Nuevas observaciones ayudan a explicar por qué Urano y Neptuno son de colores diferentes

31 de mayo de 2022

(Noticias de Nanowerk) Los astrónomos ahora pueden entender por qué los planetas similares Urano y Neptuno tienen colores diferentes. Usando observaciones del Telescopio Gemini Norte, la Instalación del Telescopio Infrarrojo de la NASA y el Telescopio Espacial Hubble, los investigadores han desarrollado un único modelo atmosférico consistente con las observaciones de ambos planetas. El modelo muestra que se acumula una neblina excesiva en Urano en la atmósfera estancada y lenta del planeta, lo que hace que parezca más brillante que Neptuno.

Neptuno y Urano tienen mucho en común: comparten masas, tamaños y composiciones atmosféricas similares, pero sus apariencias son notablemente diferentes. En longitudes de onda visibles, Neptuno tiene un color claramente 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 diferentes colores. La nave espacial Voyager 2 de la NASA capturó estas vistas de Urano (izquierda) y Neptuno (derecha) durante sus sobrevuelos de los planetas en la década de 1980. (Imagen: NASA/JPL-Caltech/B.Jónsson)

Nueva investigación (Diario de planetas de investigación geofísicaHazy Blue Worlds: A Holistic Aerosol Model for Uranus and Neptune, Inclusive Dark Spots) sugiere que una capa de neblina concentrada que existe en ambos planetas es más espesa en Urano que una capa similar en Neptuno, y la aparición de Urano es más larga a medida que «se aclara». «. de Neptuno [1]. Si no hubiera neblina en las atmósferas de Neptuno y Urano, ambos se verían casi igualmente azules. [2].

Esta conclusión proviene de un modelo [3] desarrollado por un equipo internacional dirigido por Patrick Irwin, profesor de física planetaria en la Universidad de Oxford, para describir las capas de aerosoles en las atmósferas de Neptuno y Urano [4]. Los estudios previos de las atmósferas superiores de estos planetas se habían centrado en la apariencia de la atmósfera solo en ciertas longitudes de onda. Sin embargo, este nuevo modelo, compuesto por varias capas atmosféricas, concuerda con las observaciones de ambos planetas en un amplio rango de longitudes de onda. El nuevo modelo también incluye partículas de neblina en niveles más bajos, que anteriormente se pensaba que contenían solo nubes de metano y hielo de sulfuro de hidrógeno.

«Este es el primer modelo que se ajusta simultáneamente a las observaciones de la luz solar reflejada desde el ultravioleta hasta las longitudes de onda del infrarrojo cercano», dijo Irwin, autor principal de un artículo 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 aerosol a diferentes alturas. [5]. La capa clave que afecta a los colores es la capa intermedia, una capa de partículas de neblina (llamada capa Aerosol 2 en la publicación), 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 en una lluvia de nieve de metano. Debido a que Neptuno tiene una atmósfera más activa y turbulenta que Urano, el equipo cree que la atmósfera de Neptuno es más eficiente para impulsar 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 color azul de Neptuno se ve más fuerte.

«Esperábamos que el desarrollo de este modelo nos ayudara a comprender las nubes y la neblina en las atmósferas de los gigantes de hielo», comentó Mike Wong, astrónomo de la Universidad de California, Berkeley, y miembro del equipo detrás del hallazgo. «¡Explicar la diferencia de color entre Urano y Neptuno fue una ventaja inesperada!»

Para crear este modelo, el equipo de Irwin analizó una serie de observaciones de los planetas en longitudes de onda ultravioleta, visible e infrarroja cercana (de 0,3 a 2,5 micrones) obtenidas con el espectrómetro de campo integral de infrarrojo cercano (NIFS) en el telescopio Gemini North capturado cerca es la cumbre de Maunakea, Hawái, parte del Observatorio Internacional Gemini, un programa de NOIRLab de la NSF, así como datos de archivo de la Instalación del Telescopio Infrarrojo de la NASA, también en Hawái, y el Telescopio Espacial Hubble de la NASA/ESA.

El instrumento NIFS en Gemini North fue particularmente importante para este resultado porque puede proporcionar espectros (mediciones del brillo de un objeto en diferentes longitudes de onda) para cada punto en su campo de visión. Esto proporcionó al equipo mediciones detalladas de cuán reflectantes son las atmósferas de ambos planetas 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 vecinos planetarios», dijo Martin Still, 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 la neblina atmosférica».

El modelo también ayuda a explicar las manchas oscuras que se ven ocasionalmente en Neptuno y más raramente 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 aerosol causaba esas 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 oscurecer la capa más profunda de su modelo produciría manchas oscuras similares a las que se ven en Neptuno y quizás en Urano.

Observaciones

[1] Este efecto de brillo es similar a cómo las nubes en las atmósferas de los exoplanetas borran o «aplanan» las características en los espectros de los exoplanetas. [2] Los colores rojos de la luz solar, dispersados ​​por la neblina y las moléculas de aire, son absorbidos más fuertemente por las moléculas de metano en las atmósferas de los planetas. Este proceso, llamado dispersión de Rayleigh, hace que el cielo sea azul aquí en la Tierra (aunque en la atmósfera de la Tierra, la luz solar es dispersada por moléculas de nitrógeno en lugar de moléculas de hidrógeno). La dispersión de Rayleigh ocurre predominantemente 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 son la niebla, el hollín, el humo y la niebla. En Neptuno y Urano, las partículas producidas por las interacciones de la luz solar con los elementos de la atmósfera (reacciones fotoquímicas) son responsables de los velos de aerosol en las atmósferas de estos planetas. [4] Un modelo científico es una herramienta computacional utilizada por los científicos para probar predicciones sobre un fenómeno que sería imposible en el mundo real. [5] La capa más profunda (llamada capa Aerosol 1 en la publicación) es gruesa y consiste en una mezcla de hielo de sulfuro de hidrógeno y partículas formadas por la interacción de la atmósfera del planeta con la luz solar. La capa superior es una capa de neblina extensa (la capa de aerosol 3) similar a la capa intermedia pero más delgada. En Neptuno, también se están formando grandes partículas de hielo de metano sobre esta capa.