L'astronomo William Herschel scoprì Urano e due delle sue lune 230 anni fa. Ora un gruppo di astronomi che lavorano con i dati del telescopio che porta il suo nome, l'Herschel Space Observatory, ha fatto una scoperta inaspettata. Sembra che le lune di Urano abbiano una sorprendente somiglianza con i pianeti nani ghiacciati.
Il Osservatorio spaziale Herschel è stato ritirato dal 2013. Ma tutti i suoi dati sono ancora di interesse per i ricercatori. Questa scoperta è stata un felice incidente, derivante da test sui dati del rilevatore della fotocamera dell'osservatorio. Urano è una fonte di energia a infrarossi molto luminosa e il team stava misurando l'influenza di oggetti a infrarossi molto luminosi sulla fotocamera.
Le immagini delle lune sono state scoperte per caso.
Urano è difficile da osservare. Il Voyager 2 della NASA è l'unico veicolo spaziale ad aver mai visitato il pianeta, e quella visita ci ha insegnato molto. Anche i telescopi come Hubble hanno difficoltà.
Il team di ricercatori dietro questo studio stava lavorando con un nuovo metodo di analisi dei dati dell'Herschel Space Observatory e del suo Fotocamera e spettrometro a matrice di fotorilevamento (PACS). Il PACS era uno spettrometro a bassa risoluzione e una fotocamera per immagini in uno. Funziona nell'infrarosso e ha raccolto immagini più nitide rispetto a qualsiasi dei suoi predecessori.
Il documento che presenta la scoperta del team è intitolato ' Herschel-Fotometria PACS delle cinque lune maggiori di Urano .” È pubblicato sulla rivista Astronomy and Astrophysics e l'autore principale è Örs H. Detre del Max Planck Institute for Astronomy (MPIA).
'Siamo rimasti tutti sorpresi quando quattro lune sono apparse chiaramente sulle immagini e abbiamo persino potuto rilevare Miranda, la più piccola e la più interna delle cinque più grandi lune di Urano'.
Örs H. Detre, autore principale, Istituto Max Planck per l'astronomia.
Nell'estratto del loro articolo, il team ha dichiarato i propri obiettivi: 'Miriamo a determinare i flussi nel lontano infrarosso a 70, 100 e 160?m per i cinque principali satelliti di Urano, Titania, Oberon, Umbriel, Ariel e Miranda. Non hanno condotto nuove osservazioni per il loro lavoro. Invece, hanno lavorato con i dati del PACS di Herschel.
Una cosa che mancava all'Osservatorio Herschel era un coronografo . Un coronografo blocca potenti fonti di luce, consentendo agli astronomi di vedere oggetti deboli nelle stesse vicinanze della luce potente. Sono utilizzati negli osservatori solari, dove bloccano il bagliore del Sole, consentendo ai ricercatori di vedere le espulsioni di massa coronale e altri fenomeni solari. Senza un coronografo, gli oggetti deboli si perdono semplicemente in tutta quella luce. In questo caso, la brillante luce infrarossa proveniente da Urano significava che era quasi impossibile vedere le sue lune vicine.
Foto scattata alle 20:00 UT (14:00 CST) del 19 febbraio con il coronografo SOHO C2, un dispositivo che blocca il Sole, consentendo una visione dell'area vicina. Credito: NASA/ESA
Senza un coronografo, Detre e i suoi colleghi dovevano essere intelligenti.
'In realtà, abbiamo effettuato le osservazioni per misurare l'influenza di sorgenti infrarosse molto luminose come Urano sul rilevatore della telecamera', spiega il coautore Ulrich Klaas, che ha guidato il gruppo di lavoro della telecamera PACS dell'Herschel Space Observatory presso MPIA. 'Abbiamo scoperto le lune solo per caso come nodi aggiuntivi nel segnale estremamente luminoso del pianeta'.
Nella gamma di lunghezze d'onda del PACS, gli oggetti più freddi irradiano brillantemente. Urano e le sue lune sono riscaldate dal Sole tra circa -213 C e -193 C (60 e 80 K). Quindi appaiono come oggetti luminosi, con la luce di Urano che travolge le lune.
Urano' inclinazione assiale è 97,77 gradi, quindi fondamentalmente orbita su un lato, perpendicolare all'eclittica. Anche le lune si conformano a questa disposizione, quindi sono inclinate verso la loro orbita attorno al Sole. Mentre Urano orbita attorno al Sole, è principalmente l'emisfero settentrionale o meridionale ad essere illuminato.
Questa immagine a falsi colori del Very Large Telescope dell'ESO mostra come Urano e le sue lune siano perpendicolari all'eclittica del Sistema Solare. Immagine di credito: dall'Osservatorio europeo meridionale - Sbirciando gli anelli di Urano mentre oscillano verso la Terra per la prima volta dalla loro scoperta nel 1977, CC BY 4.0, https://commons.wikimedia.org/w/index.php? cagliata=5159107
Il tempismo delle osservazioni PACS di Urano e delle sue cinque lune è stato molto fortunato.
'Anche il momento dell'osservazione è stato un colpo di fortuna', spiega Thomas Müller di MPE. “Durante le osservazioni, però, la posizione era così favorevole che le regioni equatoriali hanno beneficiato dell'irraggiamento solare. Questo ci ha permesso di misurare quanto bene viene trattenuto il calore in una superficie mentre si sposta verso il lato notturno a causa della rotazione della luna. Questo ci ha insegnato molto sulla natura del materiale', spiega Müller, che ha calcolato i modelli per questo studio.
Queste osservazioni sono state fortunate perché Urano non è illuminato in questo modo molto spesso. Ci vogliono 84 anni per completare un'orbita e non ha nemmeno completato tre orbite dalla sua scoperta. Quindi è stata decisamente una fortuna che l'Herschel Space Observatory fosse operativo durante quella finestra.
L'osservatorio spaziale Herschel dell'ESA si trova su un'immagine di sfondo della regione di formazione stellare Vela C. Copyright ESA/PACS & SPIRE Consortia, T. Hill, F. Motte, Laboratoire AIM Paris-Saclay, CEA/IRFU – CNRS/INSU – Uni. Paris Diderot, Consorzio Programma Chiave HOBYS.
Osservare Urano e le sue lune mentre assorbivano e poi rilasciavano il calore era fondamentale per questo studio. Muller fu sorpreso da ciò che trovò. Le superfici delle cinque lune, Titania, Oberon, Umbriel, Ariel e Miranda, hanno assorbito il calore sorprendentemente bene e lo hanno rilasciato più lentamente del previsto.
La ritenzione di calore e le proprietà di rilascio delle lune hanno ricordato al team di un'altra famiglia di oggetti del Sistema Solare: i pianeti nani al confine esterno del Sistema Solare. corpi come Plutone e Haumea . Questi risultati distinguono le cinque lune principali di Urano dalle altre lune più piccole e irregolari che orbitano attorno al pianeta.
Questa immagine mostra i più grandi TNO del Sistema Solare. Credito immagine: Credito immagine: Lessico. Basato sulle immagini di pubblico dominio della NASA: Image:2006-16-d-print.jpg, Image:Orcus art.png, Image:Snow2whi.jpg. Le immagini del sistema Plutone provengono dalla NASA e da JHUAPL'sNuovi orizzontimissione. Le illustrazioni di Haumea e Makemake provengono da Image:Illustration of the dwarf planet Makemake.jpg e Image:Haumea brilla con hielo cristalino.jpg.
'Abbiamo stabilito modelli termofisici migliorati dei cinque principali satelliti di Urano', scrivono gli autori nella conclusione del loro articolo. 'I nostri valori di inerzia termica derivati assomigliano a quelli dei pianeti nani oggetto transnettuniano (TNO), Plutone e Haumea, più di quelli di TNO e Centauri più piccoli a distanze eliocentriche di circa 30 AU'.
“In sintesi”, proseguono i ricercatori, “i satelliti uraniani Oberon, Titania, Umbriel, Ariel e Miranda hanno inerzie termiche superiori ai valori molto bassi riscontrati per TNO e Centauri a una distanza eliocentrica di 30 AU. Sembra che le proprietà termiche delle superfici ghiacciate dei satelliti siano più vicine alle proprietà trovate per i pianeti nani TNO Plutone e Haumea”.
'Questo si adatterebbe anche alle speculazioni sull'origine delle lune irregolari', aggiunge Müller in a comunicato stampa . 'A causa delle loro orbite caotiche, si presume che siano stati catturati dal sistema Uraniano solo in un secondo momento'. Le caratteristiche delle lune irregolari più piccole sono simili a TNO più distanti, più piccoli e più debolmente legati. Solo le cinque lune principali si sono formate in situ e assomigliano a oggetti come Plutone.
Nel raggio di osservazione del PACS, Urano appare straordinariamente luminoso. Quella luminosità travolge gli oggetti vicini come le cinque lune principali. La natura del PACS significa che la luce infrarossa di Urano può diffondersi sul resto dell'immagine. Questo non è fondamentale per oggetti molto distanti come altre stelle. Ma per qualcosa come Urano, intere lune possono essere bloccate.
“Le lune, che sono tra le 500 e le 7400 volte più deboli, sono a una distanza così piccola da Urano che si fondono con gli artefatti altrettanto luminosi. Solo le lune più luminose, Titania e Oberon, risaltano un po' dal bagliore circostante', ha affermato il coautore Gábor Marton dell'Osservatorio Konkoly di Budapest, in un comunicato stampa .
Questo è il cuore di questa ricerca. Il team ha sviluppato nuove tecniche di elaborazione dei dati per riportare in vista le lune ed eliminare il bagliore accecante. L'idea era quella di ridurre abbastanza luce per rendere nuovamente visibili le lune, in modo che il team potesse misurare in modo affidabile la loro luminosità. È come cercare di introdurre il potere di un coronografo in immagini che sono state realizzate senza.
Queste immagini spiegano come sono state estratte dai dati le lune di Uran. A sinistra: l'immagine originale contiene i segnali infrarossi di Urano e delle sue cinque lune principali, misurati a una lunghezza d'onda di 70 µm. Urano è migliaia di volte più luminoso di una singola luna. La sua immagine è dominata da artefatti dovuti alle interferenze del telescopio e della fotocamera. Titania e Oberon sono appena visibili. Centro: utilizzando questi dati, una procedura sofisticata ha creato un modello per la distribuzione della luminosità del solo Urano. Questo viene sottratto dall'immagine originale. A destra: Infine, i segnali delle lune rimangono dopo la sottrazione. Nella posizione di Urano il metodo di estrazione non proprio perfetto influisce leggermente sul risultato. Credito immagine: Ö. H. Detre et al, 2020./MPIA
'In casi simili, come la ricerca di esopianeti, utilizziamo i coronografi per mascherare la loro brillante stella centrale', spiega Detre. “Herschel non aveva un dispositivo del genere. Invece, abbiamo sfruttato l'eccezionale stabilità fotometrica dello strumento PACS.”
Il team ha calcolato le posizioni esatte delle lune stesse quando sono state scattate le immagini, quindi ha usato quella conoscenza per rimuovere lo stesso Urano e tutta la sua luminosità dall'immagine.
'Siamo rimasti tutti sorpresi quando quattro lune sono apparse chiaramente sulle immagini e abbiamo persino potuto rilevare Miranda, la più piccola e la più interna delle cinque più grandi lune di Urano', conclude Detre.
Questo diagramma di flusso dello studio illustra il processo di gestione dei dati utilizzato dal team. Le caselle tratteggiate mostrano le tre parti principali dell'iterazione. Inizia in basso a sinistra con la correzione iniziale delle immagini grezze. Il ciclo di iterazione viene interrotto quando i parametri di adattamento non cambiano in modo significativo. Ogni set di dati ha subito 25 iterazioni. In basso a destra ci sono le immagini finali sottratte da Urano. Credito immagine: Ö. H. Detre et al, 2020.
Questo studio mostra quanto possano essere preziosi i dati osservativi archiviati. Ci sono preziose scoperte scientifiche nascoste nei dati di missioni scadute come Herschel. Nell'aprile 2020, ad esempio, gli scienziati hanno esaminato i dati della missione di ricerca planetaria Kepler della NASA trovato un pianeta delle dimensioni della Terra nella zona abitabile della sua stella.
'Il risultato dimostra che non abbiamo sempre bisogno di elaborate missioni spaziali planetarie per ottenere nuove informazioni sul sistema solare', sottolinea il coautore Hendrik Linz di MPIA. “Inoltre, il nuovo algoritmo potrebbe essere applicato a ulteriori osservazioni che sono state raccolte in gran numero nell'archivio dati elettronico dell'Agenzia spaziale europea. Chissà quale sorpresa ci aspetta ancora lì?'
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