Космический телескоп имени Джеймса Уэбба недавно нацелился на странный и загадочный Уран, ледяной гигант, вращающийся на боку. То, что обнаружил Уэбб, — это динамичный мир с кольцами, лунами, штормами и другими атмосферными особенностями, включая сезонную полярную шапку. Благодаря своей исключительной чувствительности Уэбб запечатлел тусклые внутренние и внешние кольца Урана, в том числе неуловимое кольцо Зета — чрезвычайно слабое и рассеянное кольцо, ближайшее к планете. Он также сделал снимки многих из 27 известных спутников планеты, даже увидел некоторые небольшие спутники внутри колец.
Уран
В видимых длинах волн Уран выглядел как спокойный сплошной синий шар. В инфракрасных волнах Уэбб раскрывает странный и динамичный ледяной мир, наполненный захватывающими атмосферными особенностями. Одним из самых ярких из них является сезонная северная полярная шапка планеты. По сравнению с изображением, сделанным ранее в этом году, на этих новых изображениях легче рассмотреть некоторые детали этой шапки. К ним относятся яркая белая внутренняя шапка и темная полоса в нижней части полярной шапки, в сторону более низких широт.
Изображение расширяет двухцветную версию, выпущенную ранее в этом году, добавляя дополнительный охват длины волны для более детального просмотра. НАСА/ЕКА/ККА
Несколько ярких штормов также можно увидеть вблизи и под южной границей полярной шапки. Количество этих штормов, а также то, как часто и где они появляются в атмосфере Урана, могут быть обусловлены сочетанием сезонных и метеорологических эффектов. Полярная шапка становится заметной, когда полюс планеты обращен к Солнцу, приближается к солнцестоянию и получает больше солнечного света. Уран достигнет своего следующего солнцестояния в 2028 году, и астрономы с нетерпением ждут любых возможных изменений в структуре этих объектов. Уэбб поможет разобраться в сезонных и метеорологических эффектах, влияющих на штормы Урана, что имеет решающее значение для понимания сложной атмосферы планеты.
Благодаря беспрецедентному инфракрасному разрешению и чувствительности Уэбба астрономы теперь видят Уран и его уникальные особенности с революционной четкостью. Эти детали, особенно о ближайшем кольце, будут иметь неоценимое значение для планирования любых будущих миссий к Урану, особенно предлагаемых орбитальных аппаратов и зондов. Ученые хотят приблизить любой космический корабль как можно ближе к планете, чтобы измерить гравитационное поле Урана и лучше проанализировать атмосферу. Однако такое близкое сближение необходимо будет тщательно спланировать, чтобы избежать столкновений с любыми возможными обломками ледяных и пыльных колец.
Уран также может служить прокси-сервером для изучения многих далеких экзопланет аналогичного размера, открытых за последние несколько десятилетий. Эта «экзопланета у нас на заднем дворе» может помочь астрономам понять, как работают планеты такого размера, какова их метеорология и как они сформировались. Это, в свою очередь, может помочь нам понять нашу Солнечную систему в целом, поместив ее в более широкий контекст.
Нептун
Астрономы впервые надежно выявили субсезонную изменчивость свойств стратосферы Нептуна — в этом им помогли данные 17-летних наблюдений за ледяным гигантом при помощи наземных и космических телескопов. Оказалось, что за половину нептунианского лета стратосфера планеты в средних и умеренных широтах постепенно охлаждалась, а южный полюс резко потеплел за последние три года.
Нептун является самой удаленной от Солнца планетой-гигантом, однако при этом обладает чрезвычайно динамичной атмосферой, в которой действуют мощные зональные ветра, а заметная эволюция метеорологических явлений, таких как высотные облака, способна протекать во временном масштабе нескольких дней. Кроме того, в течение нескольких лет могут наблюдаться изменения альбедо Нептуна, а также появление долгоживущих облаков и темных вихрей.
Группа астрономов во главе с Майклом Романом (Michael Roman) из Лестерского университета в Великобритании опубликовала результаты анализа данных наблюдений за Нептуном, полученные в период с 2003 по 2020 год в среднем инфракрасном диапазоне при помощи инструмента VISIR (VLT Imager and Spectrometer for mid-InfraRed), установленного на телескопе наземного комплекса VLT, космического телескопа «Спитцер» и наземных телескопов «Субару», Кека, «Джемини-Север» и «Джемини-Юг». Целью работы было выявление долговременных и сезонных колебаний температуры и химического состава атмосферы Нептуна.
Тепловые изображения Нептуна, полученные в период с 2006 по 2020 год. ESO, NAOJ / Subaru / COMICS
В 2005 году в южном полушарии Нептуна наступило лето, однако в период с 2003 по 2018 год средняя температура стратосферы снизилась, что отразилось на интенсивности излучения молекулярного водорода, метана, этана и дейтерированного метана (CH3D). Меридиональный температурный контраст между более южным полюсом и экватором увеличился примерно с 8 кельвинов в 2003 году до 28 кельвинов в 2020 году. При этом в период с 2018 по 2020 год наблюдалось резкое потепление стратосферы вблизи южного полюса Нептуна — температура увеличилась со 152 до 163 кельвин. Это проявлялось как увеличение яркости южного полярного региона, в то время как средние и низкие широты планеты оставались более тусклыми, чем в предыдущие годы наблюдений.
Ученые пришли к выводу, что получили самые убедительные на сегодняшний день доказательства того, что на Нептуне действуют процессы, порождающие субсезонную изменчивость атмосферы как в глобальном, так и в региональном масштабе. При этом физический механизм, связывающий стратосферные температуры, тропосферные облака и туманы на разных высотах, до сих пор неизвестен, однако может быть связан со сменой сезонов, погодными изменениями или вариациями потока солнечного излучения.
Новые спутники Урана и Нептуна
Ученые из Института науки Карнеги в сотрудничестве с обсерваториями по всему миру обнаружили три новых спутника во внешней части Солнечной системы: один вращается вокруг Урана, а два — вокруг Нептуна. Эти спутники крошечные: самая большая из трех лун имеет диаметр всего 15 миль. Эти спутники были открыты (в некоторых случаях) в течение нескольких лет, и потребовался специальный метод визуализации, чтобы отделить их от звездного фона.
Три новых спутника — один вращается вокруг Урана, а два других — вокруг Нептуна — были обнаружены исследователями из Института науки Карнеги. Таким образом, количество лун внешних планет составляет 28 и 16 соответственно. Поскольку Уран и Нептун находятся дальше, чем их собратья-газовые гиганты, их сложнее представить (и гораздо труднее посетить). «Три недавно открытых спутника — самые небольшие из когда-либо обнаруженных вокруг этих двух ледяных планет-гигантов с помощью наземных телескопов», — заявил Скотт Шеппард из Carnegie Science в заявлении для прессы. «Чтобы обнаружить такие объекты, потребовалась специальная обработка изображений».
Пример метода глубокого изображения, на котором запечатлен новый спутник Урана S/2023 U1 4 ноября 2023 г. (тусклая светящаяся точка, отмеченная стрелкой). Другие источники света — это следы от фоновых звезд.
Новое пополнение коллекции Урана, которому исполнилось 20 лет, — S/2023 U1. Первоначально Луна была обнаружена Шеппардом 4 ноября 2023 года с помощью телескопов Магеллана в обсерватории Лас-Кампанас в Чили. Луна особенно мала — всего пять миль в поперечнике, что делает ее самой маленькой из лун Урана — и ей требуется 680 дней, чтобы совершить оборот вокруг планеты.
Две другие луны Нептуна двух видов: яркие и тусклые. Яркая звезда, известная в настоящее время как S/2002 N5, имеет диаметр 15 миль и вращается вокруг Нептуна за 9 лет. Более тусклая, S/2021 N1, имеет диаметр 9,3 мили, вращается вокруг нее каждые 27 лет, и ее было немного сложнее различить.
Очень Большому Телескопу Европейской Южной Обсерватории и 8-метровому телескопу Обсерватории Джемини требовались сверхчистые ночи, чтобы отслеживать орбиту крошечного спутника. Оба этих спутника были первоначально обнаружены еще в сентябре 2021 года и подтверждены последующими наблюдениями в последующие годы с помощью телескопов Магеллана. Оба новейших дополнения Нептуна будут названы в честь 50 морских богинь-нереид из греческой мифологии.
Чтобы просмотреть более глубокие изображения Урана и Нептуна, чем когда-либо прежде, астрономы использовали пятиминутную экспозицию в течение трех-четырехчасовых периодов в течение нескольких ночей. Благодаря движению планет эта техника позволила получить больше деталей, чем любая предыдущая съемка вблизи ледяных гигантов.
«Поскольку спутники движутся всего несколько минут относительно фоновых звезд и галактик, одиночные длинные выдержки не идеальны для получения глубоких изображений движущихся объектов», — сказал Шеппард в заявлении для прессы. «При наложении этих нескольких экспозиций вместе появляются звезды и галактики со следами за ними, а движущиеся объекты, похожие на планету-хозяин, будут рассматриваться как точечные источники, выделяя луны из-за фонового шума на изображениях».
Орбиты этих трех лун позволяют предположить, что они, вероятно, вращались вокруг этих ледяных планет вскоре после их формирования в первые дни существования Солнечной системы. Понимание этих орбитальных характеристик может помочь астрономам понять, как эти далекие планеты захватили свои спутники.