Yeni bir keşif, Uranüs ve Neptün’ün farklı renklerinin nedenini ortaya koyuyor

İkizler Gözlemevi’nden ve diğer teleskoplardan yapılan gözlemler aşırı pusluyu ortaya çıkardı[{” attribute=””>Uranus makes it paler than Neptune.

Astronomers may now understand why the similar planets Uranus and Neptune have distinctive hues. Researchers constructed a single atmospheric model that matches observations of both planets using observations from the Gemini North telescope, the NASA Infrared Telescope Facility, and the Hubble Space Telescope. The model reveals that excess haze on Uranus accumulates in the planet’s stagnant, sluggish atmosphere, giving it a lighter hue than Neptune.

Neptün ve Uranüs gezegenlerinin pek çok ortak noktası var – benzer kütlelere, boyutlara ve atmosferik bileşimlere sahipler – ancak görünüşleri belirgin şekilde farklı. Görünür dalga boylarında, Neptün gözle görülür şekilde daha mavi renkteyken, Uranüs camgöbeğinin daha soluk bir tonudur. Gökbilimcilerin şimdi iki gezegenin neden bu kadar farklı renk olduğuna dair bir açıklaması var.

Yeni araştırmalar, her iki gezegende de bulunan yoğun pus tabakasının Uranüs’te Neptün’deki benzer bir katmandan daha kalın olduğunu ve Uranüs’ün görünümünü Neptün’den daha fazla “beyazlaştırdığını” gösteriyor.^[1] Sis yoksa ortam Neptün ve Uranüs’ten her ikisi de mavi renkte kabaca eşit görünecek.^[2]

Bu sonuç bir modelden geliyor^[3] Oxford Üniversitesi’nde gezegen fiziği profesörü olan Patrick Irwin liderliğindeki uluslararası bir ekibin, Neptün ve Uranüs’ün atmosferlerindeki aerosol katmanlarını tanımlamak için geliştirdiğini.^[4] Bu gezegenlerin üst atmosferlerine ilişkin önceki araştırmalar, atmosferin yalnızca belirli dalga boylarında görünümüne odaklanmıştı. Bununla birlikte, birden fazla atmosferik katmandan oluşan bu yeni model, geniş bir dalga boyu aralığında her iki gezegenden gelen gözlemlerle eşleşiyor. Yeni model ayrıca, daha önce yalnızca metan ve hidrojen sülfür buzu bulutlarını içerdiği düşünülen daha derin katmanlardaki bulanık parçacıkları da içeriyor.

Bu diyagram, Patrick Irwin liderliğindeki bir bilim adamları ekibi tarafından tasarlanan Uranüs ve Neptün’ün atmosferlerindeki üç aerosol katmanını göstermektedir. Grafikteki altimetre, 10 bar üzerindeki basıncı temsil eder.
En derin katman (aerosol katmanı-1) kalındır ve hidrojen sülfür buzunun ve gezegen atmosferlerinin güneş ışığı ile etkileşiminden kaynaklanan parçacıkların bir karışımından oluşur.
Renkleri etkileyen ana katman, Uranüs’te Neptün’den daha kalın olan bir sis parçacıkları katmanı (kağıtta aerosol katmanı-2 olarak anılır) olan orta katmandır. Ekip, her iki gezegende de metan buzunun bu katmandaki parçacıklar üzerinde yoğunlaştığından ve metan karı düşerken parçacıkları atmosferin daha derinlerine çektiğinden şüpheleniyor. Neptün’ün atmosferi Uranüs’ünkinden daha aktif ve çalkantılı olduğu için ekip, Neptün’ün atmosferinin metan parçacıklarını pus tabakasına yönlendirmede ve bu karı üretmede daha verimli olduğuna inanıyor. Bu, daha fazla pus kaldırır ve Neptün’ün pus tabakasını Uranüs’te olduğundan daha ince tutar, bu da Neptün’ün mavisinin daha güçlü göründüğü anlamına gelir.
Her iki katmanın üzerinde, aşağıdaki katmana benzer, ancak daha kırılgan olan uzun bir sis katmanı (aerosol katmanı 3) bulunur. Neptün’de, bu katmanın üzerinde büyük metan buz parçacıkları da oluşur.
Kredi: Gemini Uluslararası Gözlemevi/NOIRLab/NSF/AURA, J. da Silva/NASA/JPL-Caltech/B. Johnson

Journal of Geophysical Research: Planets’te bu bulguyu sunan bir araştırma makalesinin baş yazarı Irwin, “Bu, ultraviyoleden yakın kızılötesine yansıyan güneş ışığının gözlemlerine eşzamanlı olarak uyan ilk modeldir” dedi. “Ayrıca Uranüs ve Neptün arasındaki görünür renk farkını ilk açıklayan kişidir.”

Takımın modeli, farklı irtifalarda üç katman aerosolden oluşuyor.^[5] Renkleri etkileyen ana katman, sis parçacıklarının (kağıda aerosol katmanı-2 olarak anılan) tabakası olan orta katmandır. Uranüs arasında Neptün. Ekip, her iki gezegende de metan buzunun bu katmandaki parçacıklar üzerinde yoğunlaştığından ve metan karı düşerken parçacıkları atmosferin daha derinlerine çektiğinden şüpheleniyor. Neptün’ün atmosferi Uranüs’ünkinden daha aktif ve çalkantılı olduğu için ekip, Neptün’ün atmosferinin metan parçacıklarını pus tabakasına yönlendirmede ve bu karı üretmede daha verimli olduğuna inanıyor. Bu, daha fazla pus kaldırır ve Neptün’ün pus tabakasını Uranüs’te olduğundan daha ince tutar, bu da Neptün’ün mavisinin daha güçlü göründüğü anlamına gelir.

Mike Wong, bir gökbilimci[{” attribute=””>University of California, Berkeley, and a member of the team behind this result. “Explaining the difference in color between Uranus and Neptune was an unexpected bonus!”

To create this model, Irwin’s team analyzed a set of observations of the planets encompassing ultraviolet, visible, and near-infrared wavelengths (from 0.3 to 2.5 micrometers) taken with the Near-Infrared Integral Field Spectrometer (NIFS) on the Gemini North telescope near the summit of Maunakea in Hawai‘i — which is part of the international Gemini Observatory, a Program of NSF’s NOIRLab — as well as archival data from the NASA Infrared Telescope Facility, also located in Hawai‘i, and the NASA/ESA Hubble Space Telescope.

The NIFS instrument on Gemini North was particularly important to this result as it is able to provide spectra — measurements of how bright an object is at different wavelengths — for every point in its field of view. This provided the team with detailed measurements of how reflective both planets’ atmospheres are across both the full disk of the planet and across a range of near-infrared wavelengths.

“The Gemini observatories continue to deliver new insights into the nature of our planetary neighbors,” said Martin Still, Gemini Program Officer at the National Science Foundation. “In this experiment, Gemini North provided a component within a suite of ground- and space-based facilities critical to the detection and characterization of atmospheric hazes.”

The model also helps explain the dark spots that are occasionally visible on Neptune and less commonly detected on Uranus. While astronomers were already aware of the presence of dark spots in the atmospheres of both planets, they didn’t know which aerosol layer was causing these dark spots or why the aerosols at those layers were less reflective. The team’s research sheds light on these questions by showing that a darkening of the deepest layer of their model would produce dark spots similar to those seen on Neptune and perhaps Uranus.

Notes

1. This whitening effect is similar to how clouds in exoplanet atmospheres dull or ‘flatten’ features in the spectra of exoplanets.
2. The red colors of the sunlight scattered from the haze and air molecules are more absorbed by methane molecules in the atmosphere of the planets. This process — referred to as Rayleigh scattering — is what makes skies blue here on Earth (though in Earth’s atmosphere sunlight is mostly scattered by nitrogen molecules rather than hydrogen molecules). Rayleigh scattering occurs predominantly at shorter, bluer wavelengths.
3. An aerosol is a suspension of fine droplets or particles in a gas. Common examples on Earth include mist, soot, smoke, and fog. On Neptune and Uranus, particles produced by sunlight interacting with elements in the atmosphere (photochemical reactions) are responsible for aerosol hazes in these planets’ atmospheres.
4. A scientific model is a computational tool used by scientists to test predictions about a phenomena that would be impossible to do in the real world.
5. The deepest layer (referred to in the paper as the Aerosol-1 layer) is thick and is composed of a mixture of hydrogen sulfide ice and particles produced by the interaction of the planets’ atmospheres with sunlight. The top layer is an extended layer of haze (the Aerosol-3 layer) similar to the middle layer but more tenuous. On Neptune, large methane ice particles also form above this layer.

More information

This research was presented in the paper “Hazy blue worlds: A holistic aerosol model for Uranus and Neptune, including Dark Spots” to appear in the Journal of Geophysical Research: Planets.

The team is composed of P.G.J. Irwin (Department of Physics, University of Oxford, UK), N.A. Teanby (School of Earth Sciences, University of Bristol, UK), L.N. Fletcher (School of Physics & Astronomy, University of Leicester, UK), D. Toledo (Instituto Nacional de Tecnica Aeroespacial, Spain), G.S. Orton (Jet Propulsion Laboratory, California Institute of Technology, USA), M.H. Wong (Center for Integrative Planetary Science, University of California, Berkeley, USA), M.T. Roman (School of Physics & Astronomy, University of Leicester, UK), S. Perez-Hoyos (University of the Basque Country, Spain), A. James (Department of Physics, University of Oxford, UK), J. Dobinson (Department of Physics, University of Oxford, UK).

NSF’s NOIRLab (National Optical-Infrared Astronomy Research Laboratory), the US center for ground-based optical-infrared astronomy, operates the international Gemini Observatory (a facility of NSF, NRC–Canada, ANID–Chile, MCTIC–Brazil, MINCyT–Argentina, and KASI–Republic of Korea), Kitt Peak National Observatory (KPNO), Cerro Tololo Inter-American Observatory (CTIO), the Community Science and Data Center (CSDC), and Vera C. Rubin Observatory (operated in cooperation with the Department of Energy’s SLAC National Accelerator Laboratory). It is managed by the Association of Universities for Research in Astronomy (AURA) under a cooperative agreement with NSF and is headquartered in Tucson, Arizona. The astronomical community is honored to have the opportunity to conduct astronomical research on Iolkam Du’ag (Kitt Peak) in Arizona, on Maunakea in Hawai‘i, and on Cerro Tololo and Cerro Pachón in Chile. We recognize and acknowledge the very significant cultural role and reverence that these sites have for the Tohono O’odham Nation, the Native Hawaiian community, and the local communities in Chile, respectively.