Un nuevo descubrimiento revela el por qué de los diferentes colores de Urano y Neptuno

La nave espacial Voyager 2 de la NASA capturó estas vistas de Urano (izquierda) y Neptuno (derecha) durante sobrevuelos planetarios en la década de 1980. Crédito: NASA/JPL-Caltech/B. Johnson

Las observaciones del Observatorio Gemini y otros telescopios revelan una neblina excesiva Urano Lo hace más pálido que Neptuno.

Los astrónomos ahora pueden entender por qué los planetas similares Urano y Neptuno tienen tonalidades distintas. Los investigadores crearon un único modelo atmosférico que coincide con las observaciones de ambos planetas usando observaciones del Telescopio Gemini Norte, NASA instalación de telescopio infrarrojo, y telescopio espacial Hubble. El modelo revela que el exceso de neblina en Urano se está acumulando en la atmósfera lenta y estancada del planeta, dándole un color más claro que el de Neptuno.

Los planetas Neptuno y Urano tienen mucho en común: tienen masas, tamaños y composiciones atmosféricas similares, pero sus apariencias son marcadamente diferentes. En longitudes de onda visibles, Neptuno tiene un color visiblemente más azul mientras que Urano tiene un tono cian más pálido. Los astrónomos ahora tienen una explicación de por qué los dos planetas son de color tan diferente.

Una nueva investigación indica que la capa de neblina concentrada que se encuentra en ambos planetas es más gruesa en Urano que una capa similar en Neptuno y “blanquea” la apariencia de Urano más que en Neptuno.^[1] Si no hay niebla en ambiente Desde Neptuno y Urano, ambos aparecerán aproximadamente iguales en azul.^[2]

Esta conclusión proviene de un modelo^[3] que un equipo internacional dirigido por Patrick Irwin, profesor de física planetaria en la Universidad de Oxford, ha desarrollado para describir las capas de aerosoles en las atmósferas de Neptuno y Urano.^[4] Investigaciones previas de las atmósferas superiores de estos planetas se han centrado en la apariencia de la atmósfera solo en longitudes de onda específicas. Sin embargo, este nuevo modelo, que se compone de múltiples capas atmosféricas, coincide con las observaciones de ambos planetas en una amplia gama de longitudes de onda. El nuevo modelo también incluye partículas difusas dentro de capas más profundas que anteriormente se pensaba que contenían solo nubes de metano y hielo de sulfuro de hidrógeno.

Este diagrama muestra tres capas de aerosoles en las atmósferas de Urano y Neptuno, diseñadas por un equipo de científicos dirigido por Patrick Irwin. El altímetro en el gráfico representa la presión por encima de 10 bar.
La capa más profunda (capa de aerosol-1) es gruesa y consiste en una mezcla de hielo de sulfuro de hidrógeno y partículas de la interacción de las atmósferas planetarias con la luz solar.
La capa principal que afecta a los colores es la capa intermedia, que es una capa de partículas de niebla (referida en el artículo como la capa de aerosol-2) que es más gruesa en Urano que en Neptuno. El equipo sospecha que en ambos planetas, el hielo de metano se condensa en las partículas de esta capa, empujando las partículas más profundamente hacia la atmósfera a medida que cae la nieve de metano. Debido a que la atmósfera de Neptuno es más activa y turbulenta que la de Urano, el equipo cree que la atmósfera de Neptuno es más eficiente para desviar las partículas de metano hacia la capa de neblina y producir esa nieve. Esto elimina más neblina y mantiene la capa de neblina de Neptuno más delgada que en Urano, lo que significa que el azul de Neptuno parece ser más fuerte.
Por encima de ambas capas hay una capa extendida de niebla (capa de aerosol 3) similar a la capa de abajo pero más frágil. En Neptuno, también se forman grandes partículas de hielo de metano por encima de esta capa.
Crédito: Observatorio Internacional Gemini/NOIRLab/NSF/AURA, J. da Silva/NASA/JPL-Caltech/B. Johnson

“Este es el primer modelo que se ajusta sincrónicamente a las observaciones de la luz solar reflejada desde el ultravioleta hasta el infrarrojo cercano”, explicó Irwin, autor principal de un artículo de investigación que presenta este hallazgo en el Journal of Geophysical Research: Planets. “También es el primero en explicar la diferencia de color visible entre Urano y Neptuno”.

El modelo del equipo consta de tres capas de aerosoles a diferentes altitudes.^[5] La capa principal que afecta a los colores es la capa intermedia, que es una capa de partículas de niebla (referida en el documento como la capa de aerosol-2) que es más gruesa sobre el Urano Del Neptuno. El equipo sospecha que en ambos planetas, el hielo de metano se condensa en las partículas de esta capa, empujando las partículas más profundamente hacia la atmósfera a medida que cae la nieve de metano. Debido a que la atmósfera de Neptuno es más activa y turbulenta que la de Urano, el equipo cree que la atmósfera de Neptuno es más eficiente para desviar las partículas de metano hacia la capa de neblina y producir esa nieve. Esto elimina más neblina y mantiene la capa de neblina de Neptuno más delgada que en Urano, lo que significa que el azul de Neptuno parece ser más fuerte.

Mike Wong, astrónomo de Universidad de California, BerkeleyUn miembro del equipo detrás de esta partitura. “¡Explicar la diferencia de color entre Urano y Neptuno fue una ventaja inesperada!”

Para crear este modelo, el equipo de Irwin analizó un conjunto de observaciones planetarias que incluyen longitudes de onda ultravioleta, visible e infrarroja cercana (0,3 a 2,5 micrómetros) tomadas con el espectrómetro de infrarrojo cercano (NIFS) en el telescopio cercano Gemini North. Cumbre de Maunakea en Hawái, parte del Observatorio Internacional Gemini, programa NOIRLab de NSF, además de datos de archivo de la Instalación del Telescopio Infrarrojo de la NASA, también en Hawái, y Telescopio espacial Hubble de NASA/ESA.

El instrumento NIFS en Gemini North fue particularmente importante para este hallazgo porque puede proporcionar espectros (mediciones de qué tan brillante es un objeto en diferentes longitudes de onda) para cada punto en su campo de visión. Esto proporcionó al equipo mediciones detalladas de cómo las atmósferas de ambos planetas se reflejan en todo el disco del planeta y en un rango de longitudes de onda del infrarrojo cercano.

“Los observatorios Gemini continúan brindando nuevos conocimientos sobre la naturaleza de nuestros planetas vecinos”, dijo Martin Steele, Oficial del Programa Gemini en la Fundación Nacional de Ciencias. “En este experimento, Gemini North proporcionó un componente dentro de un conjunto de instalaciones terrestres y espaciales críticas para la detección y caracterización de peligros atmosféricos”.

El modelo también ayuda a explicar las manchas oscuras que a veces aparecen en Neptuno y con menor frecuencia en Urano. Si bien los astrónomos ya estaban al tanto de la presencia de manchas oscuras en las atmósferas de ambos planetas, no sabían qué capa de aerosoles causaba estas manchas oscuras o por qué los aerosoles en esas capas eran menos reflectantes. La investigación del equipo arroja luz sobre estas preguntas al mostrar que el oscurecimiento de la capa más profunda en su modelo dará como resultado manchas oscuras similares a las que se ven en Neptuno y posiblemente en Urano.

notas

1. Este efecto blanqueador es similar al efecto nube. planeta extrasolar Las atmósferas son manifestaciones aburridas o “planas” en el espectro de los exoplanetas.
2. Los colores rojos de la luz solar dispersados ​​por la niebla y las partículas de aire son absorbidos por las partículas de metano en las atmósferas de los planetas. Este proceso, denominado dispersión de riley Es lo que hace que el cielo sea azul aquí en la Tierra (aunque la luz del sol en la atmósfera de la Tierra es dispersada principalmente por moléculas de nitrógeno en lugar de moléculas de hidrógeno). La dispersión de Rayleigh ocurre principalmente en longitudes de onda más cortas y azules.
3. Un aerosol es una suspensión de finas gotas o partículas en un gas. Los ejemplos comunes en la Tierra incluyen niebla, hollín, humo y neblina. En Neptuno y Urano, las partículas de la luz solar interactúan con los elementos de la atmósfera (reacciones fotoquimicas) responsable de las nieblas de aerosol en la atmósfera de estos planetas.
4. Un modelo científico es una herramienta computacional que los científicos usan para probar predicciones sobre un fenómeno que sería imposible de hacer en el mundo real.
5. La capa más profunda (referida en el documento como Aerosol Layer-1) es gruesa y consiste en una mezcla de hielo de sulfuro de hidrógeno y partículas de la interacción de las atmósferas planetarias con la luz solar. La capa superior es una capa extendida de niebla (capa de aerosol 3) similar a la capa intermedia pero más frágil. En Neptuno, también se forman grandes partículas de hielo de metano por encima de esta capa.

más información

Esta investigación fue presentada en un artículo “Misty Blue Worlds: un modelo nebuloso global de Urano y Neptuno, incluidas las manchas oscurasAparecer en Revista de investigación geofísica: planetas.

El equipo está formado por PGJ Irwin (Departamento de Física, Universidad de OxfordReino Unido), NA Teanby (Facultad de Ciencias de la Tierra, Universidad de Brístol, Reino Unido), LN Fletcher (Escuela de Física y Astronomía, Universidad de Leicester, Reino Unido), D. Toledo (Instituto Nacional de Técnica Aeroespacial, España), GS Orton (JPL, Caltech, EE. UU.), MH Wong (Centro de Integración Planetaria Science, Universidad de California, Berkeley, EE. UU.), MT Roman (Escuela de Física y Astronomía, Universidad de Leicester, Reino Unido), S. Perez-Hoyos (Universidad del País Vasco, España), A. James (Departamento de Física, Universidad de Oxford, Reino Unido), J. Dobson (Departamento de Física, Universidad de Oxford, Reino Unido).

NOIRLab (Laboratorio Nacional de Investigación de Astronomía Óptica e Infrarroja) de NSF, el centro estadounidense de astronomía óptica infrarroja terrestre, opera el Observatorio Internacional Gemini (Instalación NSF, NRC-Canadá, ANID-Chile, MCTIC-Brasil, MINCyT- Argentina, KASI – República of Korea), Kate Summit National Observatory (KPNO), Cerro Tololo Inter-American Observatory (CTIO), Community and Data Science Center (CSDC), Vera C. Rubin Observatory (operando en conjunto con el Departamento de SLAC Energy National Accelerator Laboratory) . Está administrado por la Asociación de Universidades para la Investigación en Astronomía (AURA) en virtud de un acuerdo de cooperación con NSF y tiene su sede en Tucson, Arizona. La comunidad astronómica tiene el honor de tener la oportunidad de realizar investigaciones astronómicas en Iolkam Du’ag (Kitt Peak) en Arizona, en Maunakea en Hawai’i y en Cerro Tololo y Cerro Pachón en Chile. Reconocemos y reconocemos el papel cultural muy importante y la reverencia que estos sitios tienen para la nación Tohono O’odham, la comunidad nativa hawaiana y las comunidades chilenas, respectivamente.