Gemini North Telescope helpt verklaren waarom Uranus en Neptunus verschillende kleuren hebben

[univers]

NASA's Voyager 2-ruimtevaartuig legde deze beelden vast van Uranus (aan de linkerkant) en Neptunus (aan de rechterkant) tijdens zijn vlucht langs de planeten in de jaren tachtig. Credit:NASA/JPL-Caltech/B. Jonsson

Astronomen begrijpen nu misschien waarom de vergelijkbare planeten Uranus en Neptunus verschillende kleuren hebben. Met behulp van waarnemingen van de Gemini North-telescoop, de NASA Infrared Telescope Facility en de Hubble Space Telescope hebben onderzoekers een enkel atmosferisch model ontwikkeld dat overeenkomt met waarnemingen van beide planeten. Het model laat zien dat een teveel aan waas op Uranus zich ophoopt in de stilstaande, trage atmosfeer van de planeet, waardoor het er lichter uitziet dan Neptunus.

Neptunus en Uranus hebben veel gemeen - ze hebben vergelijkbare massa's, afmetingen en atmosferische composities - maar hun uiterlijk is opmerkelijk verschillend. Op zichtbare golflengten heeft Neptunus een duidelijk blauwere kleur, terwijl Uranus een bleke tint cyaan heeft. Astronomen hebben nu een verklaring waarom de twee planeten verschillende kleuren hebben.

Nieuw onderzoek suggereert dat een laag geconcentreerde waas die op beide planeten aanwezig is, dikker is op Uranus dan een vergelijkbare laag op Neptunus en het uiterlijk van Uranus meer 'wit maakt' dan dat van Neptunus [1] . Als er geen nevel in de atmosfeer van Neptunus en Uranus zou zijn, zouden beide bijna even blauw lijken [2] .

Deze conclusie komt uit een model [3] dat een internationaal team onder leiding van Patrick Irwin, hoogleraar planetaire fysica aan de universiteit van Oxford, heeft ontwikkeld om aërosollagen in de atmosfeer van Neptunus en Uranus [4] te beschrijven . Eerdere onderzoeken naar de bovenste atmosferen van deze planeten waren gericht op het uiterlijk van de atmosfeer op alleen specifieke golflengten. Dit nieuwe model, dat uit meerdere atmosferische lagen bestaat, komt echter overeen met waarnemingen van beide planeten over een breed scala aan golflengten. Het nieuwe model bevat ook neveldeeltjes in diepere lagen waarvan eerder werd gedacht dat ze alleen wolken van methaan en waterstofsulfide-ijs bevatten.


Dit diagram toont drie lagen aerosolen in de atmosfeer van Uranus en Neptunus, zoals gemodelleerd door een team van wetenschappers onder leiding van Patrick Irwin. De hoogteschaal op het diagram geeft de druk boven 10 bar weer.

De diepste laag (de Aerosol-1-laag) is dik en bestaat uit een mengsel van waterstofsulfide-ijs en deeltjes geproduceerd door de interactie van de atmosfeer van de planeten met zonlicht.

De belangrijkste laag die de kleuren beïnvloedt, is de middelste laag, een laag waasdeeltjes (in het papier de Aerosol-2-laag genoemd) die dikker is op Uranus dan op Neptunus. Het team vermoedt dat op beide planeten methaanijs condenseert op de deeltjes in deze laag, waardoor de deeltjes dieper de atmosfeer in trekken in een regen van methaansneeuw. Omdat Neptunus een actievere, turbulentere atmosfeer heeft dan Uranus, gelooft het team dat de atmosfeer van Neptunus efficiënter is in het oprollen van methaandeeltjes in de nevellaag en het produceren van deze sneeuw. Dit verwijdert meer van de waas en houdt de waaslaag van Neptunus dunner dan op Uranus, wat betekent dat de blauwe kleur van Neptunus er sterker uitziet. Boven beide lagen bevindt zich een verlengde waaslaag (de Aerosol-3-laag), vergelijkbaar met de laag eronder, maar dunner. Op Neptunus vormen zich boven deze laag ook grote methaanijsdeeltjes. Credit:Internationaal Gemini Observatorium/NOIRLab/NSF/AURA, J. da Silva/NASA /JPL-Caltech /B. Jonsson

"Dit is het eerste model dat gelijktijdig geschikt is voor observaties van gereflecteerd zonlicht van ultraviolette tot bijna-infrarode golflengten", legt Irwin uit, de hoofdauteur van een paper waarin dit resultaat wordt gepresenteerd in de Journal of Geophysical Research: Planets . “ Het is ook de eerste die het verschil in zichtbare kleur tussen Uranus en Neptunus verklaart. ”

Het model van het team bestaat uit drie lagen aerosolen op verschillende hoogtes [5] . De belangrijkste laag die de kleuren beïnvloedt, is de middelste laag, een laag waasdeeltjes (in het papier de Aerosol-2-laag genoemd) die dikker is op Uranus dan op Neptunus. Het team vermoedt dat op beide planeten methaanijs condenseert op de deeltjes in deze laag, waardoor de deeltjes dieper de atmosfeer in trekken in een regen van methaansneeuw. Omdat Neptunus een actievere, turbulentere atmosfeer heeft dan Uranus, gelooft het team dat de atmosfeer van Neptunus efficiënter is in het oprollen van methaandeeltjes in de nevellaag en het produceren van deze sneeuw. Dit verwijdert meer van de waas en houdt de waaslaag van Neptunus dunner dan op Uranus, wat betekent dat de blauwe kleur van Neptunus er sterker uitziet.

"We hoopten dat de ontwikkeling van dit model ons zou helpen wolken en nevelen in de atmosfeer van ijsreuzen te begrijpen", zegt Mike Wong, een astronoom aan de University of California, Berkeley, en een lid van het team achter dit resultaat. "Het uitleggen van het kleurverschil tussen Uranus en Neptunus was een onverwachte bonus!"

Om dit model te maken, analyseerde het team van Irwin een reeks waarnemingen van de planeten die ultraviolette, zichtbare en nabij-infrarode golflengten (van 0,3 tot 2,5 micrometer) omvatten, genomen met de Near-Infrared Integral Field Spectrometer ( NIFS ) op de Gemini North- telescoop nabij de top van Maunakea in Hawai'i - die deel uitmaakt van het internationale Gemini Observatory , een programma van NSF 's NOIRLab - evenals archiefgegevens van de NASA Infrared Telescope Facility , ook gevestigd in Hawai'i, en de NASA/ESA Hubble Ruimtetelescoop .

Het NIFS-instrument op Gemini North was bijzonder belangrijk voor dit resultaat, omdat het in staat is om spectra te leveren - metingen van hoe helder een object is bij verschillende golflengten - voor elk punt in zijn gezichtsveld. Dit leverde het team gedetailleerde metingen op van hoe reflecterend de atmosferen van beide planeten zijn over zowel de volledige schijf van de planeet als over een reeks nabij-infrarode golflengten.

"De Gemini-observatoria blijven nieuwe inzichten opleveren in de aard van onze planetaire buren", zegt Martin Still, Gemini Program Officer bij de National Science Foundation. "In dit experiment leverde Gemini North een component binnen een reeks op de grond en in de ruimte gebaseerde faciliteiten die cruciaal zijn voor de detectie en karakterisering van atmosferische nevels."

Het model helpt ook de donkere vlekken te verklaren die af en toe zichtbaar zijn op Neptunus en minder vaak worden gedetecteerd op Uranus. Terwijl astronomen zich al bewust waren van de aanwezigheid van donkere vlekken in de atmosferen van beide planeten, wisten ze niet welke aerosollaag deze donkere vlekken veroorzaakte of waarom de aerosolen op die lagen minder reflecterend waren. Het onderzoek van het team werpt licht op deze vragen door aan te tonen dat een verduistering van de diepste laag van hun model donkere vlekken zou produceren die vergelijkbaar zijn met die op Neptunus en misschien Uranus.



Opmerkingen:
[1] Dit witmakende effect is vergelijkbaar met hoe wolken in de atmosferen van exoplaneten de kenmerken van exoplaneten dof maken of 'afvlakken'.

[2] De rode kleuren van het zonlicht dat verstrooid wordt door de nevel en luchtmoleculen worden meer geabsorbeerd door methaanmoleculen in de atmosfeer van de planeten. Dit proces - Rayleigh-verstrooiing genoemd - is wat de lucht hier op aarde blauw maakt (hoewel zonlicht in de atmosfeer van de aarde meestal wordt verstrooid door stikstofmoleculen in plaats van waterstofmoleculen). Rayleigh-verstrooiing treedt voornamelijk op bij kortere, blauwere golflengten.

[3] Een aerosol is een suspensie van fijne druppeltjes of deeltjes in een gas. Veelvoorkomende voorbeelden op aarde zijn mist, roet, rook en mist. Op Neptunus en Uranus zijn deeltjes geproduceerd door zonlicht dat in wisselwerking staat met elementen in de atmosfeer ( fotochemische reacties ) verantwoordelijk voor aerosolnevels in de atmosfeer van deze planeten.

[4] Een wetenschappelijk model is een rekenhulpmiddel dat door wetenschappers wordt gebruikt om voorspellingen te testen over een fenomeen dat in de echte wereld onmogelijk zou zijn.

[5] De diepste laag (in het papier de Aerosol-1-laag genoemd) is dik en bestaat uit een mengsel van waterstofsulfide-ijs en deeltjes die worden geproduceerd door de interactie van de atmosfeer van de planeten met zonlicht. De bovenste laag is een verlengde waaslaag (de Aerosol-3-laag) vergelijkbaar met de middelste laag, maar dunner. Op Neptunus vormen zich boven deze laag ook grote methaanijsdeeltjes.

https://noirlab.edu/public/news/noirlab2211/?lang