Charon — satelita Plutona

Charon, syn Nocy, to mityczny przewoźnik dusz przez rzekę Styks do świata umarłych — królestwa Plutona. Jego imieniem został nazwany księżyc Plutona odkryty w połowie 1978 roku przez Jamesa Christy'ego, astronoma z obserwatorium w Waszyngtonie (USA). 22 czerwca 1978 roku Christy, opracowując klisze z obserwacjami Plutona wykonane 155 cm refraktorem we Flagstaff (Arizona), zauważył, że obraz planety nie ma okrągłego kształtu. Na kliszach wykonanych w kwietniu można było dostrzec słabe rozciągnięcie obrazu w kierunku południowym, a na kliszach z maja w kierunku północnym. Po przeanalizowaniu wszystkich możliwych przyczyn, które mogłyby spowodować takie zniekształcenie obrazu (np. błąd w ruchu teleskopu, ruch planety, gwiazda tła itp.) i kolejnej ich eliminacji, okazało się, że otrzymany obraz można uważać za rzeczywisty. I wtedy zrodziła się myśl wytłumaczenia tego faktu istnieniem księżyca Plutona.

Aby jednak upewnić się co do słuszności tego wniosku, Christy zbadał wszystkie klisze z obrazem Plutona zrobione poprzednio tym teleskopem. Rozciągnięcie obrazu można było zauważyć na kliszach z 1965 i 1970 roku. Przebadany materiał wskazywał, że zniekształcenie obrazu zdarzało się tylko w pewnych kierunkach i w określonym czasie. Seria klisz z 1970 roku sugerowała, że okres zmian w obrazie był powyżej 6 dni. Do zaobserwowania rozciągnięcia trzeba też było bardzo dobrych warunków obserwacji. Takie idealne warunki zdarzyły się w ciągu dwóch nocy w lipcu 1978 Toku. Z obrazu otrzymanego 2 lipca we Flagstaff (patrz zdjęcie na trzeciej stronie okładki Uranii nr 4/1982) można było ocenić rozmiar rozciągnięcia, który odpowiadał odległości Charona od Plutona równej 17 000 km. Podobny wynik otrzymano ż fotografii Plutona wykonanych 4 m teleskopem w Cerro Tololo w Chile.

Z tych wszystkich obserwacji R. Harrington i J. Christy podjęli próbę pierwszego oszacowania elementów orbity Charona. Przyjęli przy tym założenia, że orbita satelity jest kołowa o promieniu równym maksymalnej separacji ciał, że moment i kierunek maksymalnego rozciągnięcia obrazu odpowiada przejściu przez węzeł, oraz że okres obiegu Charona wokół Plutona (wynikający ze zmian blasku planety) wynosi 6,3867 dnia. Dla tak prowizorycznie określonej orbity księżyca policzyli efemerydę i stwierdzili zupełnie dobrą zgodność wielkości przewidywanych (separacja i kąt pozycyjny badanych ciał) z wielkościami otrzymanymi z pomiarów.

Jednak w celu poprawienia dokładności elementów orbity Charona potrzeba było więcej danych. W latach 1978 i 1979 napłynęły dalsze obserwacje fotograficzne wykonane zarówno we Flagstaff jak i w innych obserwatoriach: Cerro Tololo, Mauna Kea (Hawaje), Mount Megantic (Quebec, Kanada). We Flagstaff była również wykonana klisza elektrograficzna w 1978 roku. W wyniku jej analizy B. Thomsen i H. D. Ables otrzymali nie tylko wielkość separacji między Plutonem i Charonem, ale również różnicę ich jasności. Uniwersytet w Texas zawiadomił o znalezieniu rozciągnięcia obrazu Plutona na przedodkryciowych kliszach z 1977 roku wykonanych w obserwatorium Mc Donalda. W roku 1980 astronomowie francuscy D. Bonneau i R. Foy przebadali planetę wraz z jej satelitą za pomocą techniki zwanej interferometrią plamkową.1 Użyli do tego celu 3,6 m teleskopu na Mauna Kea. Tego samego typu obserwacja była wykonana również w 1900 roku przez astronomów amerykańskich z obserwatorium Stewarda za pomocą 1,8 m teleskopu. Różniła się jednak tym od poprzednich, że została wykonana w czasie bliskim minimalnej separacji Charona i Plutona. Obserwacje wykonane metodą interferometrii plamkowej dały wreszcie całkowitą pewność, że Charon — satelita Plutona — rzeczywiście istnieje. Oprócz separacji kątowej tych dwóch ciał można było — za pomocą tej techniki — uzyskać jeszcze wielkości średnic planety i jej księżyca oraz różnicę ich jasności.

Jeszcze jedna nietypowa obserwacja była wykonana przez A. Walkera. Astronom ten zaobserwował za pomocą 1 m teleskopu w południowo-afrykańskim obserwatorium w Sutherland zakrycie gwiazdy 13 wielkości z gwiazdozbioru Panny przez Charona. Pozwoliło to określić dolną granicę wartości średnicy Charona oraz znaleźć różnicę jasności Plutona i Charona.

Dysponując już teraz znacznie bogatszym materiałem obserwacyjnym danych fotograficznych oraz uwzględniając pomiary „plamkowe” i obserwacje elektrograficzne, Harrington i Christy wyznaczyli następujące parametry Charona:

• promień orbity (w km): 19 700±300
• okres obiegu (w dniach): 6,3871±0,0002
• mimośród orbity: 0,0
• nachylenie płaszczyzny orbity do płaszczyzny ekliptyki: 94°±3°
• długość węzła wstępującego: 221°±3°
• anomalia prawdziwa na dzień 31 stycznia 1982 r.: 75°±8°
• współrzędne bieguna orbity satelity: α = 8^h44^m, δ = – 4°
• odwrotność masy Plutona i Charona: (1,34±0,07) · 10⁸ M^–1

Wartości masy Charona i promienia jego orbity były jednak znacząco mniejsze od tych, które otrzymali Bonneau i Foy. Z obserwacji wykonanych metodą interferometrii plamkowej pokuszono się też o pewne wnioski dotyczące fizycznych parametrów księżyca. Wartości średnicy Charona otrzymane z pomiarów „plamkowych” wynosiły: u astronomów francuskich 2000±200 km, amerykańskich 1100±600 km, a z obserwacji zakryciowej Walkera 1200 km. Znajomość faktu, że Charon ma jasność o 1,7 mag mniejszą od Plutona, również umożliwia określenie rozmiaru księżyca. Jeżeli (przyjmie się, że oba ciała mają jednakowe albedo, to okazuje się, że średnica Charona wydaje się być prawie o połowę mniejsza od średnicy Plutona. Jeżeli założyć, że gęstość Charona jest podobna do gęstości planety to stosunek mas między nimi będzie rzędu 1/10. Przy założeniu gęstości np. 0,5 g/cm³ (wartość bliska gęstości metanu, który jak się przypuszcza jest dominującym składnikiem powierzchni Plutona) można przewidywać, że masa Charona wynosi 1/8 masy Plutona. Według Bonneau i Foy'a masa Charona równa się 2 · 10²⁴ g.

Stosunek mas księżyca i planety oraz fakt, że okres obiegu Charona jest podobny do okresu obrotu Plutona, wskazują na to, że Charon mógł powstać w wyniku rozszczepienia planety i podtrzymują teorię pływowej ewolucji Charona. Przyczyna, która mogła spowodować oderwanie się księżyca, jest związana z pochodzeniem Plutona. Być może Pluton jest zbiegłym księżycem Neptuna? Obliczenia Harringtona i Van Flanderna z 1976 roku sugerują, że w wyniku spotkania Neptuna z dużą planetą mogłoby nastąpić wyrzucenie Plutona na inną orbitę, a przy okazji oderwanie się od niego kawałka, który stałby się satelitą. Według hipotezy R. Lyttletona Pluton został wypchnięty na inną orbitę w wyniku zbliżenia się do Trytona, innego księżyca Neptuna. Wynikające stąd siły pływowe mogły oderwać kawałek z Plutona. Jeszcze inna hipoteza (wydaje się najmniej prawdopodobną) rozważana przez Walkera mówi, że Pluton nie jest planetą lecz szczątkami komety, a Charon jest kawałkiem jądra komety.

Jak na razie sprawa pochodzenia Plutona, a co za tym idzie i Charona, jest jeszcze ciągle zagadką. Zarówno wyznaczenie orbity jak i określenie fizycznych właściwości Charona wymaga jeszcze wytężonej pracy zarówno obserwatorów jak i teoretyków.