Mise EnVision aneb Česká stopa ve výzkumu Venuše (časopis Vesmír)

Časopis Vesmír

V roce 2031 odstartuje k Venuši evropská sonda EnVision, která bude detailně zkoumat povrch i atmosféru druhé planety Sluneční soustavy a pomůže nám odhalit, proč se Venuše a Země vyvíjely tak odlišně. Do přípravy ambiciózní mise se nově zapojí i český vědecko-technický tým, který se stal součástí mezinárodního konsorcia stojícího za vývojem EnVision, a to s úkolem vyrobit a testovat klíčové systémy sondy. 

Do začátku kosmického věku jsme o Venuši věděli žalostně málo. V podstatě jen to, že se nachází blíže ke Slunci než Země, má podobnou velikost jako naše planeta a je obklopena atmosférou s mračny. Byla to přitom právě větší blízkost ke Slunci spolu s objevem atmosféry, která astronomy na přelomu 19. a 20. století dovedla k domněnce, že na povrchu Venuše bude větší teplo než na Zemi. Proto mnozí po dlouhá desetiletí smýšleli o Venuši jako o tropickém ráji plném mimozemského života a považovali Venuši za dvojče Země. Šeredně se ale pletli. 

Na Venuši na nás totiž tropický ráj nečekal. Namísto toho jsme tam našli peklo. Teplota na povrchu, který vzhledem připomíná výjevy z Mordoru z filmového Pána prstenů, totiž dosahuje až 460 °C. To je dost na tavení olova. Extrémní teplotu způsobuje skleníkový jev zapříčiněný vysokým obsahem oxidu uhličitého v atmosféře. Když k extrémnímu teplu připočteme kapičky kyseliny sírové ve vyšších vrstvách atmosféry a atmosférický tlak drtící vše na povrchu vahou odpovídající přibližně jednomu kilometru vodního sloupce, není těžké uhodnout, proč Venuše není dvojčetem Země. Naopak je jasné, že hledat na jejím povrchu kapalnou vodu nebo dokonce život nedává smysl. Vynořila se tak otázka, proč se podmínky na povrchu Venuše od těch pozemských natolik liší. Ve viditelné části elektromagnetického spektra Venuši nemůžeme zkoumat kvůli oblačné vrstvě zakrývající celou planetu. Pro studium povrchu se hodí radar, který skrz hustou atmosféru proniká. Proto jsme první poznatky o skutečném povrchu Venuše získali až s nástupem radarové astronomie v šedesátých letech 20. století. Radarové snímky odhalily tři vysoce odrazivé oblasti, které dostaly označení Maxwell Montes, Alpha Regio a Beta Regio. Na dlouhé roky ale byla tato trojice v podstatě vše, co jsme o jejím povrchu věděli. 

Obrázek

Zásadním milníkem byly sondy Veněra 9 a 10, které v roce 1975 pořídily první fotografie povrchu s lávovými proudy, naznačujícími dřívější vulkanismus. Až do roku 1978 jsme ale tápali, jak Venuše vypadá v širší perspektivě. Veněry totiž poskytly pohled jen na malou část povrchu – pouze na místa přistání. Byla ale reprezentativní i pro zbytek planety? Částečně tuto nejistotu rozptýlila americká sonda Pioneer Venus Orbiter, která získala první globální údaje o topografii, ale s nízkým rozlišením, takže se daly rozpoznat jen útvary o velikosti stovek kilometrů. V roce 1983 sondy Veněra 15 a 16 detailně zmapovaly severní polokouli. Odhalily geologické struktury jako hřbety, kaňony a lávové proudy, a poskytly tak nový pohled na komplexní morfologii Venuše. K dalšímu obrovskému skoku vpřed došlo v devadesátých letech 20. století, kdy sonda Magellan zmapovala téměř celý povrch v lepším rozlišení a poskytla cenné informace o vlastnostech hornin tvořících vnější kůru planety. Mimořádně kvalitní snímky přinesly průlom v chápání geologických procesů formujících Venuši a odstartovala novou éru studia její morfologie a vývoje. Paradoxně jsme se o krajině vzdálené Venuše dozvěděli více než o podobě oceánského dna na Zemi. 

Překvapivě mladý povrch 

Získaná data přinesla poznání, že okolo 70 % povrchu Venuše tvoří hladké planiny. Ty jsou pokryté množstvím vzájemně se překrývajících lávových proudů, pocházejících z desítek tisíc sopek, rozesetých po celé planetě. Zjistili jsme ale i jinou fascinující věc. Zatímco o sopky není na povrchu Venuše nouze, impaktních kráterů, vzniklých dopadem cizího tělesa, je poskrovnu. Planetologové sice předpokládali, že jich vlivem husté atmosféry bude méně než třeba na Marsu či Měsíci, protože malá tělesa shoří dříve, než dosáhnou povrchu, ale přesto je to překvapilo. Na Venuši se nachází jen okolo tisíce impaktních kráterů, což je neobvykle nízké číslo. To naznačuje, že povrch planety musel v minulosti prodělat proces značného „omlazení“. Na Zemi je většina velkých impaktních kráterů postupně zahlazována účinky deskové tektoniky, avšak na Venuši neexistují žádné přesvědčivé důkazy o přítomnosti podobného mechanismu. Za obnovením povrchu planety tak musí stát jiný proces nebo více procesů. Jenže jakých? 

Obrázek

Magellan odhalil, že před 300 až 750 miliony let došlo na Venuši k něčemu velkolepému. K události, během které byl původní kamenitý povrch nahrazen povrchem novým. Podezření samozřejmě okamžitě padlo na všudypřítomné sopky. Nemohla by sopečná činnost zaplavit nebo opakovaně zaplavovat většinu povrchu lávou? Bohužel existující radarové snímky nemají takovou kvalitu, abychom tuto záhadu mohli zodpovědět. Dodneška se proto ve vědecké obci přeme, co za omlazením povrchu stálo. Postupem času se objevilo několik možných vysvětlení, prozatím ale nemáme žádné, které by mohlo být přijato bez výhrad. Všechny teorie ale předpokládají, že geologická aktivita je spjata s uvolňováním tepla z nitra planety a s jeho výstupem k povrchu, odkud je atmosférou předáváno do okolního mrazivého vesmíru. Teplo v nitru planety pochází ještě z doby jejího formování, kdy se materiál zahříval při srážkách planetesimál, dále z radioaktivního rozpadu hornin a především z diferenciace planetárního jádra. Na Zemi je vnitřní teplo účinně odváděno z pláště deskovou tektonikou, která ale na Venuši chybí. Badatelé zvažují dvě hypotézy. Zaprvé, že se pod kůrou Venuše dlouhodobě hromadilo žhavé magma, jež nakonec vyvřelo v mohutné erupci překrývající dřívější povrch planety. Druhá teorie naznačuje, že tento proces měl opačný efekt a vedl ke kontinuálnímu nárůstu tloušťky planetární kůry. Ta se pak stala nestabilní, starý povrch se (téměř) kompletně zanořil do pláště a vznikla kůra nová. V obou scénářích je patrné, že by se ve vývoji Venuše nejednalo o ojedinělou událost a celý proces by se mohl po nějakém čase opakovat. S dnešními znalostmi ale nedokážeme říci, jaká je frekvence podobných událostí. 

Původ husté atmosféry 

Sopečná činnost byla přitom i jednou z hlavních podezřelých vysvětlujících přítomnost nesmírně husté atmosféry tvořené téměř výhradně oxidem uhličitým. Na Zemi jsou to totiž aktivní sopky, které dokážou do atmosféry velké množství tohoto skleníkového plynu vypouštět. Jestli tomu tak ale je i na Venuši, prozatím nevíme. Ani tady nám existující data neumožňují na tuto otázku odpovědět. Výzkum chemického složení atmosféry Venuše navíc odhalil vysoký poměr deuteria vůči základnímu izotopu vodíku 1H. Je až 250× vyšší než na Zemi. Tato zjištění naznačují, že Venuše mohla v dávné minulosti disponovat značným množstvím vody. Kolik jí mohlo být? Zase nevíme. Možná dost na to, aby povrch kdysi omýval oceán. I když dnes Venuše připomíná peklo, před miliardami let to tak nemuselo být. Planeta mohla vypadat dokonce podobně jako Země. A to snad i dosti dlouho, až po miliardy let. Jenže pak se v jejím vývoji něco zvrtlo a Venuše se vydala jiným směrem než Země. Indicie ukazující na to, že Venuše v dávné minulosti vypadala zcela odlišně, otevírají zajímavou vědeckou otázku, zda na této planetě nemohly být dříve příznivější podmínky umožňující vznik a vývoj nějaké formy života. Kdo ví… 

Budoucí výzkum 

Kdybyste se ve vědecké komunitě v létě 2020 zeptali, jak to vypadá s výzkumem Venuše, slyšeli byste jen slova skepse a frustrace. Oproti Marsu byla v plánech velkých kosmických agentur Venuše přehlíženým světem. Od devadesátých let 20. století jsme na její oběžnou dráhu totiž vyslali jen trojici sond. Žalostně málo k tomu, abychom dokázali naše otázky stran vývoje Venuše zodpovědět. Jenže to se v nedávné době dramaticky změnilo, a to zejména v reakci na hojně diskutovanou detekci fosfanu v její atmosféře (Vesmír 100, 705, 2021/11). V květnu 2021 byly pro detailní průzkum Venuše vybrány tři ambiciózní sondy – dvě americké mise, DAVINCI a VERITAS (ta se však nyní potýká s krácením rozpočtu a byla o několik let odložena, což někteří odborníci považují za krok rovnající se neoficiálnímu zrušení), a evropská sonda EnVision. Zatímco VERITAS a EnVision by se na Venuši měly „dívat“ jen z oběžné dráhy, DAVINCI se pořádně zahřeje. Jednu ze složek sondy totiž čeká přibližně hodinový průlet atmosférou Venuše a dopad na její rozpálený povrch. 

Obrázek

Cílem je prozkoumat zastoupení jednotlivých plynů v atmosféře, vývoj jejího tlaku a teploty a také změřit sílu a směr větrů. Tato ambiciózní mise nám poprvé umožní získat ucelenou představu o složení a dynamice atmosféry. Detailní in situ měření atmosférických plynů a jejich profilů od svrchních vrstev až k povrchu přinesou data, bez nichž nelze naše sofistikované atmosférické modely dále zdokonalovat a zpřesňovat. Nová data by dále mohla přinést zásadní poznatky o původu a zdrojích jednotlivých složek atmosféry Venuše – indicie pro objasnění otázky, zda kdysi nemohla mít Venuše prostředí vhodnější pro vznik a existenci života. Mohli bychom tak lépe pochopit, jak se Venuše stala nehostinným světem. 

Zatímco sonda DAVINCI bude zkoumat atmosféru Venuše přímými měřeními in situ, hlavním úkolem sond VERITAS a EnVision bude pomocí radarů zmapovat povrch planety s bezprecedentní podrobností. Díky vysokému rozlišení pořízených snímků bude poprvé možné identifikovat a studovat povrchové útvary o velikosti pouhých stovek metrů. Navíc ale dokážeme s novými daty detekovat i drobné změny ve tvaru povrchu vlivem sopečné nebo tektonické činnosti, pokud k nim na dnešní Venuši stále dochází. Konečně budeme mít možnost jednoznačně potvrdit, jestli jsou stále ještě na Venuši aktivní sopky (což naznačovala některá dřívější data pořízená evropskou sondou Venus Express a jak se nově ukázalo i snímky pořízené sondou Magellan, viz s. 388) a jak často případně soptí. 

EnVision 

Vyjma dvoupolarizačního radaru VEnSAR, který dodá NASA a který umožní proniknout skrz oblaka a „spatřit“ povrch, ponese evropská sonda i dvojici penetračních radarů operujících na různých frekvencích s cílem prozkoumat, co se skrývá pod povrchem Venuše až do hloubky jednoho kilometru. Spatříme tak, jak mocné jsou lávové proudy, tvořící zdánlivě nekonečné pláně, i to, jak moc je popraskaná kůra v místech rozsáhlých zlomů. Pohled do podzemí nám také umožní zjistit, jestli se pod nánosy ztuhlé lávy nenacházejí pohřbené impaktní krátery, a tak mnohem lépe pochopit, jak omlazování povrchu planety probíhalo. EnVision bude mít na palubě také trojici pokročilých spektrometrů VenSpec-M, VenSpec-U a VenSpec-H, jež budou pracovat v šesti různých spektrálních pásmech. Díky tomu budeme mít k dispozici dostatečný rozsah vlnových délek, který nám poskytne ucelený pohled. Spektrometr VenSpec-M se zaměří na mineralogické složení povrchu a VenSpec-U na mapování výskytu sloučenin síry ve vyšších částech atmosféry planety, čímž se pokusí odhalit látky, které způsobují záhadnou absorpci UV záření. Tu přitom dávají někteří vědci do souvislosti s možným výskytem života v mračnech Venuše. 

Obrázek

Poslední z trojice spektrometrů, VenSpec-H, se bude ve spodních částech atmosféry pídit po stopových molekulách, včetně izotopů vodíku ve vodní páře. Ty mohou pomoci odhalit, jestli na povrchu Venuše v minulosti nebyly oceány a Venuše se přece jen více nepodobala planetě Zemi. A jsou to právě spektrometry, o kterých v České republice určitě ještě uslyšíme (viz rámeček). Posledním vědeckým přístrojem, který EnVision ponese, bude radar, který umožní přesně mapovat pozici sondy vůči planetě. Zpřesní tím naše znalosti o gravitačním poli Venuše, a tedy i o rozložení hmoty v jejím nitru. Mise EnVision představuje vskutku unikátní příležitost ke studiu celého systému jako celku – od nižších vrstev atmosféry přes detailně zmapovaný povrch až po nitro planety. To nám umožní pochopit tajemstvím opředený vývoj Venuše od potenciálně přívětivého světa s oceány kapalné vody v dávné minulosti až po současnou pekelnou realitu planety s životu nepřátelským prostředím. 

Díky EnVision se tak konečně přiblížíme k objasnění klíčové otázky, jak mohla planeta během relativně krátkého času projít tak zásadní proměnou. Poznání způsobu, jakým na Venuši dramaticky stouply koncentrace skleníkových plynů, bude cenné i s ohledem na probíhající globální změnu zemského klimatu. Ale nejen to. Naše zraky se stále více obracejí k exoplanetám v jiných slunečních soustavách. Venuše nám dává možnost pochopit, co od těchto exotických světů čekat. Návrat k druhé planetě Sluneční soustavy proto slibuje pořádné vědecké žně. 

Česká role v misi EnVision 

Trojice spektrometrů, jimiž bude sonda EnVision vybavena, má oddělené optické systémy, ale sdílí centrální jednotku řízení mechanických a elektronických systémů a zpracování dat – centrální procesor, procesor programovatelných hradlových polí, systém pro zpracování signálu a systém pro řízení motorizovaných posuvů. Konsorcium Ústavu fyzikální chemie J. Heyrovského AV ČR, Geofyzikálního ústavu AV ČR a České geologické služby, které vedou autoři tohoto článku, bude mít ve spolupráci s českými firmami na starost výrobu a testování této řídicí elektroniky. Výrobu komponent v ČR financuje Evropská kosmická agentura v rámci projektu „Česká účast v misi EnVision – derisking vývoje VenSpec-H “ programu Programme de développement d‘expériences scientifiques (PRODE X). Česká republika se tak pomyslně na Venuši navrací. V minulosti totiž byla v ČSSR zkonstruována stabilizovaná přístrojová plošina pro sovětské sondy Vega, které pekelnou planetu prozkoumaly pomocí balonových letů v osmdesátých letech minulého století.

Mgr. Petr Brož, Ph. D., (*1984) se v oddělení geodynamiky Geofyzikálního ústavu Akademie věd ČR věnuje výzkumu sopečné činnosti napříč Sluneční soustavou. Specializuje se na Mars. Současně se věnuje i popularizaci geovědních oborů. Je laureátem Prémie Otto Wichterleho (2018), udělované vědcům AV ČR do 35 let, kteří dosáhli mimořádných výsledků, a ceny Hlávkovy nadace. 

Mgr. Veronika Strnadová, Ph. D., (*1976) studovala na Přírodovědecké fakultě UK několik oborů (geochemii, životní prostředí a geografii – dálkový průzkum Země, DPZ) a získala tak širší multidisciplinární záběr. V doktorském studiu se zaměřila na kvantitativní metody DPZ a jejich aplikace do oblasti environmentálního monitoringu. Pracovala rovněž jako konzultantka pro program Copernicus v evropské agentuře EUSPA. V České geologické službě se zaměřuje na aplikaci strojového učení a umělé inteligence pro vyhodnocování širokého spektra dat DPZ. 

RNDr. Martin Ferus, Ph. D., (*1983) vystudoval fyzikální a environmentální chemii na UK v Praze. V Ústavu fyzikální chemie J. Heyrovského AV ČR se věnuje experimentální aplikaci spektroskopie v materiálové chemii, detekci, analýze či vývoji vysoce výkonných pevnolátkových zdrojů světla. Hlavním tématem jeho výzkumů je nicméně kosmochemie se zaměřením na chemickou evoluci biomolekul a jejich prekurzorů během formování a vývoje planet. Obdržel Prémii Otto Wichterleho a ceny Hlávkovy nadace a Učené společnosti ČR. „I když dnes Venuše připomíná peklo, před miliardami let to tak nemuselo být. Planeta mohla vypadat dokonce podobně jako Země.“ „Pohled do podzemí nám umožní zjistit, jestli se pod nánosy ztuhlé lávy nenacházejí pohřbené impaktní krátery, a tak mnohem lépe pochopit, jak omlazování povrchu planety probíhalo.“