Холодные и удаленные планеты-гиганты Уран и Нептун называют «ледяными гигантами», потому что их внутреннее пространство отличается по составу от Юпитера и Сатурна, которые более богаты водородом и гелием и известны как «газовые гиганты»."Ледяные гиганты также намного меньше своих газовых собратьев, занимая промежуточное положение между планетами земной группы и газовыми гигантами. Они представляют собой наименее изученную категорию планет в нашей солнечной системе.
Ученые, использующие Уэбб, планируют изучить схемы циркуляции, химию и погоду Урана и Нептуна так, как это может сделать только Уэбб.
«Ключевое, что может сделать Уэбб, что очень и очень сложно сделать с любого другого объекта, – это составить карту их атмосферной температуры и химической структуры», – объяснил руководитель исследований Ли Флетчер, доцент кафедры планетологии в Университете Лестера. в Соединенном Королевстве. «Мы думаем, что погода и климат ледяных гигантов будут иметь принципиально иной характер по сравнению с газовыми гигантами. Отчасти потому, что они так далеко от Солнца, меньше по размеру и медленнее вращаются по своим осям, но также потому, что смесь газов и количество атмосферных смесей сильно отличаются по сравнению с Юпитером и Сатурном."
Все газы в верхних слоях атмосферы Урана и Нептуна имеют уникальные химические отпечатки пальцев, которые Уэбб может обнаружить.
Важно отметить, что Уэбб может отличить одно химическое вещество от другого. Если эти химические вещества производятся солнечным светом, взаимодействующим с атмосферой, или если они перераспределяются с места на место в результате крупномасштабной циркуляции, Уэбб сможет это увидеть.
Эти исследования будут проводиться в рамках программы гарантированных наблюдений времени (GTO) солнечной системы под руководством Хайди Хаммель, планетолога и междисциплинарного ученого Уэбба.
Она также является вице-президентом по науке в Ассоциации исследовательских университетов в области астрономии (AURA) в Вашингтоне, штат Вашингтон.C. Программа Хаммела продемонстрирует возможности Уэбба для наблюдения за объектами солнечной системы и продемонстрирует некоторые из специальных методов Уэбба для ярких и / или движущихся в небе объектов.
Уран: наклоненная планета
В отличие от других планет в нашей солнечной системе, Уран – вместе с его кольцами и лунами – наклонен набок и вращается примерно на 90 градусов относительно плоскости своей орбиты. Это заставляет планету вращаться, как шар вокруг Солнца.
Эта странная ориентация – которая может быть результатом гигантского столкновения с другой массивной протопланетой на раннем этапе формирования Солнечной системы – дает начало экстремальным сезонам на Уране.
Когда космический корабль НАСА "Вояджер-2" пролетел над Ураном в 1986 году, один полюс был направлен прямо на Солнце. «Сколько бы Уран ни вращался, – объяснил Хаммель, – одна половина все время находилась на полном солнечном свете, а другая половина – в полной темноте.
Это самое безумное, что вы можете себе представить."
К сожалению, «Вояджер-2» увидел только гладкую планету, похожую на бильярдный шар, покрытую дымкой, и лишь немногочисленные облака. Но когда Хаббл наблюдал за Ураном в начале 2000-х, планета прошла четверть пути по своей орбите. Теперь экватор был направлен на Солнце, и вся планета была освещена в течение уранского дня.
«Теория говорила нам, что ничего не изменится, – сказал Хаммел, – но на самом деле на Уране начали появляться всевозможные яркие облака, а Хаббл обнаружил темное пятно. Казалось, что облака резко меняются в ответ на немедленное изменение солнечного света, когда планета движется вокруг Солнца."
По мере того, как планета продолжает свой медленный орбитальный переход, в 2028 году она направит свой другой полюс на Солнце.
Уэбб расскажет о мощных сезонных факторах, влияющих на формирование облаков и погоды, и о том, как это меняется со временем.
Это поможет определить, как энергия течет и переносится через атмосферу Урана. Ученые хотят наблюдать за Ураном на протяжении всей жизни Уэбба, чтобы построить график того, как атмосфера реагирует на экстремальные времена года. Это поможет им понять, почему атмосфера этой планеты, кажется, переживает периоды интенсивной активности, перемежающиеся моментами спокойствия.
Нептун: мир сверхзвуковых ветров
Нептун – темный, холодный мир, но его разносит сверхзвуковой ветер, скорость которого может достигать 1500 миль в час. Нептун более чем в 30 раз дальше от Солнца, чем Земля, и является единственной планетой в нашей солнечной системе, которую не видно невооруженным глазом. Его существование было предсказано математиками до его открытия в 1846 году. В 2011 году Нептун завершил свой первый 165-летний оборот по орбите с момента своего открытия.
Как и Уран, очень глубокая атмосфера этого ледяного гиганта состоит из густого супа из воды, аммиака, сероводорода и метана над неизвестным и недоступным внутренним пространством. Доступные верхние слои атмосферы состоят из водорода, гелия и метана. Как и в случае с Ураном, метан придает Нептуну синий цвет, но некоторые все еще загадочные химические свойства атмосферы делают синий цвет Нептуна более ярким, чем у Урана.
"Здесь тот же вопрос: как течет энергия и как она транспортируется в атмосфере планеты?"объяснил Флетчер. «Но в этом случае, в отличие от Урана, у планеты есть сильный внутренний источник тепла.
Этот источник тепла порождает одни из самых мощных ветров и самых короткоживущих атмосферных вихрей и облачности где-либо в Солнечной системе. Если мы посмотрим на Нептун из ночи в ночь, его лицо всегда движется и меняется, поскольку эти облака растягиваются, притягиваются и управляются нижележащим ветровым полем."
После пролета космического корабля "Вояджер-2" над Нептуном в 1989 году ученые обнаружили яркий горячий вихрь – шторм – на южном полюсе планеты.
Поскольку температура там выше, чем где-либо еще в атмосфере, этот регион, вероятно, связан с каким-то уникальным химическим составом. Чувствительность Уэбба позволит ученым понять необычную химическую среду внутри этого полярного вихря.
Только начало
Флетчер советует быть готовым к наблюдению явлений на Уране и Нептуне, которые совершенно не похожи на те, что мы наблюдали в прошлом. «У Уэбба действительно есть возможность увидеть ледяных гигантов в совершенно новом свете.
Но для понимания постоянных атмосферных процессов, которые формируют эти планеты-гиганты, вам действительно нужно больше, чем просто пара образцов », – сказал он. «Итак, мы сравниваем Юпитер с Сатурном, Уран и Нептун, и тем самым строим более широкую картину того, как работают атмосферы в целом. Это начало понимания того, как эти миры меняются со временем."
Хаммель добавил: «Теперь мы знаем о сотнях экзопланет – планет вокруг других звезд – размером с наши местные ледяные гиганты.
Уран и Нептун предоставляют нам основную истину для изучения этих недавно открытых миров."
Космический телескоп Джеймса Уэбба станет главной в мире обсерваторией космической науки после запуска в 2021 году. Уэбб будет разгадывать загадки в нашей солнечной системе, заглядывать в далекие миры вокруг других звезд и исследовать загадочные структуры и происхождение нашей Вселенной и наше место в ней.
Webb – это международная программа, которую возглавляет НАСА вместе со своими партнерами, ЕКА (Европейское космическое агентство) и Канадское космическое агентство.