Neptun jest powszechnie znany z tego, że jest intensywnie niebieski, a Uran - zielonkawy, jednak nowe badania wykazało, że oba lodowe olbrzymy mają w rzeczywistości znacznie bardziej zbliżone kolory, niż się powszechnie uważa.
Prawidłowe odcienie planet zostały uzyskane przy pomocy badań prowadzonych pod kierunkiem profesora Patricka Irwina z Uniwersytetu Oksfordzkiego. On i jego zespół odkryli, że oba światy mają w rzeczywistości podobny odcień zielonkawo-niebieskiego, pomimo powszechnie panującego przekonania, że Neptun jest ciemnoniebieski, a Uran ma bladocyjanowy wygląd.
Astronomowie od dawna wiedzą, że większość współczesnych zdjęć obu planet nie odzwierciedla dokładnie ich prawdziwych kolorów. Błędne przekonanie co do ich barwy powstało, ponieważ zdjęcia obu planet wykonane w XX wieku – w tym przez należącą do NASA misję Voyager 2, jedyny statek kosmiczny, który przeleciał obok tych światów – rejestrowały jednokolorowe obrazy w różnych pasmach. Te obrazy zostały później połączone, aby utworzyć złożone obrazy kolorowe, które nie zawsze były dokładnie zrównoważone tak, aby uzyskać „prawdziwie” kolorowy obraz i, szczególnie w przypadku Neptuna, często były „zbyt niebieskie”.
Ponadto wczesne zdjęcia Neptuna z Voyagera 2 zostały znacznie wzmocnione kontrastem, aby lepiej ukazać chmury, pasma i wiatry, które kształtują naszą współczesną perspektywę Neptuna. Chociaż znane zdjęcia Urana z sondy Voyager 2 zostały opublikowane w formie bliższej „prawdziwym” kolorom, zdjęcia Neptuna zostały w rzeczywistości rozciągnięte i uwydatnione, w związku z czym sztucznie uczyniono je zbyt niebieskimi.
Obrazy Urana i Neptuna wykonane przez Voyager 2/ISS opublikowane wkrótce po przelotach Voyagera 2 odpowiednio w 1986 i 1989 r., w porównaniu z ponownym przetwarzaniem obrazów poszczególnych filtrów w tym badaniu w celu określenia najlepszego oszacowania prawdziwych kolorów tych planet. Źródło: Patrick Irwin.
W nowym badaniu naukowcy wykorzystali dane pochodzące ze spektrografu obrazowego (STIS) Kosmicznego Teleskopu Hubble'a oraz z narzędzia Multi Unit Spectroscopic Explorer (MUSE) znajdującego się na Bardzo Dużym Teleskopie (VLT) Europejskiego Obserwatorium Południowego (ESO). W obu instrumentach każdy piksel to ciągłe spektrum kolorów.
Oznacza to, że obserwacje STIS i MUSE można jednoznacznie przetworzyć w celu określenia prawdziwego koloru Urana i Neptuna. Naukowcy wykorzystali te dane do ponownego zrównoważenia złożonych kolorowych obrazów zarejestrowanych przez kamerę Voyager 2, a także przez kamerę szerokokątną 3 (WFC3) Kosmicznego Teleskopu Hubble'a. To ujawniło, że Uran i Neptun mają w rzeczywistości raczej podobny odcień zielonkawo-niebieskiego. Główna różnica polega na tym, że Neptun ma lekką nutę dodatkowego błękitu, co według modelu wynika z cieńszej warstwy mgły na tej planecie.
Badanie dostarcza również odpowiedzi na pytanie dlaczego kolor Urana nieznacznie zmienia się podczas 84-letniego obiegu planety wokół Słońca. Autorzy badania porównali zdjęcia lodowego olbrzyma z pomiarami jego jasności zarejestrowanymi przez Obserwatorium Lowella w Arizonie w latach 1950–2016 w zakresie fal niebieskich i zielonych. Pomiary te wykazały, że Uran wydaje się nieco bardziej zielony w czasie przesileń (tj. latem i zimą), kiedy jeden z biegunów planety jest skierowany w stronę naszej gwiazdy. Jednak podczas równonocy – kiedy Słońce znajduje się nad równikiem – ma nieco bardziej niebieski odcień.
Uran widziany przez HST/WFC3 w latach 2015–2022. Podczas tej sekwencji biegun północny, który ma jaśniejszy zielony kolor, pochyla się w stronę Słońca i Ziemi. Na tych zdjęciach zaznaczono równik i linie szerokości geograficznej na 35N i 35S. Źródło: Patrick Irwin
Wiadomo, że jednym z powodów tego stanu rzeczy jest nietypowa oriantacja osi rotacji Urana. Poruszając się po swojej orbicie, planeta ta niemal leży na boku, co oznacza, że podczas przesileń, biegun północny lub południowy Urana jest skierowany niemal bezpośrednio w stronę Słońca i Ziemi. Jest to ważne, twierdzą autorzy, ponieważ wszelkie zmiany we współczynniku odbicia obszarów polarnych będą miały duży wpływ na ogólną jasność Urana widzianego z naszej planety.
Astronomowie byli mniej pewni, w jak bardzo i dlaczego różni się ten współczynnik odbicia. To skłoniło ich do opracowania modelu, który porównał widma obszarów polarnych Urana z jego obszarami równikowymi. W rezultacie odkryto, że obszary polarne lepiej odbijają światło na długości fali zielonej i czerwonej niż na długości fali niebieskiej, częściowo dlatego, że metan, który pochłania czerwień, występuje w pobliżu biegunów w o połowę mniejszej ilości niż na równiku.
Nie wystarczyło to jednak do pełnego wyjaśnienia zmiany koloru, dlatego badacze dodali do modelu nową zmienną w postaci „kaptura” stopniowo gęstniejącej lodowej mgły, który wcześniej obserwowano nad oświetlonym letnim słońcem biegunem, gdy planeta przechodziła od równonocy do przesilenia. Astronomowie uważają, że ta mgła prawdopodobnie składaja się z cząstek lodu metanowego. Symulowane w modelu cząsteczki lodu dodatkowo zwiększyły odbicie na zielonych i czerwonych falach na biegunach, co wyjaśnia, dlaczego Uran jest bardziej zielony w czasie przesilenia.
Animacja sezonowych zmian koloru Urana w ciągu dwóch lat uranowych (jeden rok uranowy to 84,02 roku ziemskiego), trwających od 1900 do 2068 i rozpoczynających się tuż przed południowym przesileniem letnim, kiedy południowy biegun Urana skierowany jest niemal bezpośrednio w stronę Słońca. Dysk po lewej stronie ukazuje wygląd Urana gołym okiem, podczas gdy kolor dysku po prawej stronie został rozciągnięty i wzmocniony, aby cechy atmosferyczne były wyraźniejsze. Na tej animacji obrót Urana został spowolniony ponad 3000 razy, dzięki czemu można zobaczyć rotację planety oraz dyskretne chmury burzowe przelatujące przez dysk planety. Gdy planeta zbliża się do przesilenia, można zobaczyć blady polarny „kaptur” rosnącego nieprzezroczystości chmur i zmniejszonej zawartości metanu wypełniający większą część dysku planety, co prowadzi do sezonowych zmian w ogólnym kolorze planety. Zmieniający się rozmiar dysku Urana wynika ze zmiany odległości Urana od Słońca podczas jego orbity. Źródło: Patrick Irwin, Uniwersytet Oksfordzki
Profesor Irwin powiedział:
„To pierwsze badanie, które ma na celu dopasowanie modelu ilościowego do danych obrazowych w celu wyjaśnienia, dlaczego kolor Urana zmienia się podczas jego orbity. Wykazaliśmy, że Uran jest bardziej zielony w czasie przesilenia, ponieważ obszary polarne mają zmniejszona obfitość metanu, ale także zwiększoną grubość jasno rozpraszających cząstek lodu metanowego.”
Doktor Heidi Hammel ze Stowarzyszenia Uniwersytetów Badań Astronomicznych (AURA), która spędziła dziesięciolecia na badaniu Neptuna i Urana, ale nie była zaangażowana w badania, dodała:
„Błędne postrzeganie koloru Neptuna, a także niezwykłe zmiany kolorów Urana, nękały nas przez dziesięciolecia. To wszechstronne badanie powinno wreszcie położyć kres obu kwestiom.”
Lodowe olbrzymy Uran i Neptun pozostają kuszącym celem dla przyszłych robotycznych odkrywców, które będą kontynuować badania Voyagera z lat 80. XX wieku.
Więcej informacji: publikacja Patrick Irwin et al, Modelling the seasonal cycle of Uranus's colour and magnitude, and comparison with Neptune, Monthly Notices of the Royal Astronomical Society (2023). DOI: 10.1093/mnras/stad3761
Opracowanie: Joanna Molenda-Żakowicz
Na ilustracji: Uran (po lewej) i Neptun w starym odwzorowaniu kolorystycznym. Źródło: NASA/JPL-Caltech; NASA
