Terugkeer naar de ijzige outsider van de planeten

Stel je een wereld voor waar de zon 21 jaar achtereen hoog aan de hemel staat en dan 21 jaar lang niet verschijnt. Een hemellichaam dat op zijn kant ligt, soms bijna voorwaarts rolt in zijn baan rond de zon en op andere momenten in de tegengestelde richting van zijn baan draait – en waar je je totaal niet zou kunnen oriënteren omdat het magnetisch veld pure chaos is.

Zo’n wereld is Uranus. De op één na grootste planeet van het zonnestelsel wijkt in een aantal opzichten af van alle andere, en al jaren hopen de astronomen hem nader te kunnen bestuderen.

Nu lijkt het erop dat die droom wordt verwezenlijkt. In een rapport beveelt de Amerikaanse Nationale Onderzoeksraad aan om een ruimtereis naar Uranus in de jaren 2030 tot de belangrijkste missie van NASA te maken. Het doel is een satelliet voor enkele jaren in een baan rond de planeet te sturen, terwijl een meetsonde diep in zijn dichte atmosfeer zal duiken.

De resultaten moeten ons helpen om ons eigen stelsel te begrijpen – maar ook sterrenstelsels elders in de Melkweg, waar veel planeten als Uranus zijn.

Maar het wordt aanpoten voor NASA. Het ruimtevaartuig moet begin jaren 2030 klaar zijn voor lancering. Als de technici dat niet halen, moeten we tientallen jaren wachten op de volgende kans.

36 jaar sinds laatste bezoek

De reis naar Uranus wordt een van de langste ooit. De planeet draait in een baan op 2,88 miljard kilometer van de zon, dus bijna 20 keer zo ver weg als de aarde.

Daarom is Uranus ijskoud en noemen we hem, net zoals de buitenste planeet Neptunus, een ijsreus. Uranus weegt 14,5 keer zo veel als de aarde en heeft een vier keer zo grote diameter.

Slechts één keer is een ruimtevaartuig in de buurt van Uranus geweest: in 1986 scheerde de Voyager 2 er op een afstand van 81.500 kilometer langs.

Sindsdien is de planeet alleen van veraf bestudeerd, en wetenschappers zitten te springen om betere observaties dan de simpele instrumenten van de Voyager konden opleveren.

De sonde wist alleen de kleur, grootte, temperatuur, dichtheid en het magneetveld van de ijsreus te bepalen. Maar er is meer nodig om de vele mysteries rond de planeet te kunnen oplossen.

De beslissing over een nieuwe missie naar Uranus kan niet veel langer uitgesteld worden.

Het zal zeven tot tien jaar duren om het ruimtevaartuig te bouwen, dat Uranus Orbiter and Probe zal heten. Dit zou dus nog in de eerste helft van de jaren 2030 gelanceerd moeten kunnen worden.

Tegen die tijd zal Jupiter op één lijn staan met Uranus, wat cruciaal is voor de missie. Jupiter kan het ruimteschip met zijn zwaartekracht naar zijn verre doel slingeren, waarmee de reis slechts 12 jaar zal duren, wat veel brandstof bespaart en extra ruimte biedt voor instrumenten.

De volgende keer dat de planeten goed staan, is pas halverwege deze eeuw.

Als het ruimtevaartuig bij Uranus komt, zal het op een wereld stuiten die daar helemaal niet zou moeten zijn. Want de positie van de ijsreus zo ver in het zonnestelsel is een mysterie op zich.

Onderzoekers achten het uitgesloten dat Uranus en Neptunus op hun huidige positie ontstaan zijn, want zo ver weg in het jonge zonnestelsel was er gewoon niet genoeg bouwmateriaal aanwezig.

De heersende theorie is daarom dat de ijsreuzen dichter bij de zon zijn gevormd en vervolgens verder het zonnestelsel in zijn geslingerd toen de gasreuzen Jupiter en Saturnus hun huidige baan innamen.

Een satelliet kan de theorie testen door de elementen van Uranus door te meten en daarna te vergelijken met de samenstelling van Jupiter en Saturnus.

Methaan kleurt Uranus blauw

Astronomen denken dat Uranus bestaat uit een kern van ijzer, nikkel en steen, met een dikke mantel eromheen van ijs van water, ammoniak en methaan.

De atmosfeer bestaat hoofdzakelijk uit waterstof en helium, maar bevat ook een paar procent methaan, dat de ijsreus zijn lichtblauwe kleur geeft – methaan kaatst blauw zonlicht terug de ruimte in.

Uranus heeft twee ringen rond zijn evenaar en 27 manen. De vijf grootste zijn mogelijk tegelijk met de planeet ontstaan, de andere kunnen later zijn ingevangen door het gravitatieveld van Uranus.

Het systeem zou er normaal uitzien, ware het niet dat Uranus gekanteld is en de draaias bijna in hetzelfde vlak ligt als zijn baan rond de zon.

De planeet doet 84 aardse jaren over een rondje om de zon, wat een paar lange, bizarre seizoenen oplevert. Vanaf één punt op de planeet staat de zon 21 aardse jaren aan de hemel, of één lange dag. De 21 jaar daarop wisselen dag en nacht elkaar af met een dag van 17 uur, en de 21 jaar erna vormen één lange nacht.

Botsing kiept Uranus om

Hoe Uranus aan zijn vreemde rotatie kwam is onbekend, maar de theorie is dat de ijsreus in het jonge zonnestelsel werd getroffen door een planeet die twee keer zo veel massa had als de aarde.

Zo’n botsing kan Uranus op zijn kant krijgen. De ijsreus draagt geen sporen meer van de inslag, maar de komende missie kan uitwijzen of enkele manen nog materiaal van de ontploffing bevatten.

De botsing kan ook een ander raadsel van Uranus oplossen – dat de planeet kouder is dan Neptunus, terwijl Neptunus 40 procent minder zonlicht krijgt.

De reden kan zijn dat Uranus bijna doorboord is bij de botsing, waardoor de hitte uit zijn kern in één keer ontsnapte.

Een andere theorie is dat de polen door de liggende rotatieas warmer zijn dan de evenaar, waardoor de planeet ook meer warmte is kwijtgeraakt. Een derde hypothese stelt dat de kern van de ijsreus nog heet is, maar dat een onbekende grenslaag tussen mantel en atmosfeer verhindert dat de warmte ontsnapt.

Het blijft giswerk, maar een satelliet kan het fijne ervan te weten komen.

Dat geldt ook voor het allergrootste mysterie, het chaotische magneetveld van Uranus.

In het hoofdveld zijn de magnetische polen 59 graden van de rotatieas van de planeet verschoven – bij ons zou Europa daarmee de noordpool van de aarde zijn. Tegelijk heeft Uranus een aantal sterke regionale magnetische velden.

Beide aspecten staan in schril contrast met de magnetische velden van de vier rotsplaneten en twee gasreuzen van het zonnestelsel, waarbij de magnetische as dicht bij de rotatieas ligt en de velden zo geordend zijn als bij een staafmagneet.

Vaartuig vol instrumenten

Om de vele mysteries op te lossen zal de Uranus Orbiter and Probe een schat aan instrumenten meekrijgen. De details van het vaartuig kunnen de komende jaren nog veranderen, maar het basisontwerp van satelliet en meetsonde ligt vast.

De satelliet krijgt onder andere vier gyroscopen om de inwendige structuur van Uranus te bestuderen. Dit gebeurt met behulp van gravitatiemetingen, waarbij de gyroscopen registreren hoe de baan van de ijsbol wordt beïnvloed door variaties in zijn gravitatieveld.

Een magnetometer zal de wirwar van het magneetveld in kaart brengen, en de camera van de satelliet fotografeert het oppervlak en het bovenste wolkendek.

Na aankomst zal het een hoogtepunt zijn als de satelliet de meetsonde loslaat, zodat die de atmosfeer in kan duiken.

De sonde bevat een sensorpakket dat temperatuur, druk en dichtheid meet. En een massaspectrometer zal het gehalte aan waterstof, helium en methaan in de atmosfeer bepalen.

De missie zal ongetwijfeld een schat aan gegevens opleveren die ons een heel nieuw begrip van Uranus geven – en van andere zonnestelsels.

Astronomen hebben al 5000 planeten rond andere sterren ontdekt, en maar liefst 40 procent daarvan is een ijsreus. Het is daarom belangrijk uit te zoeken hoe ze ontstaan en welke rol ze spelen in de ontwikkeling van stelsels.

Dit kan bovendien uitwijzen hoezeer ons zonnestelsel op andere lijkt, en dus hoe bijzonder onze positie in het heelal is.