Das James-Webb-Weltraumteleskop hat kürzlich den seltsamen und mysteriösen Uranus ins Visier genommen, einen seitwärts rotierenden Eisriesen. Was Webb entdeckte, war eine dynamische Welt mit Ringen, Monden, Stürmen und anderen atmosphärischen Merkmalen, einschließlich einer saisonalen Polkappe. Mit seiner außergewöhnlichen Sensibilität nahm Webb Bilder der schwachen inneren und äußeren Ringe des Uranus auf, darunter auch den schwer fassbaren Zeta-Ring, den extrem lichtschwachen und diffusen Ring, der dem Planeten am nächsten liegt. Er machte auch Fotos von vielen der 27 bekannten Monde des Planeten und entdeckte sogar einige der kleineren Monde innerhalb der Ringe.
Uranus
Im sichtbaren Wellenlängenbereich erschien Uranus als ruhiger, durchgehend blauer Ball. Im infraroten Wellenlängenbereich enthüllt Webb eine seltsame und dynamische Eiswelt voller faszinierender atmosphärischer Merkmale. Eines der auffälligsten davon ist die saisonale Nordpolkappe des Planeten. Im Vergleich zu dem Bild, das Anfang des Jahres aufgenommen wurde, sind auf diesen neuen Bildern einige Details dieses Hutes leichter zu erkennen. Dazu gehören eine hellweiße Innenkappe und ein dunkler Streifen an der Unterseite der Polkappe, in Richtung niedrigerer Breiten.
Das Bild erweitert die Anfang des Jahres veröffentlichte zweifarbige Version und bietet eine zusätzliche Wellenlängenabdeckung für eine detailliertere Betrachtung. NASA/ESA/CSA
Auch in der Nähe und unterhalb des Südrandes der Polkappe sind mehrere helle Stürme zu beobachten. Die Anzahl dieser Stürme sowie wie oft und wo sie in der Atmosphäre von Uranus auftreten, könnte auf eine Kombination saisonaler und meteorologischer Effekte zurückzuführen sein. Die Polkappe wird sichtbar, wenn der Pol des Planeten der Sonne zugewandt ist, sich der Sonnenwende nähert und mehr Sonnenlicht erhält. Uranus wird seine nächste Sonnenwende im Jahr 2028 erreichen und Astronomen warten gespannt auf mögliche Veränderungen in der Struktur dieser Objekte. Webb wird dazu beitragen, die saisonalen und meteorologischen Auswirkungen der Uranus-Stürme zu entschlüsseln, was für das Verständnis der komplexen Atmosphäre des Planeten von entscheidender Bedeutung ist.
Dank Webbs beispielloser Infrarotauflösung und -empfindlichkeit können Astronomen Uranus und seine einzigartigen Merkmale jetzt mit revolutionärer Klarheit sehen. Diese Details, insbesondere über den unmittelbaren Ring, werden für die Planung zukünftiger Missionen zum Uranus, insbesondere geplanter Orbiter und Sonden, von unschätzbarem Wert sein. Wissenschaftler wollen Raumschiffe so nah wie möglich an den Planeten bringen, um das Gravitationsfeld von Uranus zu messen und seine Atmosphäre besser zu analysieren. Eine solch enge Annäherung muss jedoch sorgfältig geplant werden, um Kollisionen mit möglichen Trümmern der Eis- und Staubringe zu vermeiden.
Uranus kann auch als Stellvertreter für die Untersuchung vieler entfernter Exoplaneten ähnlicher Größe dienen, die in den letzten Jahrzehnten entdeckt wurden. Dieser „Exoplanet in unserem Hinterhof“ könnte Astronomen helfen, zu verstehen, wie Planeten dieser Größe funktionieren, welche Meteorologie sie haben und wie sie entstanden sind. Dies wiederum kann uns helfen, unser Sonnensystem als Ganzes zu verstehen und es in einen größeren Kontext einzuordnen.
Neptun
Astronomen haben zum ersten Mal zuverlässig subsaisonale Variabilität in den Eigenschaften der Stratosphäre von Neptun identifiziert und dabei Daten aus 17 Jahren Beobachtungen des Eisriesen mit bodengestützten und Weltraumteleskopen verwendet. Es stellte sich heraus, dass sich die Stratosphäre des Planeten in den mittleren und gemäßigten Breiten während der Hälfte des Neptun-Sommers allmählich abkühlte und sich der Südpol in den letzten drei Jahren stark erwärmte.
Neptun ist der am weitesten von der Sonne entfernte Riesenplanet, verfügt jedoch über eine äußerst dynamische Atmosphäre, in der starke Zonenwinde wirken und innerhalb von mehreren Tagen eine signifikante Entwicklung meteorologischer Phänomene wie Wolken in großer Höhe auftreten kann. Darüber hinaus können über mehrere Jahre hinweg Veränderungen in der Albedo von Neptun sowie das Auftreten langlebiger Wolken und dunkler Wirbel beobachtet werden.
Ein Team von Astronomen unter der Leitung von Michael Roman von der Universität Leicester im Vereinigten Königreich hat die Ergebnisse einer Analyse von Beobachtungen von Neptun im mittleren Infrarot von 2003 bis 2020 mit dem Instrument VISIR (VLT Imager and Spectrometer for mid-InfraRed) veröffentlicht. installiert auf dem bodengestützten VLT-Teleskop, dem Spitzer-Weltraumteleskop und den bodengestützten Teleskopen Subaru, Keck, Gemini North und Gemini South. Ziel der Arbeit war es, langfristige und saisonale Schwankungen der Temperatur und der chemischen Zusammensetzung der Neptunatmosphäre zu identifizieren.
Wärmebilder von Neptun, aufgenommen zwischen 2006 und 2020. ESO, NAOJ/Subaru/COMICS
Im Jahr 2005 war es Sommer auf der Südhalbkugel von Neptun, aber zwischen 2003 und 2018 sank die Durchschnittstemperatur der Stratosphäre, was sich auf die Emission von molekularem Wasserstoff, Methan, Ethan und deuteriertem Methan (CH3D) auswirkte. Der meridionale Temperaturkontrast zwischen dem südlicheren Pol und dem Äquator ist von etwa 8 Kelvin im Jahr 2003 auf 28 Kelvin im Jahr 2020 gestiegen. Gleichzeitig wurde im Zeitraum von 2018 bis 2020 eine starke Erwärmung der Stratosphäre in der Nähe des Südpols von Neptun beobachtet – die Temperatur stieg von 152 auf 163 Kelvin. Dies zeigte sich in einer Zunahme der Helligkeit der südlichen Polarregion, während die Regionen des Planeten in mittleren und niedrigen Breiten dunkler blieben als in früheren Beobachtungsjahren.
Wissenschaftler sind zu dem Schluss gekommen, dass sie über die bisher stärksten Beweise dafür verfügen, dass Neptun Prozessen unterliegt, die sowohl auf globaler als auch auf regionaler Ebene subsaisonale atmosphärische Variabilität erzeugen. Gleichzeitig ist der physikalische Mechanismus, der stratosphärische Temperaturen, troposphärische Wolken und Nebel in verschiedenen Höhen miteinander verbindet, noch unbekannt, könnte aber mit dem Wechsel der Jahreszeiten, Wetteränderungen oder Schwankungen im Fluss der Sonnenstrahlung zusammenhängen.
Neue Satelliten von Uranus und Neptun
Wissenschaftler der Carnegie Institution for Science haben in Zusammenarbeit mit Observatorien auf der ganzen Welt drei neue Monde im äußeren Sonnensystem entdeckt: einen um Uranus und zwei um Neptun. Diese Monde sind winzig: Der größte der drei Monde hat nur einen Durchmesser von 24 Kilometern. Diese Monde wurden (in einigen Fällen) schon seit mehreren Jahren entdeckt und es war eine spezielle Bildgebungstechnik erforderlich, um sie vom Sternhintergrund zu trennen.
Drei neue Monde – einer umkreist Uranus und die anderen beiden um Neptun – wurden von Forschern der Carnegie Institution for Science entdeckt. Somit beträgt die Anzahl der Monde der äußeren Planeten 28 bzw. 16. Da Uranus und Neptun weiter entfernt sind als ihre Cousins, die Gasriesen, sind sie schwerer vorstellbar (und viel schwieriger zu besuchen). „Die drei neu entdeckten Monde sind die kleinsten, die jemals mit bodengestützten Teleskopen rund um diese beiden eisigen Riesenplaneten entdeckt wurden“, sagte Scott Sheppard von Carnegie Science in einer Pressemitteilung. „Um solche Objekte zu erkennen, war eine spezielle Bildverarbeitung erforderlich.“
Ein Beispiel für eine Deep-Imaging-Technik, die Uranus‘ Neumond S/2023 U1 am 4. November 2023 zeigt (der schwache Lichtpunkt, der durch den Pfeil angezeigt wird). Andere Lichtquellen sind Spuren der Hintergrundsterne.
Neu in der mittlerweile 20 Jahre alten Uranus-Kollektion ist S/2023 U1. Der Mond wurde ursprünglich am 4. November 2023 von Sheppard mit den Magellan-Teleskopen am Las Campanas-Observatorium in Chile entdeckt. Der Mond ist besonders klein – nur acht Kilometer breit, was ihn zum kleinsten Uranusmond macht – und braucht 680 Tage, um den Planeten zu umkreisen.
Die beiden anderen Neptunmonde gibt es in zwei Varianten: hell und dunkel. Der helle Stern, jetzt bekannt als S/2002 N5, hat einen Durchmesser von 15 Meilen und umkreist Neptun alle 9 Jahre. Der schwächere Stern, S/2021 N1, hat einen Durchmesser von 15,3 Kilometern, umkreist alle 27 Jahre und war etwas schwerer zu erkennen.
Das Very Large Telescope des European Southern Observatory und das 8-Meter-Teleskop des Gemini Observatory benötigten ultraklare Nächte, um die Umlaufbahn des winzigen Mondes zu verfolgen. Beide Monde wurden erstmals im September 2021 entdeckt und durch anschließende Beobachtungen in den Folgejahren mit Magellan-Teleskopen bestätigt. Beide Neuzugänge von Neptun werden nach den 50 nereidischen Meeresgöttinnen aus der griechischen Mythologie benannt.
Um tiefere Bilder von Uranus und Neptun als je zuvor zu sehen, verwendeten Astronomen über mehrere Nächte hinweg fünfminütige Belichtungszeiten über Zeiträume von drei bis vier Stunden. Dank der Bewegung der Planeten lieferte diese Technik mehr Details als jede frühere Untersuchung der Eisriesen.
„Da sich Satelliten relativ zu Hintergrundsternen und Galaxien nur wenige Minuten bewegen, sind einzelne Langzeitbelichtungen nicht ideal, um tiefe Bilder von sich bewegenden Objekten aufzunehmen“, sagte Sheppard in einer Pressemitteilung. „Wenn diese Mehrfachbelichtungen gestapelt werden, erscheinen Sterne und Galaxien mit Spuren dahinter, und sich bewegende Objekte, die dem Wirtsplaneten ähneln, werden als Punktquellen gesehen, wodurch die Monde aufgrund des Hintergrundrauschens in den Bildern hervorstechen.“
Die Umlaufbahnen dieser drei Monde legen nahe, dass sie diese eisigen Planeten wahrscheinlich kurz nach ihrer Entstehung in den frühen Tagen des Sonnensystems umkreisten. Das Verständnis dieser Umlaufbahneigenschaften kann Astronomen helfen zu verstehen, wie diese fernen Planeten ihre Monde einfingen.