Astronomowie mogą teraz zrozumieć, dlaczego podobne do siebie planety Uran i Neptun mają różne kolory. Wykorzystując obserwacje z teleskopu Gemini North, teleskopu podczerwonego NASA Infrared Telescope Facility oraz Kosmicznego Teleskopu Hubble’a, naukowcy opracowali jeden model atmosfery, który pasuje do obserwacji obu planet. Model ten ujawnia, że nadmiar zamglenia na Uranie gromadzi się w zastygłej, ospałej atmosferze planety i sprawia, że wydaje się ona jaśniejsza niż Neptun.

Uran i Neptun jak bliźniaki

Neptun i Uran mają wiele wspólnego – mają podobne masy, rozmiary i skład atmosfery – jednak ich wygląd jest znacząco różny. W zakresie fal widzialnych Neptun ma wyraźnie bardziej niebieską barwę, podczas gdy Uran jest bladym odcieniem cyjanu. Astronomowie znaleźli wyjaśnienie, dlaczego obie planety mają różne kolory.

Nowe badania sugerują, że warstwa skoncentrowanego zamglenia, która występuje na obu planetach, jest grubsza na Uranie niż podobna warstwa na Neptunie i „wybiela” wygląd Urana bardziej niż Neptuna [1]. Gdyby w atmosferach Neptuna i Urana nie było zamglenia, obie planety wydawałyby się prawie tak samo niebieskie [2].

Wniosek ten wynika z modelu [3], który międzynarodowy zespół pod kierownictwem Patricka Irwina, profesora fizyki planetarnej na Uniwersytecie Oksfordzkim, opracował w celu opisania warstw aerozolu w atmosferach Neptuna i Urana [4]. Poprzednie badania górnych warstw atmosfery tych planet koncentrowały się na wyglądzie atmosfery tylko przy określonych długościach fal. Jednak ten nowy model, składający się z wielu warstw atmosfery, odpowiada obserwacjom z obu planet w szerokim zakresie długości fal. Nowy model uwzględnia również cząsteczki zamglenia w głębszych warstwach, o których wcześniej sądzono, że zawierają jedynie chmury lodowe metanu i siarkowodoru.

„Jest to pierwszy model, który jednocześnie pasuje do obserwacji odbitego światła słonecznego od ultrafioletu do bliskiej podczerwieni” – wyjaśnia Irwin, który jest głównym autorem pracy prezentującej te wyniki w Journal of Geophysical Research: Planets. „Jest to również pierwszy model, który wyjaśnia różnicę w kolorze widzialnym pomiędzy Uranem a Neptunem”.

Uran i Neptun – która planeta ma mocniejszy kolor

Model opracowany przez zespół składa się z trzech warstw aerozoli na różnych wysokościach [5]. Kluczową warstwą, która wpływa na kolory jest warstwa środkowa, czyli warstwa cząsteczek zamglenia (zwana w pracy warstwą Aerosol-2), która jest grubsza na Uranie niż na Neptunie. Zespół badaczy podejrzewa, że na obu planetach lód metanowy skrapla się na cząsteczkach tej warstwy, wciągając je w głąb atmosfery w postaci deszczu metanowego śniegu. Ponieważ Neptun ma bardziej aktywną i burzliwą atmosferę niż Uran, zespół uważa, że atmosfera Neptuna jest bardziej wydajna w unoszeniu cząsteczek metanu do warstwy zamglenia i produkowaniu śniegu. Dzięki temu usuwana jest większa część zamglenia i warstwa zamglenia na Neptunie jest cieńsza niż na Uranie, co sprawia, że niebieski kolor Neptuna jest mocniejszy.

„Mieliśmy nadzieję, że opracowanie tego modelu pomoże nam zrozumieć chmury i zamglenia w atmosferach lodowych olbrzymów” – skomentował Mike Wong, astronom z Uniwersytetu Kalifornijskiego w Berkeley, członek zespołu, który opracował ten wynik. „Wyjaśnienie różnicy w kolorze pomiędzy Uranem i Neptunem było nieoczekiwanym bonusem!”.

Aby stworzyć ten model, zespół Irwina przeanalizował zestaw obserwacji planet obejmujący ultrafiolet, widzialność i bliską podczerwień (od 0,3 do 2. 5 mikrometrów) wykonanych za pomocą spektrometru Near-Infrared Integral Field Spectrometer (NIFS) na teleskopie Gemini North w pobliżu szczytu Maunakea na Hawajach – który jest częścią międzynarodowego Gemini Observatory, programu NSF’s NOIRLab – jak również danych archiwalnych z NASA Infrared Telescope Facility, również znajdującego się na Hawajach, oraz Kosmicznego Teleskopu Hubble’a NASA/ESA.

Uran i Neptun – szczegółowe pomiary

Instrument NIFS na Gemini North był szczególnie ważny dla tych wyników, ponieważ jest on w stanie dostarczyć widma – pomiary jasności obiektu na różnych długościach fal – dla każdego punktu w swoim polu widzenia. Dzięki temu zespół uzyskał szczegółowe pomiary stopnia odbicia atmosfer obu planet zarówno w całym dysku planety, jak i w zakresie fal bliskiej podczerwieni.

„Obserwatoria Gemini wciąż dostarczają nowych informacji na temat natury naszych planetarnych sąsiadów” – powiedział Martin Still, dyrektor programu Gemini w National Science Foundation. „W tym eksperymencie Gemini North stanowi jeden z elementów zestawu naziemnych i kosmicznych urządzeń krytycznych dla wykrywania i charakteryzowania zamglenia atmosferycznego”.

Model pomaga również wyjaśnić ciemne plamy, które od czasu do czasu są widoczne na Neptunie i rzadziej wykrywane na Uranie. Podczas gdy astronomowie byli już świadomi obecności ciemnych plam w atmosferach obu planet, nie wiedzieli, która warstwa aerozolu powoduje powstawanie tych ciemnych plam, ani dlaczego aerozole w tych warstwach są mniej odblaskowe. Badania zespołu naukowców rzucają światło na te pytania, pokazując, że zaciemnienie najgłębszej warstwy w ich modelu spowodowałoby powstanie ciemnych plam podobnych do tych, które można zaobserwować na Neptunie i być może Uranie.

Uwagi

[1] Ten efekt wybielenia jest podobny do tego, jak chmury w atmosferach egzoplanet przyciemniają lub „spłaszczają” cechy w widmach egzoplanet.

[2] Czerwone kolory światła słonecznego rozproszonego z mgły i cząsteczek powietrza są bardziej absorbowane przez cząsteczki metanu w atmosferze planet. Proces ten – zwany rozpraszaniem Rayleigha – jest tym, co sprawia, że niebo na Ziemi jest niebieskie (choć w atmosferze ziemskiej światło słoneczne jest rozpraszane głównie przez cząsteczki azotu, a nie wodoru). Rozpraszanie Rayleigha występuje głównie przy krótszych, bardziej niebieskich długościach fal.

[3] Aerozol to zawiesina drobnych kropel lub cząsteczek w gazie. Typowe przykłady na Ziemi to mgła, sadza, dym i zamglenie. Na Neptunie i Uranie cząsteczki wytwarzane przez światło słoneczne oddziałujące z pierwiastkami w atmosferze (reakcje fotochemiczne) są odpowiedzialne za zamglenia aerozolowe w atmosferach tych planet.

[4] Model naukowy to narzędzie obliczeniowe używane przez naukowców do testowania przewidywań dotyczących zjawisk, które byłyby niemożliwe do przeprowadzenia w świecie rzeczywistym.

[5] Najgłębsza warstwa (zwana w artykule warstwą Aerosol-1) jest gruba i składa się z mieszaniny lodu siarkowodorowego i cząsteczek powstałych w wyniku oddziaływania atmosfer planet ze światłem słonecznym. Górna warstwa to wydłużona warstwa zamglenia (warstwa Aerosol-3) podobna do warstwy środkowej, ale bardziej delikatna. Na Neptunie nad tą warstwą tworzą się również duże cząstki lodu metanowego.

Fot.: Tristan3D / stock.adobe.com

Źródło: Association of Universities for Research in Astronomy (AURA).