Astronom William Herschel objevil Uran – a dva jeho měsíce – před 230 lety. Nyní skupina astronomů pracující s daty z dalekohledu, který nese jeho jméno, Herschel Space Observatory, učinila nečekaný objev. Vypadá to, že měsíce Uranu mají nápadnou podobnost s ledovými trpasličími planetami.
The Herschelova vesmírná observatoř je v důchodu od roku 2013. Ale všechna jeho data jsou stále zajímavá pro výzkumníky. Tento objev byl šťastnou náhodou, vyplývající z testů na datech z kamerového detektoru observatoře. Uran je velmi jasný infračervený zdroj energie a tým měřil vliv velmi jasných infračervených objektů na kameru.
Snímky měsíců byly objeveny náhodou.
Uran je obtížné pozorovat. Voyager 2 NASA je jedinou kosmickou lodí, která kdy planetu navštívila, a tato návštěva nás hodně naučila. Dokonce i dalekohledy jako Hubble mají potíže.
Tým výzkumníků za touto studií pracoval s novou metodou analýzy dat z Herschel Space Observatory a její Fotodetekční Array kamera a spektrometr (PACS). PACS byl spektrometr s nízkým rozlišením a zobrazovací kamera v jednom. Pracuje v infračerveném pásmu a získává ostřejší snímky než kterýkoli z jeho předchůdců.
Dokument představující zjištění týmu se jmenuje „ Herschel-PACS fotometrie pěti hlavních měsíců Uranu .“ Je publikován v časopise Astronomy and Astrophysics a hlavním autorem je Örs H. Detre z Max Planck Institute for Astronomy (MPIA).
'Všichni jsme byli překvapeni, když se na snímcích jasně objevily čtyři měsíce, a dokonce jsme mohli objevit Mirandu, nejmenší a nejvnitřnější z pěti největších uranských měsíců.'
Örs H. Detre, hlavní autor, Max Planck Institute for Astronomy.
V abstraktu ze svého příspěvku tým uvedl své cíle: „Naším cílem je určit daleko infračervené toky při 70, 100 a 160?m pro pět hlavních satelitů Uranu, Titania, Oberon, Umbriel, Ariel a Miranda. Pro svou práci neprovedli žádná nová pozorování. Místo toho pracovali s daty z Herschelova PACS.
Jedna věc, kterou Herschelova observatoř postrádala, byla: koronograf . Koronograf blokuje silné zdroje světla, což astronomům umožňuje vidět slabé objekty ve stejné blízkosti jako silné světlo. Používají se na slunečních observatořích, kde blokují oslnění Slunce, což umožňuje výzkumníkům vidět výrony koronální hmoty a další sluneční jevy. Bez koronografu se slabé předměty ve všem tom světle jednoduše ztratí. V tomto případě jasné infračervené světlo přicházející z Uranu znamenalo, že bylo téměř nemožné vidět jeho blízké měsíce.
Fotografie pořízená ve 20:00 UT (14:00 CST) 19. února koronografem SOHO C2, zařízením, které blokuje Slunce a umožňuje pohled na oblast poblíž. Poděkování: NASA/ESA
Bez koronografu museli být Detre a jeho kolegové chytří.
'Ve skutečnosti jsme provedli pozorování, abychom změřili vliv velmi jasných infračervených zdrojů, jako je Uran, na kamerový detektor,' vysvětluje spoluautor Ulrich Klaas, který vedl pracovní skupinu PACS kamery Herschel Space Observatory v MPIA. 'Objevili jsme měsíce jen náhodou jako další uzly v extrémně jasném signálu planety.'
V rozsahu vlnových délek PACS jasně vyzařují chladnější objekty. Uran a jeho měsíce jsou ohřívány Sluncem na přibližně -213 C až -193 C (60 až 80 K). Vypadají tedy jako jasné objekty, přičemž světlo z Uranu zaplavuje měsíce.
Uran' axiální sklon je 97,77 stupňů, takže v podstatě obíhá na své straně, kolmo k ekliptice. Měsíce také odpovídají tomuto uspořádání, takže jsou nakloněny ke své oběžné dráze kolem Slunce. Jak Uran obíhá kolem Slunce, je primárně osvětlena buď severní nebo jižní polokoule.
Tento snímek ve falešných barvách z velmi velkého dalekohledu ESO ukazuje, jak jsou Uran a jeho měsíce kolmé k ekliptice Sluneční soustavy. Obrazový kredit: Evropská jižní observatoř – Pohled na prstence Uranu, když se poprvé od svého objevu v roce 1977 zhouply hranou k Zemi, CC BY 4.0, https://commons.wikimedia.org/w/index.php? curid=5159107
Načasování PACS pozorování Uranu a jeho pěti měsíců bylo velmi šťastné.
„Načasování pozorování bylo také štěstím,“ vysvětluje Thomas Müller z MPE. „Během pozorování však byla poloha tak příznivá, že rovníkové oblasti těžily ze slunečního záření. To nám umožnilo změřit, jak dobře je teplo zadržováno v povrchu, když se pohybuje na noční stranu v důsledku rotace Měsíce. To nás naučilo hodně o povaze materiálu,“ vysvětluje Müller, který vypočítal modely pro tuto studii.
Tato pozorování byla šťastná, protože Uran není takto osvětlen příliš často. Dokončení jednoho oběhu trvá 84 let a od svého objevu neuskutečnil ani tři oběhy. Takže bylo rozhodně štěstí, že Herschelova vesmírná observatoř fungovala během tohoto okna.
Herschelova vesmírná observatoř ESA na pozadí snímku oblasti tvorby hvězd Vela C. Copyright ESA/PACS & SPIRE Consortia, T. Hill, F. Motte, Laboratoire AIM Paris-Saclay, CEA/IRFU – CNRS/INSU – Uni. Paris Diderot, konsorcium klíčového programu HOBYS.
Sledování Uranu a jeho měsíců, jak absorbují a poté uvolňují teplo, bylo pro tuto studii zásadní. Mullera překvapilo, co našel. Povrchy pěti měsíců, Titania, Oberon, Umbriel, Ariel a Miranda, absorbovaly teplo překvapivě dobře a uvolňovaly ho pomaleji, než se očekávalo.
Vlastnosti měsíců zadržování tepla a uvolňování tepla týmu připomněly další rodinu objektů Sluneční soustavy: trpasličí planety na vnějším okraji Sluneční soustavy. Těla jako Pluto a Haumea . Tyto výsledky odlišují pět hlavních měsíců Uranu od ostatních menších nepravidelných měsíců, které obíhají kolem planety.
Tento obrázek ukazuje největší TNO ve Sluneční soustavě. Obrazový kredit: Obrazový kredit: Lexicon. Na základě obrázků NASA ve veřejné doméně: Obrázek:2006-16-d-print.jpg, Obrázek:Orcus art.png, Obrázek:Snow2whi.jpg. Obrázky systému Pluto jsou od NASA a JHUAPLNové obzorymise. Ilustrace Haumea a Makemake jsou z Image:Illustration of the trpasličí planety Makemake.jpg a Image:Haumea brilla con hielo cristalino.jpg.
„Vytvořili jsme vylepšené termofyzikální modely pěti hlavních satelitů Uranu,“ píší autoři v závěru svého článku. 'Naše odvozené hodnoty tepelné setrvačnosti se podobají hodnotám trpasličích planet s transneptunickými objekty (TNO), Pluto a Haumea, více než u menších TNO a Kentaurů v heliocentrických vzdálenostech asi 30 AU.'
„Shrnuto,“ pokračují výzkumníci, „uranské satelity Oberon, Titania, Umbriel, Ariel a Miranda mají tepelné setrvačnosti, které jsou vyšší než velmi nízké hodnoty zjištěné pro TNO a Kentaury ve 30 AU heliocentrické vzdálenosti. Zdá se, že tepelné vlastnosti povrchů ledových satelitů jsou bližší vlastnostem zjištěným u trpasličích planet TNO Pluto a Haumea.
„To by také odpovídalo spekulacím o původu nepravidelných měsíců,“ dodává Müller in a tisková zpráva . 'Kvůli jejich chaotickým drahám se předpokládá, že byli zajati uranským systémem až později.' Charakteristiky menších nepravidelných měsíců jsou podobné vzdálenějším, menším a volněji vázaným TNO. Pouze pět hlavních měsíců bylo vytvořeno in-situ a připomínají objekty jako Pluto.
V oblasti pozorování PACS se Uran jeví v drtivé většině jasný. Tento jas přehluší blízké objekty, jako je pět hlavních měsíců. Povaha PACS znamená, že infračervené světlo z Uranu se může šířit po zbytku snímku. To není rozhodující pro velmi vzdálené objekty, jako jsou jiné hvězdy. Ale pro něco jako Uran mohou být celé měsíce zablokovány.
'Měsíce, které jsou mezi 500 a 7400 krát slabší, jsou v tak malé vzdálenosti od Uranu, že splývají s podobně jasnými artefakty.' Jen ty nejjasnější měsíce, Titania a Oberon, trochu vyčnívají z okolní záře,“ uvedl spoluautor Gábor Marton z Konkolyho observatoře v Budapešti. tisková zpráva .
To je podstatou tohoto výzkumu. Tým vyvinul nové techniky zpracování dat, aby vrátil měsíce zpět do záběru a eliminoval oslepující odlesky. Cílem bylo snížit dostatek světla, aby byly měsíce opět viditelné, aby tým mohl spolehlivě změřit jejich jas. Je to jako snažit se vnést sílu koronografu do snímků, které byly vytvořeny bez něj.
Tyto obrázky vysvětlují, jak byly z dat extrahovány uranské měsíce. Vlevo: Původní snímek obsahuje infračervené signály z Uranu a jeho pěti hlavních měsíců, měřeno při vlnové délce 70 µm. Uran je několik tisíckrát jasnější než jeden měsíc. Jeho obrazu dominují artefakty způsobené rušením dalekohledu a kamery. Titania a Oberon jsou sotva vidět. Střed: Pomocí těchto dat vytvořil sofistikovaný postup model rozložení jasu samotného Uranu. To se odečte od původního obrázku. Vpravo: Konečně po odečtení zůstávají signály měsíců. V místě Uranu ne zcela dokonalá metoda extrakce mírně ovlivňuje výsledek. Obrazový kredit: Ö. H. Detre a kol., 2020./MPIA
'V podobných případech, jako je pátrání po exoplanetách, používáme koronografy k maskování jejich jasné centrální hvězdy,' vysvětluje Detre. 'Herschel neměl takové zařízení.' Místo toho jsme využili vynikající fotometrickou stabilitu přístroje PACS.“
Tým vypočítal přesné polohy samotných měsíců, když byly snímky pořízeny, a poté tyto znalosti použil k odstranění samotného Uranu a veškeré jeho jasnosti ze snímku.
'Všichni jsme byli překvapeni, když se na snímcích jasně objevily čtyři měsíce a dokonce jsme mohli objevit Mirandu, nejmenší a nejvnitřnější z pěti největších uranských měsíců,' uzavírá Detre.
Tento vývojový diagram ze studie ilustruje proces zpracování dat, který tým použil. Přerušovaná čára ukazuje tři hlavní části iterace. Začíná se vlevo dole počáteční korekcí nezpracovaných obrázků. Cyklus iterace se zastaví, když se parametry proložení významně nezmění. Každý soubor dat prošel 25 iteracemi. Vpravo dole jsou konečné snímky odečtené od Uranu. Obrazový kredit: Ö. H. Detre a kol., 2020.
Tato studie ukazuje, jak cenná mohou být archivovaná pozorovací data. V datech z vypršelých misí, jako je Herschel, jsou skryté cenné vědecké objevy. Například v dubnu 2020 vědci zkoumali data z mise NASA Kepler pro hledání planet našli planetu velikosti Země v obyvatelné zóně své hvězdy.
„Výsledek ukazuje, že ne vždy potřebujeme propracované planetární vesmírné mise, abychom získali nové poznatky o Sluneční soustavě,“ zdůrazňuje spoluautor Hendrik Linz z MPIA. „Kromě toho by mohl být nový algoritmus aplikován na další pozorování, která byla shromážděna ve velkém množství v elektronickém datovém archivu Evropské kosmické agentury. Kdo ví, jaké překvapení nás tam ještě čeká?“
Více:
- Tisková zpráva: Herschel a uranské měsíce
- Nový výzkum: Herschel-PACS fotometrie pěti hlavních měsíců Uranu
- Vesmír dnes: Něco dvakrát většího než Země narazilo do Uranu a srazilo ho na bok