afelio). L’inclinazione dell’orbita rispetto al piano dell’eclittica è 17°10'. Il periodo del suo moto di rivoluzione intorno al Sole è di 247,7 anni. Come Venere, ruota su sé stesso in senso retrogrado (cioè nel senso opposto a quello del suo moto di rivoluzione attorno al Sole). In altre parole, l’asse di rotazione di Plutone è rovesciato rispetto a quello della Terra: il polo nord (definito come il polo dal quale la rotazione appare nel verso antiorario) giace al di sotto del piano dell’orbita e il polo sud al di sopra.
Periodicamente Plutone, durante il suo perielio, viene a trovarsi più vicino al Sole di Nettuno e tale si mantiene per circa 20 anni (ultimo tra il 7 febbraio 1979 e l'11 febbraio 1999), tuttavia essendo in risonanza orbitale 2:3 con Nettuno, non gli si avvicina mai a meno di 17 UA nell'afelio, quando i due corpi sono allineati rispetto al Sole. Quando invece Plutone transita al perielio Nettuno si trova in un punto della sua orbita lontano da Plutone. Il pianeta al quale Plutone si avvicina maggiormente è Urano (11 UA). Essere in risonanza 2:3 significa che ogni due orbite di Plutone e tre di Nettuno i due corpi celesti si trovano esattamente nello stesso punto reciproco, pertanto non subiscono perturbazioni che possano modificare le loro orbite creando il rischio di collisioni. La risonanza orbitale tra Nettuno e Plutone è stabile per un periodo calcolato di almeno 20 milioni di anni.
Plutone, pur con le sue particolarità orbitarie, è il prototipo dei cosidetti oggetti transnettuniani risonanti, definiti perciò "plutini", scoperti numerosi nella fascia di Kuiper a partire del 1990.
Il periodo di rotazione di Plutone è stimato in 6,387 giorni con il suo asse di rotazione inclinato di 57,5° rispetto al piano orbitale (ma spesso si legge che è inclinato 123° in quanto viene indicato polo nord quello più vicino al Sole), quindi per lunghi periodi, durante il suo percorso orbitale, Plutone rivolge al Sole lo stesso emisfero così come avviene nel caso di Urano. L'azione delle forze mareali ha costretto il periodo di rotazione di Plutone a sincronizzarsi con il periodo di rivoluzione del suo satellite principale, Caronte: questi ruota in senso retrogrado così come Plutone sul proprio asse, con il risultato che Caronte appare immobile se osservato da Plutone; conseguentemente, è sempre visibile da uno dei suoi emisferi e totalmente invisibile dall'altro.[59]

Satelliti

Plutone ha cinque lune conosciute: Caronte (la più grande, con un diametro che è poco più della metà del suo), Stige, Notte, Cerbero e Idra. Plutone e Caronte vengono considerati un sistema binario o un pianeta doppio, poiché il centro gravitazionale del sistema giace al di fuori di entrambi.
Nel 2005, esaminando le immagini prodotte dal telescopio spaziale Hubble, sono stati individuati Hydra e Nix, mentre nel 2011 è stato individuato Cerbero e nel 2012 Stige. Questa immagine composita mostra un frammento di Caronte e tutte e quattro le piccole lune di Plutone, come risolto dal Long Range Reconnaissance Imager (LORRI) sulla sonda New Horizons. Caronte è di gran lunga la più grande delle lune di Plutone, con un diametro di 1.212 chilometri. Nix e Hydra hanno dimensioni comparabili, circa 40 chilometri di diametro nella loro dimensione più lunga sopra. Kerberos e Styx sono molto più piccoli e hanno dimensioni di circa 10-12 chilometri nella loro dimensione più lunga. Tutte e quattro le piccole lune hanno forme molto allungate, una caratteristica che si pensa essere il risultato di fusioni tra lune ancora più piccole.
Lo spettro Hydra è simile a quello di Caronte, anch'essa dominata dal ghiaccio d'acqua cristallino. Ma le bande di assorbimento del ghiaccio d'acqua di Hydra sono ancora più profonde di quelle di Caronte, suggerendo che i grani di ghiaccio sulla superficie di Hydra sono più grandi o riflettono più luce a determinati angoli rispetto ai grani di Caronte. Si pensa che Hydra si sia formata in un disco di detriti ghiacciati prodotto quando i mantelli ricchi d'acqua sono stati strappati dai due corpi che si sono scontrati per formare il binomio Plutone-Caronte. Le piccole lune esterne sono in risonanza orbitale con Caronte, con periodi orbitali, rispettivamente per Stige, Notte, Cerbero e Idra, di 3, 4, 5 e 6 volte quello di Caronte, che è in rapporto 1:1 con Plutone. Le piccole lune sembrano avere cicli di risonanza ricorrenti tra loro, in particolare la risonanza tra Idra e Notte è 2:3, quello tra Stige e Notte 11:9, fra Stige e Idra 11:6. Le piccole lune Notte, Idra, Stige e Cerbero sembrano ruotare caoticamente ed in modo variabile nel corto periodo, effetto accentuato a causa della loro forma ellissoidale e non sferica. Nel sistema solare uno dei pochi esempi di rotazione caotica è quella di Iperione, satellite irregolare di Saturno.

Caronte

Caronte fu scoperto nel 1978 allo United States Naval Observatory (USNO) a Washington da James Christy, che analizzò alcune lastre fotografiche prese presso l'osservatorio di Flagstaff (NOFS) in Arizona.
Con metà del diametro e un ottavo (12%) della massa di Plutone, Caronte è un satellite naturale piuttosto grande rispetto alle dimensioni del corpo madre; la sua influenza gravitazionale è tale che il baricentro del sistema plutoniano si trova al di fuori di Plutone, e per questo motivo alcuni astronomi avevano proposto di considerarli come un sistema binario all'epoca delle discussioni sulla definizione di pianeta. Così dovrebbe essere secondo le definizioni di sistema binario. La IAU tuttavia classifica Caronte semplicemente come satellite naturale di Plutone e non lo fa comparire nella lista dei pianeti nani ufficialmente approvati.
Anche gli altri satelliti di Plutone (Stige, Notte, Cerbero e Idra) sono in orbita attorno allo stesso baricentro del sistema binario e non a Plutone o a Caronte.
Caronte ha una densità media leggermente inferiore a quella di Plutone, con una composizione di roccia e ghiaccio pari rispettivamente al 55-60% e 45-40% ed è comunque sufficientemente massivo da essere collassato in una forma sferoidale a causa della propria gravità.
A differenza della superficie di Plutone, composta da ghiaccio di azoto e metano, la superficie di Caronte sembra essere coperta essenzialmente da ghiaccio d'acqua.
La mappatura della superficie mostra bande equatoriali brillanti e poli più scuri. La regione polare nord è dominata da una vasta calotta oscura, chiamata "Mordor". La spiegazione più plausibile di questo fenomeno è che questa regione si sia formata dalla condensazione di gas di azoto, monossido di carbonio e metano sublimati d'estate o dispersi dall'atmosfera di Plutone e condensati d'inverno quando la temperatura scende a -258 °C; quando questi ghiacci sono sottoposti alla radiazione solare, reagiscono chimicamente per formare varie toline rossastre che vengono incluse nel ghiaccio sottostante coprendolo alla rilevazione strumentale. L'emisfero meridionale ha meno crateri rispetto a quello settentrionale, il che suggerisce che la superficie si sia consolidata in un secondo tempo, coprendo i precedenti crateri da impatto.
Il lato di Caronte visto dalla sonda New Horizons di passaggio nel luglio 2015 è caratterizzato nella sua fascia equatoriale dalla presenza di creste e scarpate di 6-7 Km. Lo strato esterno di Caronte è principalmente ghiaccio d'acqua che nella prima fase di formaziene planetaria era probabilmente fuso, vuoi per il decadimento di elementi radioattivi, vuoi per i fenomeni mareali indotti da Plutone generanti calore interno di attrito. A poco a poco questi fenomeni hanno ridotto progressivamente la loro azione termica, si è formata inizialmente una spessa crosta ghiacciata esterna. Quando anche l'oceano profondo si è congelato, il ghiaccio si è espanso creando le fratture della crosta, visibili lungo l'equatore.
Caronte e Plutone sono reciprocamente in rotazione sincrona, ovvero volgono sempre lo stesso emisfero l'uno con l'altro. Dall'emisfero di Caronte rivolto verso a Plutone quest'ultimo apparirà fisso nel cielo, e data la distanza di meno di 20.000 km, quest'ultimo sarebbe imponente nel cielo di Caronte, e avrebbe le dimensioni di 13 volte la Luna piena vista dalla Terra, mentre nel cielo di Plutone, Caronte ha un diametro angolare 7 volte rispetto a quello della Luna vista dal nostro pianeta. Dall'altro emisfero ovviamente Plutone rimane perennemente invisibile.
Nonostante l'enorme distanza il Sole illuminerebbe comunque la superficie di Caronte 450 volte di più di quanto ci illumina la Luna piena nelle notti terrestri.