چرا اورانوس و نپتون رنگ‌های متفاوتی دارند؟

اخترشناسان شاید اکنون فهمیده­ باشند که چرا سیاره‌های شبیه به هم اورانوس و نپتون به رنگ‌های مختلفی دیده می‌شوند. آن‌ها با استفاده از تلسکوپ جمنای شمالی، تأسیسات تلسکوپی فروسرخ ناسا و تلسکوپ فضایی هابل توانستند مدلی اتمسفریک از جو این دو سیاره بسازند که با مشاهدات انجام‌شده از سطح آن‌ها مطابقت دارد. این مدل نشان می‌دهد که غبار جوی اضافی در اتمسفر ساکن و کم‌تلاطم اورانوس باعث می‌شود رنگ آن نسبت به نپتون روشن‌تر به‌نظر برسد.

نپتون و اورانوس از بسیاری از جهات شبیه یکدیگر هستند. این دو سیاره جرم، اندازه و ترکیبات جوی مشابهی دارند؛ بااین‌حال شکل ظاهری آن‌ها برای ما متفاوت به‌نظر می‌رسد. سیاره‌ی نپتون در طول‌موج‌های مرئی به‌شکل واضح آبی‌تر از اورانوس به‌نظر می‌رسد، در حالی‌که رنگ اورانوس چیزی بین سبز و آبی روشن است. اخترشناسان ممکن است اکنون توضیحی برای تفاوت رنگ این سیاره‌ها پیدا کرده باشند.

یک تحقیق جدید نشان می‌دهد که لایه‌ی غبار جوی غلیظ که در اتمسفر هر دو سیاره وجود دارد در اورانوس ضخیم‌تر از نپتون بوده و همین موضوع باعث سفیدتر به‌نظر رسیدن آن نسبت به نپتون می‌شود. اگر هیچ غبار جوی در اتمسفر‌های اورانوس و نپتون وجود نداشت هر دوی آن‌ها به یک رنگ دیده می‌شدند.

این نتیجه‌گیری ناشی از استفاده از یک مدل اتمسفریک است که توسط یک تیم تحقیقاتی بین‌المللی به سرپرستی پاتریک ایروین، استاد فیزیک سیاره‌ای در دانشگاه آکسفورد و برای توصیف لایه‌های آئروسل موجود در اتمسفر‌های دو سیاره‌ی اورانوس و نپتون ساخته شده است. پژوهش‌هایی که پیش از این به‌منظور مطالعه‌ی بخش‌های بالایی اتمسفر این دو سیاره انجام گرفته بود بیشتر بر شکل ظاهری اتمسفر آن‌ها و تنها در طول موج‌های مشخص تمرکز داشت.

اما مدل جدید که از چند لایه‌ی اتمسفریک مختلف تشکیل یافته است با مشاهدات انجام‌شده از دو سیاره در گستره‌ی وسیعی از طول موج‌ها مطابقت دارد. همچنین در این مدل وجود ذرات غباری در لایه‌های عمیق‌تر اتمسفر نیز پیش‌بینی شده است. در گذشته تصور بر این بود که این لایه‌ها فقط شامل ابر‌های متان و یخ‌های سولفید هیدروژن باشند. ایروین در این‌مورد توضیح می‌دهد:

این اولین مدلی است که به‌طور هم‌زمان با مشاهدات ما از بازتاب نور خورشید در طول‌موج فرابنفش تا نزدیکی طول‌موج فروسرخ سازگاری دارد. همچنین نخستین مدلی است که تفاوت در رنگ مرئی دو سیاره‌ی اورانوس و نپتون را توضیح می‌دهد.

گفتنی است پاتریک ایروین نویسنده‌ی اصلی مقاله‌ی مربوط به تحقیق اخیری است که در ژورنال Geophysical Research به انتشار رسیده است.

مدل اتمسفریک ارائه شده توسط دانشمندان از سه لایه‌ی آئروسل (سوسپانسیون ذرات جامد یا قطرات مایع در گاز) در ارتفاع‌های مختلف تشکیل شده است. لایه‌ی اصلی که باعث تفاوت رنگ نپتون و اورانوس می‌شود لایه‌ی میانی است و در گزارش تحقیق از آن به‌عنوان لایه‌ی آئروسلی ۲ یاد می‌شود. این لایه در سیاره‌ی اورانوس ضخیم‌تر از نپتون است. محققان گمان می‌برند که در هر دو سیاره یخ متان (هیدرات متان) روی ذرات لایه‌ی دوم میعان شده و باعث می‌شود این ذرات به‌صورت برف‌های متانی به قسمت‌های عمیق‌تر اتمسفر سقوط کنند. نپتون اتمسفر فعال‌تر و متلاطم‌تری نسبت به اورانوس دارد؛ از این‌رو به باور محققان اتمسفر نپتون توانایی بیشتری در جابه‌جایی ذرات متان در لایه‌ی غباری و تولید برف متان دارد. همین موضوع باعث از بین رفتن غبار متان در اتمسفر نپتون شده و درنتیجه ضخامت لایه‌ی متشکل از غبار جوی در آن کاهش می‌یابد و درنهایت رنگ آبی نپتون نسبت به اورانوس پررنگ‌تر به‌نظر می‌رسد.

مایک وانگ، اخترشناس دانشگاه کالیفرنیا در برکلی و یکی از اعضای این تیم تحقیقاتی می‌گوید:

ما امیدواریم توسعه‌ی این مدل بتواند به درک بهتر ابر‌ها و غبار‌ها در اتمسفر‌های غول‌پیکر یخی کمک کند. توضیح تفاوت رنگ دو سیاره اورانوس و نپتون برای ما حکم یک پاداش غیرمنتظره را داشت.

تیم تحقیقاتی ایروین برای ساخت مدل خودشان به تجزیه وتحلیل شماری از داده‌های سیاره‌ای در طول موج‌های فرابنفش، مرئی و طول موج‌های نزدیک به فروسرخ (از ۰/۳ تا ۲/۵ میکرومتر) پرداختند. گفتنی است این داده‌ها از طیف‌سنج میدان انتگرال نزدیک مادون قرمز (NIFS) متعلق به تلسکوپ جمنای شمالی واقع در نزدیکی کوه مائوناکیا در جزیره‌ی هاوایی، که بخشی از رصدخانه‌ی بین‌المللی جمنای است، و همچنین آرشیو اطلاعاتی تأسیسات تلسکوپ مادون قرمز ناسا که آن‌هم در هاوایی واقع است؛ و درنهایت آرشیو اطلاعات تلسکوپ فضایی هابل متعلق به ناسا و آژانس فضایی اروپا به‌دست آمده‌اند.

طیف‌سنج NIFS در تلسکوپ جمنای شمالی شاید مهم‌ترین ابزار دانشمندان برای توسعه‌ی مدل اتمسفریک بوده است، چراکه این طیف‌سنج قادر است شدت روشنایی یک شیء واقع در میدان دید خود را در طول‌موج‌های مختلف اندازه‌گیری کند. به این‌ترتیب محققان توانستند میزان بازتابندگی اتمسفر‌های دو سیاره‌ی نپتون و اورانوس را در طول‌موج‌های نزدیک به مادون قرمز و همچنین به‌صورت قرص کامل آن‌ها اندازه‌گیری کنند. مارتین استیل، افسر برنامه‌ی جمنای در بنیاد ملی علوم می‌گوید:

رصدخانه‌های جمنای همچنان به دانش ما از سیاره‌های همسایه اضافه می‌کنند. در این مطالعه رصدخانه‌ی شمالی جمنای بخش مهمی از کل داده‌های جمع‌آوری شده از تأسیسات فضایی و زمینی به‌منظور کشف و شناسایی غبار‌های اتمسفریک را تأمین کرد.

این مدل همچنین می‌تواند ظهور گاه‌و‌بی‌گاه لکه‌های تیره در سطح نپتون را توضیح دهد؛ لکه‌هایی که در سیاره‌ی اورانوس کم‌تر دیده می‌شوند. در حالی‌که اخترشناسان از وجود این لکه ها‌ی تیره در اتمسفر هر دو سیاره آگاه بودند، اما نمی‌دانستند که کدام یک از لایه‌های آئروسلی این لکه‌ها را ایجاد می‌کند و چرا آئروسل‌های موجود در این لایه‌ها بازتابندگی کم‌تری داشتند. یافته‌های محققان نشان می‌دهد که تاریک‌شدن عمیق‌ترین لایه از مدل آن‌ها باعث بوجود آمدن لکه‌های تیره‌ی مشابه به لکه‌های نپتون و احتمالاً اورانوس می‌شود.