Телескоп Уэбба изучит ледяные гиганты

Холодные и отдаленные планеты-гиганты Уран и Нептун называют ледяными гигантами, потому что по составу они отличаются от Юпитера и Сатурна, богатых водородом и гелием и известных как газовые гиганты. Ледяные гиганты также намного меньше, будучи промежуточными по размеру между земными планетами и газовыми гигантами. Они представляют наименее изученную категорию планет в нашей Солнечной системе. С помощью Уэбба ученые планируют изучать закономерности циркуляции, химию и погоду Урана и Нептуна так, как это может сделать только Уэбб.

«Главное, что Уэбб может сделать то, что очень и очень трудно сделать с помощью любого другого объекта, - сопоставить их температуру и химическую структуру с атмосферой», - пояснил руководитель исследований Ли Флетчер. «Мы думаем, что погода и климат ледяных гигантов будут иметь принципиально иной характер по сравнению с газовыми гигантами. Отчасти потому, что они так далеко от Солнца, они меньше по размеру и вращаются вокруг оси медленнее, но также потому, что смесь газов и количество атмосферного смешения очень отличается по сравнению с Юпитером и Сатурном».

Все газы в верхних слоях атмосферы Урана и Нептуна имеют уникальные химические отпечатки, которые Уэбб может обнаружить. Важно отметить, что Уэбб может отличить одно химическое вещество от другого. Если эти химические вещества вырабатываются солнечным светом, взаимодействующим с атмосферой, или если они перераспределяются с места на место в крупномасштабных схемах циркуляции, Уэбб сможет это увидеть.

Эти исследования будут проводиться в рамках программы «Guaranteed Time Observations» (GTO) Солнечной системы, которую возглавляет Хайди Хаммель, ученый-планетолог и ученый Уэбба. Программа Хэммель продемонстрирует возможности Уэбба для наблюдения за объектами Солнечной системы и применения некоторых специфических методов Уэбба для ярких и/или движущихся в небе.

Уран

В отличие от других планет в Солнечной системе, Уран, вместе с его кольцами и лунами, наклонен на бок и вращается примерно на 90 градусов от плоскости своей орбиты. Это заставляет планету вращаться, как шарик вокруг Солнца. Эта странная ориентация, которая может быть результатом гигантского столкновения с другой массивной протопланетой в начале формирования Солнечной системы, вызывает на Уране экстремальные времена года.

Когда космический корабль НАСА Вояджер-2 пролетел над Ураном в 1986 году, один из полюсов указывал прямо на Солнце. «Независимо от того, сколько Уран будет вращаться, - объяснила Хаммель, - одна половина все время на солнечном свете, а другая в полной темноте».

К сожалению, Вояджер-2 увидел только гладкую, как шарик, планету, покрытую дымкой, с небольшим количеством облаков. Но когда Хаббл наблюдал за Ураном в начале 2000-х годов, планета прошла четверть пути своей орбиты. Теперь экватор был направлен на Солнце, и вся планета была освещена в течение уранского дня.

«Теория говорила нам, что ничего не изменится, но реальность заключалась в том, что на Уране начали появляться всевозможные яркие облака, и Хаббл обнаружил темное пятно. Облака, казалось, резко менялись в ответ на немедленные изменения в солнечном свете, когда планета путешествовала вокруг Солнца», сказала Хаммель.

Поскольку планета продолжает свой медленный орбитальный путь, она направит другой полюс к Солнцу в 2028 году.

Уэбб даст представление о мощных сезонных силах, формирующих облака и погоду, и о том, как это меняется со временем. Это поможет определить, как энергия течет и переносится через атмосферу Урана. Ученые хотят наблюдать за Ураном в течение всей жизни Уэбба, чтобы построить график того, как атмосфера реагирует на экстремальные времена года. Это поможет понять, почему атмосфера планеты проходит периоды интенсивной активности, перемежающейся моментами спокойствия.

Нептун

Нептун - темный, холодный мир, но на нем свирепствуют сверхзвуковые ветра, которые могут достигать 1500 миль в час. Нептун, более чем в 30 раз удаленный от Солнца, единственная планета в Солнечной системе, невидимая невооруженным глазом. Его существование было предсказано математикой до его открытия в 1846 году. В 2011 году Нептун завершил свою первую 165-летнюю орбиту с момента открытия.

Как и у Урана, очень глубокая атмосфера этого ледяного гиганта состоит из густого супа из воды, аммиака, сероводорода и метана над неизвестным и недоступным внутренним пространством. Доступные верхние слои атмосферы состоят из водорода, гелия и метана. Как и в случае с Ураном, метан придает Нептуну синий цвет, но некоторые все еще загадочные химические свойства атмосферы делают синий цвет Нептуна немного более ярким, чем у Урана.

«Здесь тот же вопрос: как течет энергия и как она переносится через планетарную атмосферу?» объяснил Флетчер. «Но в отличие от Урана, на планете есть сильный внутренний источник тепла. Этот источник генерирует некоторые из самых мощных ветров и самые недолговечные атмосферные вихри и облачные структуры в любой точке Солнечной системы. Если смотреть на Нептун из ночи в ночь, его лицо постоянно меняется, поскольку облака растягиваются, тянутся и управляются нижележащим полем ветров».

После пролета Нептуна в 1989 году Voyager 2 обнаружил яркий, горячий вихрь на южном полюсе планеты. Поскольку температура там выше, чем где-либо еще в атмосфере, этот регион связан с какой-то уникальной химией. Чувствительность Уэбба позволит ученым понять необычную химическую среду внутри этого полярного вихря.

Флетчер советует быть готовым к наблюдению явлений на Уране и Нептуне, которые совершенно не похожи на те, что мы наблюдали в прошлом. «У Уэбба действительно есть возможность увидеть ледяные гиганты в совершенно новом свете. Но чтобы понять непрерывные атмосферные процессы, которые они формируют, нужно больше, чем просто пара образцов», - сказал он. «Таким образом, мы сравниваем Юпитер с Сатурном, Уран и Нептун, и благодаря этому строим более широкую картину того, как атмосфера работает в целом. Это начало понимания того, как эти миры меняются со временем».

Космический телескоп Джеймса Уэбба станет первой в мире обсерваторией космической науки, когда запустится в 2021 году. Уэбб будет разгадывать загадки в нашей Солнечной системе, заглядывать в далекие миры вокруг других звезд и исследовать таинственные структуры и происхождение нашей Вселенной и нашего места в нем. Уэбб - это международная программа НАСА, Европейского космического агентства и Канадского космического агентства.