Спостереження, виконані в Обсерваторії Джеміні (Gemini Observatory), що входить до складу NOIRLab NSF, та на інших телескопах показують: надлишок туману на Урані робить його блідішим, ніж Нептун.
Тепер астрономи можуть пояснити, чому схожі планети Уран і Нептун мають різні кольори. Використавши спостережні дані, отримані за допомогою телескопа Джеміні-Північ (Gemini North), інфрачервоного телескопа NASA і Космічного телескопа імені Габбла, дослідники розробили єдину модель атмосфери, яка відповідає результатам спостережень обох планет. Модель показує, що надлишок туману на Урані накопичується в застійній, млявій атмосфері планети і робить її світлішою, ніж у Нептуна.
Нептун і Уран мають багато спільного — у них схожі маси, розміри та склад атмосфери, але їх зовнішній вигляд помітно відрізняється. На видимих довжинах хвиль Нептун має виразно блакитний колір, тоді як Уран — блідий відтінок блакитного. Тепер астрономи мають пояснення, чому дві планети мають різні кольори.
Нові дослідження показують, що шар концентрованого туману, який існує на обох планетах, товщий на Урані, ніж такий шар на Нептуні. Тому він «відбілює» зовнішній вигляд Урана більше, ніж його аналог на Нептуні [1]. Якби в атмосферах Нептуна й Урана не було туману, обидва виглядали б майже однаково блакитними [2].
Цей висновок випливає з моделі [3], яку міжнародна група науковців під керівництвом Патріка Ірвіна (Patrick Irwin), професора фізики планет Оксфордського університету, розробила для опису аерозольних шарів в атмосферах Нептуна та Урана [4]. Попередні дослідження верхніх шарів атмосфер цих планет були зосереджені на їх вивченні лише на певних довжинах хвиль. Однак нова модель, яка розглядає кілька шарів атмосфери, відповідає результатам спостережень обох планет у широкому діапазоні довжин хвиль. Нова модель також включає частинки туману в більш глибоких шарах, що, як вважали раніше, містять лише хмари з льоду метану та сірководню.
На цій діаграмі показано три шари аерозолів в атмосферах Урана і Нептуна, змодельовані групою вчених під керівництвом Патріка Ірвіна (Patrick Irwin). Шкала висоти на діаграмі відповідає значенню тиску вище 10 бар. Найглибший шар (шар Аерозолю-1) товстий і складається із суміші сірководневого льоду та частинок, що утворюються при взаємодії атмосфер планет із сонячним світлом. Визначальним шаром, який впливає на кольори, є середній шар. Це шар з частинок туману (його називають шаром Аерозолю-2) і він на Урані товщий, ніж на Нептуні. Науковці припускають, що на обох планетах метановий лід конденсується на частинках у цьому шарі, що спричиняє їхнє глибше занурення в атмосферу у вигляді метанового снігу. Оскільки атмосфера Нептуна активніша (турбулентна), ніж Урана, науковці вважають, що вона більш ефективна для скупчування частинок метану в шар туману й утворення снігу. Це сприяє видаленню більшої кількості туману і приводить до того, що його шар на Нептуні тонший, ніж на Урані. А це означає — синій колір Нептуна має більш насичений вигляд.
Над обома цими шарами є розширений шар туману (шар Аерозолю-3), схожий на шар під ним, але тонший. На Нептуні над цим шаром також утворюються великі частинки льоду метану. Фото з сайту https://noirlab.edu.
«Це перша модель, яка одночасно відповідає спостережним даним в ділянці електромагнітного спектра від ультрафіолетового до близького інфрачервоного діапазонів довжин хвиль», — пояснив Ірвін, перший автор статті в Journal of Geophysical Research: Planets, де представлено цей результат. «Це також перше пояснення різниці видимих кольорів між Ураном і Нептуном».
«Ми сподівалися, що модель допоможе нам зрозуміти хмари і тумани в атмосфері крижаних гігантів», — зауважив Майк Вонґ (Mike Wong), астроном з Каліфорнійського університету в Берклі, і член наукової групи, яка отримала цей результат. «Пояснення різниці в кольорі між Ураном і Нептуном було несподіваним бонусом!»
Щоб створити модель, група Ірвіна проаналізувала дані спостережень планет, що охоплюють ультрафіолетові, видимі та ближні інфрачервоні довжини хвиль (від 0,3 до 2,5 мікрометра), отримані за допомогою спектрометра інтегрального поля для ближнього інфрачервоного діапазону (Near-Infrared Integral Field Spectrometer, NIFS) на телескопі Gemini North. Цей телескоп, розміщений поблизу вершини Мауна-Кеа на Гаваях, є частиною міжнародної обсерваторії Gemini, якою керує NOIRLab. Окрім цього було використано архівні дані від інфрачервоного телескопа NASA, що також розташований на Гаваях, і дані спостережень Космічного телескопа імені Габбла.
Інструмент NIFS на Gemini North був особливо важливим для цього результату, оскільки він здатний надавати спектри — вимірювання того, яким яскравим є об’єкт на різних довжинах хвиль, — для кожної точки в його полі зору. Це дало змогу науковцям виконати докладні вимірювання відбитого світла атмосферами планет як по всьому їхньому диску, так і в діапазоні довжин хвиль ближнього інфрачервоного діапазону.
«Обсерваторії Gemini постійно дають змогу отримувати нові уявлення про природу наших планетних сусідів», — сказав Мартін Стілл (Martin Still), керівник програми Gemini в Національному науковому фонді. «Для цього дослідження Gemini North надала ту частину з набору наземних і космічних даних, яка мають вирішальне значення для виявлення та характеристики атмосферних туманів».
Модель також допомагає пояснити темні плями, які іноді видно на Нептуні та які астрономи рідше спостерігають на Урані. Хоча науковці вже бачили темні плями в атмосферах обох планет, вони не знали, який шар аерозолю спричиняє їх появу або чому аерозолі в цих шарах відбивають менше світла. Дослідження наукової групи Ірвіна проясняють ці питання, показуючи, що затемнення найглибшого шару в їхній моделі приведе до появи темних плям, схожих на ті, що спостерігаються на Нептуні і, можливо, на Урані.
Примітки
[1] Цей ефект відбілювання схожий на те, як хмари в атмосферах екзопланет притупляють або «згладжують» окремі особливості в спектрах екзопланет.
[2] Сонячне світло з червоної ділянки спектра, розсіяне туманом і молекулами атмосфери, зазнає більшого поглинання молекулами метану в атмосфері планет. Цей процес, який називають розсіюванням Релея, «відповідає» за блакитний колір неба на Землі (хоча в атмосфері Землі сонячне світло головно розсіюється молекулами азоту, а не молекулами водню). Релеївське розсіювання відбувається переважно на більш коротких, синіх довжинах хвиль.
[3] Аерозоль — це суспензія дрібних крапель або часток у газі. Поширені приклади на Землі: імла, кіптява, дим і туман. На Нептуні та Урані частинки, що утворюються під час взаємодії сонячного світла з елементами в атмосфері (фотохімічні реакції), є відповідальними за аерозольні тумани в атмосферах цих планет.
[4] Наукова модель — це обчислювальний інструмент, який науковці використовують для перевірки передбачень про явища, які неможливо дослідити в реальному світі.
За інф. з сайту https://noirlab.edu підготував Іван Крячко
