Почему Уран и Нептун разного цвета

Теперь астрономы могут понять, почему похожие планеты Уран и Нептун имеют разные цвета. Используя наблюдения телескопа Gemini North, инфракрасного телескопа НАСА и космического телескопа Хаббла, исследователи разработали единую модель атмосферы, которая соответствует наблюдениям за обеими планетами. Модель показывает, что избыточная дымка на Уране накапливается в застойной, вялой атмосфере планеты и делает его более светлым, чем Нептун.

У Нептуна и Урана много общего — у них схожие массы, размеры и состав атмосферы, — но их внешний вид заметно различается. В видимом диапазоне длин волн Нептун имеет отчетливо более синий цвет, тогда как Уран имеет бледный оттенок голубого. Теперь у астрономов есть объяснение, почему две планеты имеют разный цвет.

Новое исследование предполагает, что слой концентрированной дымки, существующий на обеих планетах, на Уране толще, чем аналогичный слой на Нептуне, и «отбеливает» внешний вид Урана сильнее, чем Нептуна [1]. Если бы в атмосферах Нептуна и Урана не было дымки, обе они казались бы почти одинаково голубыми [2].

Этот вывод следует из модели [3], разработанной международной группой под руководством Патрика Ирвина, профессора планетарной физики Оксфордского университета, для описания аэрозольных слоев в атмосферах Нептуна и Урана [4]. Предыдущие исследования верхних атмосфер этих планет были сосредоточены на появлении атмосферы только на определенных длинах волн. Однако эта новая модель, состоящая из нескольких атмосферных слоев, соответствует наблюдениям с обеих планет в широком диапазоне длин волн. Новая модель также включает частицы дымки в более глубоких слоях, которые ранее считались содержащими только облака метана и сероводородных льдов.

«Это первая модель, которая одновременно соответствует наблюдениям за отраженным солнечным светом от ультрафиолетового до ближнего инфракрасного диапазона», — пояснил Ирвин, ведущий автор статьи, представляющей этот результат в « Журнале геофизических исследований: планеты» . «Это также первое объяснение разницы в видимых цветах между Ураном и Нептуном».

Модель команды состоит из трех слоев аэрозолей на разной высоте [5]. Ключевым слоем, влияющим на цвета, является средний слой, представляющий собой слой частиц дымки (называемый в статье слоем Aerosol-2), который на Уране толще, чем на Нептуне. Команда подозревает, что на обеих планетах метановый лед конденсируется на частицах в этом слое, затягивая частицы глубже в атмосферу в виде дождя из метанового снега. Поскольку у Нептуна более активная и турбулентная атмосфера, чем у Урана, команда считает, что атмосфера Нептуна более эффективно взбивает частицы метана в слой дымки и производит этот снег. Это удаляет больше дымки и делает слой дымки на Нептуне тоньше, чем на Уране, а это означает, что синий цвет Нептуна выглядит сильнее.

«Мы надеялись, что разработка этой модели поможет нам понять облака и дымку в атмосферах ледяных гигантов», — прокомментировал Майк Вонг, астроном из Калифорнийского университета в Беркли и член группы, стоящей за этим результатом. «Объяснение разницы в цвете между Ураном и Нептуном было неожиданным бонусом!»

Чтобы создать эту модель, команда Ирвина проанализировала ряд наблюдений планет в ультрафиолетовом, видимом и ближнем инфракрасном диапазонах (от 0,3 до 2,5 микрометров), сделанных с помощью спектрометра интегрального поля ближнего инфракрасного диапазона (NIFS) на телескопе Gemini North около вершина Маунакеа на Гавайях, которая является частью международной обсерватории Джемини, программы NOIRLab Национального научного фонда, а также архивные данные Инфракрасного телескопа НАСА, также расположенного на Гавайях, и НАСА/ЕКА Космический телескоп Хаббл.

Инструмент NIFS на Gemini North был особенно важен для этого результата, поскольку он способен предоставить спектры — измерения того, насколько ярким является объект на разных длинах волн — для каждой точки в его поле зрения. Это дало команде подробные измерения того, насколько отражательна атмосфера обеих планет как по всему диску планеты, так и по всему диапазону длин волн ближнего инфракрасного диапазона.

«Обсерватории Близнецов продолжают давать новое представление о природе наших планетарных соседей», — сказал Мартин Стилл, руководитель программы Близнецов в Национальном научном фонде. «В этом эксперименте Gemini North предоставила компонент в наборе наземных и космических средств, критически важных для обнаружения и определения характеристик атмосферной дымки».

Модель также помогает объяснить темные пятна, которые иногда видны на Нептуне и реже обнаруживаются на Уране. Хотя астрономы уже знали о наличии темных пятен в атмосферах обеих планет, они не знали, какой аэрозольный слой вызывает эти темные пятна или почему аэрозоли в этих слоях обладают меньшей отражательной способностью. Исследование группы проливает свет на эти вопросы, показывая, что затемнение самого глубокого слоя их модели приведет к появлению темных пятен, подобных тем, что видны на Нептуне и, возможно, на Уране.

Заметки

[1] Этот эффект отбеливания подобен тому, как облака в атмосферах экзопланет тускнеют или «сглаживают» детали в спектрах экзопланет.

[2] Красные цвета солнечного света, рассеянного дымкой и молекулами воздуха, больше поглощаются молекулами метана в атмосфере планет. Этот процесс, называемый рэлеевским рассеянием, делает небо здесь, на Земле, голубым (хотя в земной атмосфере солнечный свет в основном рассеивается молекулами азота, а не молекулами водорода). Рэлеевское рассеяние происходит преимущественно на более коротких и голубых длинах волн.

[3] Аэрозоль представляет собой взвесь мелких капель или частиц в газе. Общие примеры на Земле включают туман, сажу, дым и туман. На Нептуне и Уране частицы, образующиеся при взаимодействии солнечного света с элементами атмосферы (фотохимические реакции), ответственны за аэрозольные туманы в атмосферах этих планет.

[4] Научная модель — это вычислительный инструмент, используемый учеными для проверки предсказаний о явлениях, которые было бы невозможно сделать в реальном мире.

[5] Самый глубокий слой (называемый в статье слоем Aerosol-1) толстый и состоит из смеси сероводородного льда и частиц, образующихся при взаимодействии атмосфер планет с солнечным светом. Верхний слой представляет собой расширенный слой дымки (слой Aerosol-3), похожий на средний слой, но более тонкий. На Нептуне над этим слоем также образуются крупные частицы метанового льда.