Uraniske måner i nyt lys

For mere end 230 år siden opdagede astronomen William Herschel planeten Uranus og to af dens måner. Ved at bruge Herschel Space Observatory, en gruppe astronomer ledet af Örs H. Detre fra Max Planck Institute for Astronomy er nu lykkedes med at bestemme de fysiske egenskaber af Uranus' fem vigtigste måner. Den målte infrarøde stråling, som opstår ved at solen opvarmer deres overflader, tyder på, at disse måner ligner dværgplaneter som Pluto. Holdet udviklede en ny analyseteknik, der udtog de svage signaler fra månerne ved siden af ​​Uranus, som er mere end tusind gange lysere. Undersøgelsen blev offentliggjort i dag i tidsskriftet Astronomi og astrofysik .

For at udforske de ydre områder af solsystemet, rumsonder som Voyager 1 og 2, Cassini-Huygens og New Horizons blev sendt på lange ekspeditioner. Nu er en tysk-ungarsk forskningsgruppe, ledet af Örs H. Detre fra Max Planck Institute for Astronomy (MPIA) i Heidelberg, viser, at med den rette teknologi og opfindsomhed, interessante resultater kan også opnås med observationer langvejs fra.

Forskerne brugte data fra Herschel Space Observatory, som blev indsat mellem 2009 og 2013, og i hvis udvikling og drift MPIA også var væsentligt involveret. Sammenlignet med sine forgængere, der dækkede et lignende spektralområde, observationerne af dette teleskop var væsentligt skarpere. Det blev opkaldt efter astronomen William Herschel, der fandt infrarød stråling i 1800. Et par år tidligere, han opdagede også planeten Uranus og to af dens måner (Titania og Oberon), som nu er blevet udforsket mere detaljeret sammen med tre andre måner (Miranda, Ariel og Umbriel).

"Rent faktisk, vi udførte observationerne for at måle indflydelsen af ​​meget lyse infrarøde kilder som Uranus på kameradetektoren, " forklarer medforfatter Ulrich Klaas, som stod i spidsen for arbejdsgruppen for PACS-kameraet i Herschel Space Observatory ved MPIA, som billederne blev taget med. "Vi opdagede kun månerne tilfældigt som yderligere knudepunkter i planetens ekstremt lyse signal." PACS-kameraet, som blev udviklet under ledelse af Max Planck Institute for Extraterrestrial Physics (MPE) i Garching, var følsom over for bølgelængder mellem 70 og 160 µm. Dette er mere end hundrede gange større end bølgelængden af ​​synligt lys. Som resultat, billederne fra Hubble-rumteleskopet i samme størrelse er omkring hundrede gange skarpere.

Kolde objekter udstråler meget stærkt i dette spektrale område, såsom Uranus og dens fem vigtigste måner, som – opvarmet af Solen – når temperaturer mellem omkring 60 og 80 K (–213 til –193 °C).

"Timingen af ​​observationen var også et lykketræf, " forklarer Thomas Müller fra MPE. Uranus' rotationsakse, og dermed også månernes baneplan, er usædvanligt tilbøjelige til deres bane omkring Solen. Mens Uranus kredser om Solen i flere årtier, det er hovedsageligt enten den nordlige eller den sydlige halvkugle, der er oplyst af Solen. "Under observationerne, imidlertid, stillingen var så gunstig, at de ækvatoriale regioner nød godt af solbestrålingen. Dette gjorde det muligt for os at måle, hvor godt varmen fastholdes i en overflade, når den bevæger sig til natsiden på grund af månens rotation. Dette lærte os meget om materialets natur, " forklarer Müller, som har beregnet modellerne til denne undersøgelse. Heraf udledte han månernes termiske og fysiske egenskaber.

Da rumsonden Voyager 2 passerede Uranus i 1986, konstellationen var meget mindre gunstig. De videnskabelige instrumenter kunne kun fange sydpolregionerne i Uranus og månerne.

Müller fandt ud af, at disse overflader lagrer varmen uventet godt og afkøles forholdsvis langsomt. Astronomer kender denne adfærd fra kompakte objekter med en ru, iskold overflade. Det er derfor, forskerne antager, at disse måner er himmellegemer, der ligner dværgplaneterne i udkanten af ​​solsystemet, såsom Pluto eller Haumea. Uafhængige undersøgelser af nogle af de ydre, uregelmæssige uranske måner, som også er baseret på observationer med PACS/Herschel, angiver, at de har forskellige termiske egenskaber. Disse måner viser karakteristika for de mindre og løst bundne transneptunske objekter, som er placeret i en zone ud over planeten Neptun. "Dette ville også passe med spekulationerne om oprindelsen af ​​de uregelmæssige måner, " tilføjer Müller. "På grund af deres kaotiske baner, det antages, at de først blev fanget af det uranske system på et senere tidspunkt."

Imidlertid, de fem hovedmåner blev næsten overset. I særdeleshed, meget lyse objekter som Uranus genererer stærke artefakter i PACS/Herschel-dataene, som bevirker, at noget af det infrarøde lys i billederne fordeles over store områder. Dette er næppe mærkbart, når man observerer svage himmellegemer. med Uranus, imidlertid, det er endnu mere udtalt. "Månerne, som er mellem 500 og 7400 gange svagere, er i så lille afstand fra Uranus, at de smelter sammen med de tilsvarende lyse artefakter. Kun de klareste måner, Titania og Oberon, skiller sig lidt ud fra det omgivende genskin, " Medforfatter Gábor Marton fra Konkoly Observatory i Budapest beskriver udfordringen.

Denne utilsigtede opdagelse ansporede Örs H. Detre til at gøre månerne mere synlige, så deres lysstyrke kunne måles pålideligt. "I lignende tilfælde, såsom søgen efter exoplaneter, vi bruger koronagrafier til at maskere deres klare centrale stjerne, " Detre forklarer. "Herschel havde ikke sådan en enhed. I stedet, vi udnyttede den enestående fotometriske stabilitet af PACS-instrumentet." Baseret på denne stabilitet og efter at have beregnet de nøjagtige positioner af månerne på tidspunktet for observationerne, han udviklede en metode, der gjorde det muligt for ham at fjerne Uranus fra dataene. "Vi blev alle overraskede, da fire måner tydeligt fremkom på billederne, og vi kunne endda opdage Miranda, den mindste og inderste af de fem største uranske måner, " slutter Detre.

"Resultatet viser, at vi ikke altid har brug for omfattende planetariske rummissioner for at få ny indsigt i solsystemet, " påpeger medforfatter Hendrik Linz fra MPIA. "Derudover, den nye algoritme kunne anvendes på yderligere observationer, som er blevet indsamlet i stort antal i det elektroniske dataarkiv fra European Space Agency ESA. Hvem ved, hvilken overraskelse der stadig venter os der?"