Neptú i Urà: el Hubble descobreix el secret dels seus colors

Clic per engrandir. La sonda Voyager 2 de la NASA va capturar aquestes vistes d'Urà (esquerra) i Neptú (dreta) durant els seus sobrevols dels planetes a la dècada de 1980. Crèdit: NASA, JPL-Caltech. B. Jónsson.

Urà, el primer planeta descobert amb un telescopi. Partim a  la descoberta d'Urà, un gegant de gel situat a tres mil milions de quilòmetres de la Terra. Un món fred i estrany de la que tot just comencem a entendre la seva història i la seva composició.  

Els gegants de gel del Sistema Solar Neptú i Urà tenen molt en comú, masses, mides i composicions atmosfèriques similars. Però curiosament, Neptú sembla molt més blau en el visible que Urà. Les observacions a diverses longituds d'ona han permès desenvolupar models atmosfèrics que reprodueixen i expliquen aquesta diferència per primera vegada.

Carl Sagan i André Brahic, malauradament, ja no estan entre nosaltres per comentar els descobriments fets als planetes gegants del Sistema Solar, però els seus col·legues continuen explorant aquests mons. Si els gasosos com Júpiter i Saturn ens són molt més coneguts ara després de les missions Juno i Cassini, els gelats -descobertes per Herschel (Urà) i Le Verrier (Neptú)- encara amaguen molts misteris. 

Només la sonda Voyager 2 es va apropar a Urà i Neptú, descobrint en el cas d'aquest últim una meteorologia molt més activa de la que s'esperava per a un planeta tan allunyat del Sol (per tant, rebent molta menys energia que Saturn), posseint com ell una taca, negre en aquest ocasió, indicatiu d'una enorme tempesta planetària anticiclònica.

VIDEO: Podeu triar l'idioma de subtitulació a la configuració del video. El telescopi espacial Hubble de la NASA ha capturat imatges accelerades d'una gran tempesta fosca a Neptú a punt de desaparèixer. Un programa recent del Hubble anomenat Outer Planets Atmosphere Legacy, o OPAL (Llegat de les atmosferes d'altres planetes), proporciona mapes globals anuals dels nostres planetes gegants de gas, permetent als científics planetaris veure canvis en formacions com les tempestes fosques de Neptú. Crèdit: NASA Goddard Space Flight Center, Katrina Jackson.

Per tant, els científics planetaris s'han conformat des de la dècada de 1980 amb continuar el seu estudi d'Urà i Neptú utilitzant telescopis a terra o amb el Hubble en òrbita. Veiem una nova il·lustració d'això amb un article publicat al Journal of Geophysical Research: Planets, però també en accés gratuït a arXiv, que presenta el treball d'un equip internacional liderat per Patrick Irwin, professor de física planetària a la Universitat d'Oxford.

Aquest treball es basa en anàlisis de dades d'arxiu de diversos anys recollides en primer lloc amb el Hubble, que es van obtenir amb el seu STIS (sigles en anglès de Espectrògraf d'imatges del telescopi espacial) i que van des de l' ultraviolat fins a l'infraroig, així com nombroses imatges que el Hubble va fer d'Urà i Neptú. amb la mítica Càmera de Gran Angular 3 (WFC3). Les dades recollides amb el  telescopi Gemini North i la instal·lació de telescopis infrarojos de la NASA (IRTF) també han demostrat ser valuoses.

Aquestes observacions han alimentat models acadèmics de transferència radiativa a les atmosferes dels dos gegants (i d'aquestes mateixes atmosferes) constituïdes en gran part per gel i que ara permeten als astrònoms entendre millor perquè amb masses i radis molt semblants, i composicions i estructures que són igualment, Urà i Neptú encara tenen colors diferents.

Clic per engrandir. Una vista d'Urà presa pel Hubble el 25 d'octubre de 2021 destaca el brillant "casquet" al pol nord del planeta. És primavera a l'hemisferi nord i l'augment de la radiació ultraviolada del Sol sembla estar fent que la regió polar s'il·lumini. Els investigadors no saben realment per què. Podria ser un canvi en l'opacitat de la boira atmosfèrica de metà o alguna variació en les partícules de l'aerosol. Curiosament, tot i que el casquet atmosfèric es torna més brillant, el límit més marcat cap al sud es manté a la mateixa latitud. Això ha estat coherent durant els últims anys d'observacions del planeta del Hubble. Pot ser una mena de corrent en raig posa una barrera en aquesta latitud de 43 graus. Crèdit: NASA, ESA, A. Simon (Goddard Space Flight Center) i M. H. Wong (Universitat de Califòrnia, Berkeley) i l'equip OPAL. 

Clic per engrandir. En observacions realitzades pel Hubble el 7 de setembre de 2021, els investigadors van trobar que la taca fosca de Neptú, que recentment s'ha trobat que havia invertit el curs del seu camí de moviment de l'equador, encara és visible en aquesta imatge, així com un hemisferi nord enfosquit. També hi ha un cercle fosc i allargat notable que abasta el pol sud de Neptú. El color blau de Neptú i Urà és el resultat de l'absorció de llum vermella per les atmosferes riques en metà dels planetes. Crèdit: NASA, ESA, A. Simon (Goddard Space Flight Center) i MH Wong (Universitat de Califòrnia, Berkeley) i l'equip OPAL.

Capes de boires d'aerosols i diferents atmosferes turbulentes

Inicialment, els científics planetaris només buscaven desenvolupar un model que ajudés a entendre els núvols i la boira a les atmosferes dels gegants gelats. Però, com explica en un comunicat de premsa Mike Wong, astrònom de la Universitat de Califòrnia a Berkeley i membre de l'equip darrere del descobriment dels colors d'Urà i Neptú, "explicar la diferència de color entre Urà i Neptú va ser inesperat, un premi!".

Irwin explica que “és el primer model que té en compte simultàniament les observacions de la llum solar reflectida des de longituds d'ona ultraviolada a infraroja propera. També és el primer a explicar la diferència de color visible entre Urà i Neptú".

Com s'explica més en els diagrames següents, el nou model dels investigadors implica tres capes de boira d'aerosol (recordem que un aerosol és una suspensió de gotes fines o partícules en un gas, per exemple en forma de fum o boira) a diferents altures en les atmosferes de cada planeta. La capa mitjana de partícules de boira, just per sobre del nivell de condensació del metà, resulta ser més gruixuda a Urà que a Neptú i és això el que afecta el color visible d'ambdós planetes.

Com en el cas de l'explicació del color blau del cel i el color blanc dels núvols de la Terra, els científics planetaris han tingut en compte en els seus models els anomenats efectes de dispersió de la llum Rayleigh i Mie, que rep el nom dels físics implicats en l'explicació d'aquests efectes fa més d'un segle.

Clic per engrandir. Crèdit: Observatori Internacional de Gemini, NOIRLab, NSF, AURA, J. da Silva, NASA, JPL-Caltech, B. Jónsson

El diagrama superior ens mostra tres capes d'aerosols a les atmosferes d'Urà i Neptú, modelades per un equip de científics. L'escala d'alçada del diagrama representa la pressió superior a 10 bar. La capa més interna (la capa d'Aerosol-1) és gruixuda i està formada per una barreja de gel de sulfur d'hidrogen i partícules produïdes per la interacció de les atmosferes planetàries amb la llum solar. La capa clau que afecta els colors és la capa mitjana, que és una capa de partícules de boira (a la qual es fa referència a l'article com a capa d'Aerosol-2) que és més gruixuda a Urà que a Neptú. L'equip sospita que, als dos planetes, el gel de metà s'està condensant a les partícules d'aquesta capa, arrossegant les partícules més a fons al ambient en una pluja de neu metà. Com que Neptú té una atmosfera més activa i turbulenta que Urà, l'equip creu que l'atmosfera de Neptú és més eficient per agitar les partícules de metà a la capa de boira i produir aquesta neu. Això elimina més boira i manté la capa de boira de Neptú més prima que a Urà, el que significa que el color blau de Neptú sembla més fort. A sobre d'aquestes dues capes hi ha una capa estesa de boira (la capa d'Aerosol-3) semblant a la capa inferior però més tènue. A Neptú, també es formen grans partícules de gel de metà per sobre d'aquesta capa. 

 

Ho he vist aquí.