Уран и Нептун. Космический корабль НАСА «Вояджер-2» запечатлел эти виды Урана (слева) и Нептуна (справа) во время облета планет в 1980-х годах. Предоставлено: NASA/JPL-Caltech/B. Йонссон

Теперь астрономы могут понять, почему похожие планеты Уран и Нептун имеют разные цвета. Используя наблюдения космического телескопа Хаббла, Инфракрасного телескопа НАСА и телескопа Gemini North, исследователи разработали единую модель атмосферы, которая соответствует наблюдениям за обеими планетами. Модель показывает, что избыточная дымка на Уране накапливается в застойной, вялой атмосфере планеты и делает его более светлым, чем Нептун. Модель также показывает наличие второго, более глубокого слоя, который при затемнении может объяснять темные пятна в этих атмосферах, такие как знаменитое Большое темное пятно (GDS), наблюдаемое «Вояджером-2» в 1989 году.

У Нептуна и Урана много общего — у них схожие массы, размеры и состав атмосферы, — но их внешний вид заметно различается. В видимом диапазоне длин волн Нептун имеет отчетливо более голубой цвет, чем Уран, и у астрономов теперь есть объяснение, почему это может быть.

Новое исследование предполагает, что слой концентрированной дымки, который существует на обеих планетах, на Уране толще, чем аналогичный слой на Нептуне, и «отбеливает» внешний вид Урана больше, чем у Нептуна. Если бы в атмосферах Нептуна и Урана не было дымки, они оба казались бы почти одинаково голубыми.

Этот вывод сделан на основе модели, разработанной международной командой под руководством Патрика Ирвина, профессора планетарной физики Оксфордского университета, для описания аэрозольных слоев в атмосферах Нептуна и Урана. Предыдущие исследования верхних атмосфер этих планет были сосредоточены на появлении атмосферы только на определенных длинах волн. Однако эта новая модель, состоящая из нескольких атмосферных слоев, соответствует наблюдениям с обеих планет одновременно в широком диапазоне длин волн. Новая модель также включает частицы дымки в более глубоких слоях, которые ранее считались содержащими только облака метана и сероводородных льдов.

Схема Атмосфер Урана и Нептуна. На этой диаграмме показаны три слоя аэрозолей в атмосферах Урана и Нептуна, смоделированные группой ученых под руководством Патрика Ирвина. Шкала высоты на диаграмме представляет собой высоту над уровнем 10 делений. Самый глубокий слой (слой Aerosol-1) толстый и, как полагают, состоит из смеси сероводородного льда и частиц, образующихся при взаимодействии атмосфер планет с солнечным светом. Ключевым слоем, влияющим на цвета, является средний слой, представляющий собой слой частиц дымки (называемый в статье слоем Aerosol-2), который на Уране толще, чем на Нептуне. Команда подозревает, что на обеих планетах метановый лед конденсируется на частицах в этом слое, затягивая частицы глубже в атмосферу в виде дождя из метанового снега. Поскольку у Нептуна более активная и турбулентная атмосфера, чем у Урана, команда считает, что атмосфера Нептуна более эффективно взбивает частицы метана в слой дымки и производит этот снег. Это удаляет больше дымки и делает слой дымки на Нептуне тоньше, чем на Уране, а это означает, что синий цвет Нептуна выглядит сильнее. Над обоими этими слоями находится протяженный слой дымки (слой Aerosol-3), похожий на слой под ним, но более тонкий. На Нептуне над этим слоем также образуются крупные частицы метанового льда. Авторы и права: Международная обсерватория Близнецов/NOIRLab/NSF/AURA, J. da Silva/NASA/JPL-Caltech/B. Йонссон Это удаляет больше дымки и делает слой дымки на Нептуне тоньше, чем на Уране, а это означает, что синий цвет Нептуна выглядит сильнее. Над обоими этими слоями находится протяженный слой дымки (слой Aerosol-3), похожий на слой под ним, но более тонкий. На Нептуне над этим слоем также образуются крупные частицы метанового льда. Авторы и права: Международная обсерватория Близнецов/NOIRLab/NSF/AURA, J. da Silva/NASA/JPL-Caltech/B. Йонссон Это удаляет больше дымки и делает слой дымки на Нептуне тоньше, чем на Уране, а это означает, что синий цвет Нептуна выглядит сильнее. Над обоими этими слоями находится протяженный слой дымки (слой Aerosol-3), похожий на слой под ним, но более тонкий. На Нептуне над этим слоем также образуются крупные частицы метанового льда. Авторы и права: Международная обсерватория Близнецов/NOIRLab/NSF/AURA, J. da Silva/NASA/JPL-Caltech/B. Йонссон

«Это первая модель, которая одновременно соответствует наблюдениям отраженного солнечного света от ультрафиолетового до ближнего инфракрасного диапазона », — объясняет профессор Ирвин, ведущий автор статьи, представляющей этот результат в «Журнале геофизических исследований: планеты» . «Это также первое объяснение разницы в видимых цветах между Ураном и Нептуном».

Модель команды состоит из трех слоев аэрозолей на разной высоте. Ключевым слоем, влияющим на цвета, является средний слой, представляющий собой слой частиц дымки (называемый в статье слоем Aerosol-2), который на Уране толще, чем на Нептуне. Команда подозревает, что на обеих планетах метановый лед конденсируется на частицах в этом слое, затягивая частицы глубже в атмосферу в виде дождя из метанового снега. Поскольку у Нептуна более активная и турбулентная атмосфера, чем у Урана, команда считает, что атмосфера Нептуна более эффективно взбивает частицы метана в слой дымки и производит этот снег. Это удаляет больше дымки и делает слой дымки на Нептуне тоньше, чем на Уране, делая Нептун более голубым, чем Уран.

«Мы надеялись, что разработка этой модели поможет нам понять облака и дымку в атмосферах ледяных гигантов», — комментирует Майк Вонг, астроном из Калифорнийского университета в Беркли и член группы, стоящей за этим результатом. «Объяснение разницы в цвете между Ураном и Нептуном было неожиданным бонусом!»

Чтобы создать эту модель, команда профессора Ирвина проанализировала ряд наблюдений за планетами, охватывающих ультрафиолетовый, видимый и ближний инфракрасный диапазоны волн (от 0,3 до 2,5 микрометров), сделанных с помощью космического телескопа Хаббл НАСА/ЕКА, Инфракрасного телескопа НАСА, расположенного вблизи вершина Маунакеа на Гавайях и Северный телескоп Близнецов, также расположенный на Гавайях.

Модель также помогает объяснить темные пятна, которые время от времени видны на Нептуне и реже на Уране. Хотя астрономы уже знали о наличии темных пятен в атмосферах обеих планет, они не знали, какой аэрозольный слой вызывает эти темные пятна или почему аэрозоли в этих слоях обладают меньшей отражательной способностью. Исследование группы проливает свет на эти вопросы, показывая, что затемнение частиц в самом глубоком слое их модели приведет к появлению темных пятен, очень похожих на те, что видны на Нептуне и иногда на Уране.