Джеймс Уэбб составил карту верхней атмосферы Урана
Уран, седьмая планета от Солнца, долгое время оставался для астрономов загадкой. Этот ледяной гигант, вращающийся «на боку» из-за экстремального наклона оси, всегда был сложной целью для наблюдений. Если его облачные покровы мы видели лишь как смутные, бесформенные пятна, то его верхние слои атмосферы, где солнечный ветер встречается с магнитным полем, и вовсе были terra incognita. Однако теперь, благодаря беспрецедентной чувствительности и разрешению космического телескопа Джеймс Уэбб (JWST), международная группа астрономов впервые смогла заглянуть в эту неизведанную область и создать первую в истории трехмерную карту верхних слоев атмосферы Урана.
Используя инструмент NIRSpec (спектрограф ближнего инфракрасного диапазона), ученые под руководством Паолы Тиранти из Университета Нортумбрии провели 15-часовое наблюдение планеты почти в течение полного ее оборота. Они уловили слабое, едва уловимое свечение молекул, парящих высоко над основным облачным покровом. Это излучение, подобно маяку, рассказало исследователям о физических процессах, происходящих в ионосфере Урана, обширной области, простирающейся на тысячи километров вверх, где атмосферные газы ионизируются под действием солнечного излучения и сталкиваются с частицами, захваченными магнитным полем.
Главным результатом работы стало построение вертикального профиля атмосферы, показывающего, как температура и плотность заряженных частиц (ионов) меняются с высотой. Оказалось, что структура этого региона гораздо сложнее, чем предполагалось ранее. Температура здесь не падает равномерно с высотой, а достигает своего пика на очень больших высотах — от трех до четырех тысяч километров над видимой поверхностью облаков.
В то же время максимальная концентрация ионов, являющихся индикаторами активности и «строительным материалом» для полярных сияний, находится заметно ниже, на высоте около тысячи километров. Это расслоение указывает на сложные механизмы переноса энергии и ее перераспределения в газовой оболочке планеты.
Уран издавна славится своей «странной» магнитосферой. Его магнитное поле не только сильно наклонено относительно оси вращения, но и смещено от центра планеты. Это создает причудливую, асимметричную картину взаимодействия атмосферы с потоками заряженных частиц. Новые данные телескопа Джеймс Уэбб позволили впервые воочию увидеть последствия этой аномалии. Наблюдения выявили две яркие полосы полярного сияния, расположенные вблизи магнитных полюсов.
Но самым интригующим открытием стала обширная затемненная зона между ними, где интенсивность свечения и плотность ионов резко падает. Аналогичные «провалы» ранее наблюдались на Юпитере, и они напрямую связаны с тем, как геометрия магнитных линий направляет или, наоборот, блокирует движение энергетических частиц в атмосферу. Это прямое доказательство того, что причудливое магнитное поле Урана диктует «погоду» в его ионосфере на самых разных высотах.
Исследование также подтвердило долгосрочную тенденцию в климате верхних слоев планеты. Данные «Уэбба» показывают, что атмосфера Урана продолжает остывать, следуя тренду, зафиксированному еще в начале 1990-х годов наземными телескопами и зондом «Вояджер-2». Измеренная средняя температура в исследуемой области составила около 426 кельвинов (примерно 150 градусов Цельсия), что ниже предыдущих оценок. Это охлаждение — еще одна загадка для планетологов, разгадка которой поможет понять энергетический баланс не только Урана и Нептуна, но и подобных им экзопланет, которые являются одними из самых распространенных типов планет в нашей Галактике.
«Впервые мы смогли увидеть верхние слои атмосферы Урана в трех измерениях», — подчеркивает Паола Тиранти. Телескоп Джеймс Уэбб, по сути, предоставил ученым ключ к пониманию того, как ледяные гиганты распределяют энергию в своих недрах и как их экзотические магнитные поля формируют структуру самых верхних слоев атмосферы, открывая новое окно в изучение планетарных процессов далеко за пределами Солнечной системы.