Le vaisseau spatial Voyager 2 de la NASA a capturé ces vues d’Uranus (à gauche) et de Neptune (à droite) lors de ses survols des planètes dans les années 1980. Crédit : NASA/JPL-Caltech/B. Jónsson
Les observations de l’Observatoire Gemini et d’autres télescopes révèlent que la brume excessive sur 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.
Les planètes Neptune et Uranus ont beaucoup en commun – elles ont des masses, des tailles et des compositions atmosphériques similaires – et pourtant leurs apparences sont notablement différentes. Aux longueurs d’onde visibles, Neptune a une couleur nettement plus bleue, tandis qu’Uranus est une pâle nuance de cyan. Les astronomes ont maintenant une explication pour la raison pour laquelle les deux planètes ont des couleurs différentes.
De nouvelles recherches suggèrent qu’une couche de brume concentrée qui existe sur les deux planètes est plus épaisse sur Uranus qu’une couche similaire sur Neptune et “blanchit” davantage l’apparence d’Uranus que celle de Neptune.[1] S’il n’y avait pas de brume dans les atmosphères de Neptune et d’Uranus, elles apparaîtraient presque aussi bleues l’une que l’autre.[2]
Cette conclusion provient d’un modèle[3] qu’une équipe internationale dirigée par Patrick Irwin, professeur de physique planétaire à l’Université d’Oxford, a développé pour décrire les couches d’aérosols dans les atmosphères de Neptune et d’Uranus.[4] Les études précédentes de la haute atmosphère de ces planètes s’étaient concentrées sur l’apparence de l’atmosphère à des longueurs d’onde spécifiques. Cependant, ce nouveau modèle, composé de plusieurs couches atmosphériques, correspond aux observations des deux planètes sur une large gamme de longueurs d’onde. Le nouveau modèle inclut également des particules de brume dans les couches plus profondes, dont on pensait auparavant qu’elles ne contenaient que des nuages de glaces de méthane et de sulfure d’hydrogène.
Ce diagramme montre trois couches d’aérosols dans les atmosphères d’Uranus et de Neptune, telles que modélisées par une équipe de scientifiques dirigée par Patrick Irwin. L’échelle de hauteur sur le diagramme représente la pression au-dessus de 10 bars.
La couche la plus profonde (la couche Aérosol-1) est épaisse et composée d’un mélange de glace de sulfure d’hydrogène et de particules produites par l’interaction des atmosphères des planètes avec la lumière du soleil.
La couche clé qui affecte les couleurs est la couche intermédiaire, qui est une couche de particules de brume (appelée dans l’article la couche Aerosol-2) qui est plus épaisse sur Uranus que sur Neptune. L’équipe soupçonne que, sur les deux planètes, la glace de méthane se condense sur les particules de cette couche, entraînant les particules plus profondément dans l’atmosphère dans une pluie de neige de méthane. L’atmosphère de Neptune étant plus active et turbulente que celle d’Uranus, l’équipe pense que l’atmosphère de Neptune est plus efficace pour baratter les particules de méthane dans la couche de brume et produire cette neige. Cela élimine une plus grande partie de la brume et maintient la couche de brume de Neptune plus mince qu’elle ne l’est sur Uranus, ce qui signifie que la couleur bleue de Neptune semble plus forte.
Au-dessus de ces deux couches se trouve une couche de brume étendue (la couche d’aérosol-3) similaire à la couche inférieure mais plus ténue. Sur Neptune, de grandes particules de glace de méthane se forment également au-dessus de cette couche.
Crédit : Observatoire international Gemini/NOIRLab/NSF/AURA, J. da Silva/NASA /JPL-Caltech /B. Jónsson
“C’est le premier modèle à s’adapter simultanément aux observations de la lumière solaire réfléchie, de l’ultraviolet aux longueurs d’onde du proche infrarouge”, a expliqué Irwin, qui est l’auteur principal d’un article présentant ce résultat dans le Journal of Geophysical Research : Planets. “C’est aussi la première à expliquer la différence de couleur visible entre Uranus et Neptune”.
Le modèle de l’équipe se compose de trois couches d’aérosols à différentes hauteurs.[5] La couche clé qui affecte les couleurs est la couche du milieu, qui est une couche de particules de brume (appelée dans l’article la couche Aerosol-2) qui est plus épaisse sur Uranus que sur Neptune. L’équipe soupçonne que, sur les deux planètes, la glace de méthane se condense sur les particules de cette couche, entraînant les particules plus profondément dans l’atmosphère dans une pluie de neige de méthane. L’atmosphère de Neptune étant plus active et turbulente que celle d’Uranus, l’équipe pense que l’atmosphère de Neptune est plus efficace pour baratter les particules de méthane dans la couche de brume et produire de la neige de méthane.cette neige. Cela permet d’éliminer une plus grande partie de la brume et de maintenir la couche de brume de Neptune plus mince qu’elle ne l’est sur Uranus, ce qui signifie que la couleur bleue de Neptune semble plus forte.
“Nous espérions que le développement de ce modèle nous aiderait à comprendre les nuages et les brumes dans les atmosphères des géantes de glace”, a commenté Mike Wong, astronome à l’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
- This whitening effect is similar to how clouds in exoplanet atmospheres dull or ‘flatten’ features in the spectra of exoplanets.
- 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.
- 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.
- 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.
- 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.
