Teleskop James-Webb pokazuje zaskakujący element w atmosferze Urana

Teleskop James-Webb po raz pierwszy zajrzał w górne warstwy atmosfery Urana z taką dokładnością, że astronomowie musieli na nowo ułożyć sobie obraz tej planety.

Nowe dane z instrumentów pracujących w podczerwieni pozwoliły nie tylko zobaczyć strukturę gazowego olbrzyma, lecz także stworzyć pierwszą trójwymiarową mapę jego jonosfery. To właśnie tam, wysoko nad chmurami, naukowcy natknęli się na element, którego nikt się nie spodziewał.

Uran w nowym świetle: co zrobił teleskop James-Webb

Europejska Agencja Kosmiczna poinformowała o przełomowych wynikach uzyskanych z pomocą teleskopu James-Webb, który od dwóch lat pracuje w kosmosie z dala od Ziemi. Międzynarodowy zespół, kierowany przez badaczkę z Uniwersytetu Northumbria w Wielkiej Brytanii, skupił się na planecie często pomijanej w medialnych doniesieniach – Uranie.

James-Webb, wyposażony w 6,5‑metrowe zwierciadło i bardzo czułe detektory podczerwieni, potrafi rejestrować subtelne zmiany jasności i temperatury na dużej wysokości nad powierzchnią chmur. W przypadku Urana sięgnął aż mniej więcej 5 tysięcy kilometrów ponad górne warstwy widocznej powłoki gazowej, obejmując obszar znany jako jonosfera.

Przeczytaj również: Astronomowie zaskoczeni tajemniczym sygnałem radiowym co 36 minut

Nowe obserwacje umożliwiły pionową „tomografię” jonosfery Urana – naukowcy po raz pierwszy zobaczyli, jak temperatura i gęstość cząstek zmieniają się wraz z wysokością.

Czym w ogóle jest jonosfera i dlaczego Uran jest tu wyjątkowy

Jonosfera to obszar atmosfery, w którym gaz ulega częściowemu zjonizowaniu. Cząsteczki i atomy tracą elektrony, powstają jony, a cała warstwa zaczyna mocno reagować na pole magnetyczne i promieniowanie słoneczne. Na Ziemi jonosfera odpowiada między innymi za odbijanie fal radiowych. Na Uranie zachowuje się znacznie mniej przewidywalnie.

Do tej pory wiedza o jonosferze tej planety pochodziła głównie z krótkiego przelotu sondy Voyager 2 w latach 80. oraz z bardzo ograniczonych obserwacji naziemnych. Brakowało danych o tym, jak warstwy jonosfery układają się „w pionie”: które są cieplejsze, które gęstsze, gdzie energia jest wprowadzana do systemu, a gdzie ucieka w przestrzeń.

Przeczytaj również: Horoskop od 11 marca: te 3 znaki zodiaku mają mieć wyjątkową passę

Dzięki James-Webb astronomowie uzyskali pierwszą tak szczegółową mapę, która pokazuje, jak te parametry zmieniają się z wysokością i szerokością geograficzną. Widać wyraźnie, że jonosfera Urana nie jest jednorodną, spokojną powłoką. Pełno w niej nierówności, gorących obszarów i struktur powiązanych z polem magnetycznym planety.

Element, którego nikt się nie spodziewał

Największe zaskoczenie przyniosła analiza rozmieszczenia energii w jonosferze. Z prostych modeli wynikało, że większość podgrzewania powinna pochodzić ze Słońca i z klasycznych zjawisk, takich jak zorze polarne. Tymczasem dane z teleskopu wskazują na silny, dodatkowy czynnik, który działa w zupełnie inny sposób.

Przeczytaj również: Ten niepozorny znaczek może być wart 7500 euro. Sprawdź swoje pocztówki

W jonosferze Urana pojawia się mocne, rozległe źródło energii, które nie pokrywa się ani z biegunami magnetycznymi, ani z przewidywanym działaniem wiatru słonecznego.

Badacze sugerują kilka możliwych wyjaśnień:

• nietypowe zachowanie pola magnetycznego, które jest przesunięte i odchylone względem osi obrotu planety,
• głębokie fale atmosferyczne przenoszące energię z niższych warstw gazu,
• oddziaływania z cząstkami w otoczeniu magnetycznym planety, przypominające pasy radiacyjne.

Na razie brak jednoznacznej odpowiedzi, który mechanizm dominuje. Sam fakt istnienia tej „gorącej” składowej wymusi rewizję dotychczasowych modeli energetycznych dla lodowych olbrzymów, do których zaliczają się Uran i Neptun.

Co mapa jonosfery mówi o polu magnetycznym Urana

Uran ma jedno z najbardziej osobliwych pól magnetycznych w całym Układzie Słonecznym. Oś magnetyczna jest mocno przekręcona względem osi obrotu, a środek dipola znacznie przesunięty względem geometrycznego środka planety. Taki układ prowadzi do bardzo skomplikowanej geometrii linii pola i nierównomiernego bombardowania jonosfery energetycznymi cząstkami.

Nowe dane z James-Webb pozwoliły połączyć strukturę jonosfery z kształtem pola magnetycznego. Obszary o podwyższonej temperaturze i gęstości jonów układają się zgodnie z przewidywanym przebiegiem linii magnetycznych. Równocześnie widać regiony spokojniejsze, gdzie wpływ cząstek uwięzionych w magnetosferze jest znacznie słabszy.

Tak chaotyczna konfiguracja sprawia, że przewidywanie zjawisk w górnych warstwach atmosfery Urana staje się dużo trudniejsze. Jednocześnie dostarcza świetnego laboratorium do testowania teorii dotyczących magnetosfer innych planet, także tych krążących wokół obcych gwiazd.

Dlaczego astronomowie tak bardzo cieszą się z tych wyników

Lodowe olbrzymy, takie jak Uran, od dawna uchodzą za brakujące ogniwo w zrozumieniu ewolucji dużych planet. Większość egzoplanet odkrytych do tej pory ma rozmiary zbliżone do Neptuna lub nieco większe. Żeby zinterpretować ich dane, trzeba dobrze znać mechanizmy działające w naszym własnym układzie planetarnym.

Mapa jonosfery Urana staje się wzorcem, na którym można testować modele używane do interpretacji obserwacji egzoplanet podobnych rozmiarów.

Z nowymi wynikami łatwiej odpowiadać na pytania, jak taka planeta traci energię, jak promieniowanie wpływa na jej atmosferę i kiedy może dojść do intensywnej ucieczki gazu w przestrzeń. To przekłada się na szacunki dotyczące żywotności atmosfer egzoplanet, a nawet na rozważania, czy w ich układach mogą istnieć stabilne warunki sprzyjające rozwojowi bardziej złożonych struktur, na przykład księżyców z grubymi warstwami lodu i oceanami pod powierzchnią.

Co dalej: czy Uran doczeka się własnej misji

Nowe dane wzmacniają argumenty tych, którzy od lat apelują o wysłanie specjalnej sondy w okolice Urana. Od przelotu Voyagera 2 nie odwiedziła go żadna misja, a jedyny zestaw bezpośrednich pomiarów jest skromny, jak na obiekt o tak nietypowych właściwościach.

Tymczasem wyniki z teleskopu James-Webb pokazują, że każdy fragment danych otwiera kolejne pytania. Gdyby na orbitę planety trafiła sonda wyposażona w magnetometr, spektrometry i radioinstrumenty, można by sprawdzić, skąd dokładnie bierze się nadwyżka energii w jonosferze i jak zmienia się w czasie pełnego obrotu planety wokół Słońca.

Jak amator może skorzystać z nowych informacji o Uranie

Dla osób obserwujących niebo z Ziemi Uran nadal pozostanie słabym, zielonkawym punktem, widocznym przez lornetkę lub mały teleskop. Znajomość procesów w jego jonosferze pozwala jednak inaczej patrzeć na to, co widzimy. W momencie, gdy aparat rejestruje delikatne światło tej odległej planety, wysoko nad chmurami zachodzą gwałtowne procesy: zjonizowane cząstki zderzają się, fale przenoszą energię, pole magnetyczne zakrzywia trajektorie protonów i elektronów.

Dla edukatorów i popularyzatorów nauki to dobra okazja, żeby wyjść poza schemat prostego omówienia parametrów orbity i średnicy planety. Uran może służyć jako przykład, że nawet dawno znane obiekty kryją w sobie dynamiczne, zmienne środowiska, które da się badać z pomocą nowej generacji instrumentów.

Przy okazji warto wyjaśniać, jak działa sam teleskop James-Webb: dlaczego pracuje w podczerwieni, w jakiej odległości od Ziemi krąży i czemu jego czułość pozwala mierzyć temperaturę w warstwach atmosfery leżących tysiące kilometrów nad chmurami. Świadomość tych szczegółów sprawia, że kolejne komunikaty o wynikach obserwacji przestają być abstrakcyjne i zaczynają tworzyć spójną, zrozumiałą opowieść o tym, jak naprawdę funkcjonują gazowe olbrzymy.