• Começa com um estrondo

O novo e aprimorado exame de Urano do JWST brilha

À medida que Urano se aproxima do seu solstício, as suas calotas polares, anéis e luas entram no seu melhor foco sob o olhar atento do JWST. Veja Agora!

Principais conclusões

• O sétimo planeta do nosso Sistema Solar, Urano, só foi descoberto em 1781 e só foi fotografado de perto uma vez: quando a Voyager 2 da NASA passou por ele em 1986.
• Com uma órbita de 84 anos, 1986 corresponde ao solstício de Urano, onde um pólo deste planeta altamente inclinado aponta diretamente para o Sol.
• Agora, com a aproximação de 2028, o solstício está finalmente prestes a retornar para Urano. Com imagens terrestres do equinócio de Urano e os olhos do JWST para visualizá-lo agora, o planeta fica melhor visto do que nunca.

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Se você examinar um planeta como a Terra ao longo de um ano, notará muitas mudanças. No dia a dia, as mudanças mais significativas virão da cobertura de nuvens e dos padrões climáticos, uma vez que o movimento das tempestades, das frentes e da água em toda a atmosfera da Terra é variável. Em escalas de tempo mais longas, a mudança das estações levará ao esverdeamento e ao escurecimento dos continentes, ao avanço e ao recuo dos glaciares, das camadas de gelo e das calotas polares. E estas mudanças serão pontuadas por eventos singulares: tempestades geomagnéticas, apagões e eventos climáticos severos em vários momentos. Todas estas mudanças afetam a aparência do nosso planeta, dependendo de quando tiramos a nossa fotografia específica.

Mas para Urano a história é muito mais dramática. Ao contrário da Terra, com a sua inclinação axial de ~23°, Urano gira quase perfeitamente de lado, com uma inclinação axial de ~98°: apenas 8° fora da rotação lateral perfeita. Em vez de um único ano civil, Urano leva 84 anos terrestres para completar uma revolução ao redor do Sol. E isso significa que a cada 21 anos, ele faz a transição do solstício uraniano, onde um pólo aponta diretamente para o Sol e o outro aponta diretamente para longe, para o equinócio uraniano, onde cada parte desse mundo recebe luz igual à noite e ao dia, e depois volta novamente em os próximos 21 anos. Com sua segunda visão de Urano , o verdadeiro poder do JWST para investigar este mundo exterior do Sistema Solar entrou em foco , e o que estamos descobrindo já está surpreendendo os cientistas.

A comparação das características centrais de Urano vistas anteriormente pelo JWST em fevereiro de 2023 (parte superior) com suas últimas visualizações em setembro de 2023 (parte inferior). O número de recursos adicionais vistos na imagem posterior é impressionante.

Vamos trabalhar de dentro para fora. Primeiro, nesta visão ultra-close-up do nosso 7º planeta, você pode ver claramente que o próprio planeta tem uma característica brilhante e altamente reflexiva no lado direito desta imagem. Parece ser mais denso numa região pequena e aproximadamente circular: esta é a calota polar no pólo sul de Urano. Enquanto na luz visível Urano aparece apenas como uma bola monocromática azulada neste momento, a grande quantidade de gelo e nuvens de alta altitude na sua atmosfera ainda persiste, uma vez que o hemisfério sul só agora se aproxima do seu próximo solstício, que chegará em 2028.

Ao redor da densa calota polar há uma região menos densa ao seu redor, onde a calota polar ainda persiste, mas é muito menos densa. À medida que olhamos para mais longe do pólo e nos movemos em direção às latitudes equatoriais, não só a densidade da calota diminui, como seria de esperar encontrar regiões mais quentes em direção a latitudes mais equatoriais, mas faixas escuras aparecem em direção à borda dessa calota polar: evidência de que a tampa está evaporando à medida que as estações mudam. Finalmente, abaixo da fronteira sul da calota polar, características brilhantes adicionais — tempestades, provavelmente devidas a uma combinação de efeitos sazonais e meteorológicos — podem ser observadas em latitudes ainda mais próximas do equador.

Esta visão aproximada de Urano mostra vários de seus anéis, incluindo o anel interno Zeta e vários dos anéis externos. Além dos anéis finais brilhantes e densos, uma série de características externas mais difusas podem ser vistas, já que Urano continua a ter anéis mesmo além de onde o JWST pode sondar.

Parece haver uma aura brilhante e reflexiva na borda de Urano, vista pelos olhos do JWST. Muitos se perguntaram ao ver esse fenômeno: o que é isso?

Existe um anel que circunda o planeta bem no topo da sua atmosfera, tornando-o invisível, exceto quando visto de lado? Isto não está completamente correto; observações com outros instrumentos e de perto da Voyager 2 descartam essa noção.

Existe um sistema de anéis orbitando-o que está simplesmente localizado bem na borda superior da atmosfera de Urano, interior aos anéis conhecidos e identificados, mas identificável aos olhos do JWST? Também improvável, uma vez que tanto as observações da Voyager 2 como as observações baseadas no espaço com o Hubble, que encontraram anéis anteriormente não identificados em torno de Urano, não mostram nenhuma evidência de tal característica.

Em vez disso, é mais provável que seja devido a uma camada superior de neblina: acima das três camadas de nuvens (água gelada, amônia e nuvens de sulfeto de hidrogênio) encontradas em altas pressões, e ainda acima das camadas de nuvens de metano situadas em altitudes mais elevadas. Em vez disso, acima da tropopausa, existem prováveis ​​camadas de neblina de hidrocarbonetos , e onde a atmosfera planetária se torna fina, essas neblinas são mais fortemente reflexivas, resultando na aparência brilhante de Urano nas imagens infravermelhas do JWST.

Esta vista esquemática, em escala, mostra o sistema de anéis de Urano junto com as luas conhecidas que orbitam e conduzem os anéis ao redor de Urano junto com ele. Os densos anéis internos, do épsilon para dentro, são os claramente visualizados pelo JWST.

Avançando mais para fora, os anéis uranianos brilham intensamente. O anel mais interno é o anel Zeta (ζ) de Urano: evasivo para a maioria dos instrumentos, mas completamente revelado pelo gerador de imagens NIRCam do JWST. Exteriormente ao anel Zeta há uma série de anéis adicionais relativamente brilhantes:

• os anéis α e β (Alfa e Beta), que estão bem espaçados entre si e são relativamente largos e profundos, localizados a cerca de 3-4.000 km fora do anel Zeta,
• o anel η (Eta), que tem um componente externo brilhante e tem um raio cerca de 6.000 km maior (cerca de um raio do planeta Terra) do que o anel Zeta interno,
• o anel δ (Delta), que tem um componente interno brilhante e está um pouco mais de 1.000 quilômetros mais distante do que o anel Eta,
• e o anel grosso ε (Epsilon), pastoreado pelas luas de Urano Cordelia e Ophelia (não capturado pelo JWST), que representa o espesso, brilhante e mais externo dos cinco anéis uranianos claramente visíveis capturados pelo JWST.

Há vários outros anéis de Urano , mas além dos anéis Épsilon está o que parece ser uma série tênue de anéis concêntricos: estes são os anéis ν (Nu) e μ (Mu) mais largos e distantes, que são os anéis largos, mais externos, mas finos e tênues de Urano , com muitas luas encontradas em suas vizinhanças.

Sob a visão incrivelmente nítida dos olhos do JWST, nove das 13 luas mais internas conhecidas de Urano são reveladas. Todas, exceto as luas menores e mais internas, podem ser identificadas, com os anéis internos e as características planetárias iluminadas em luz infravermelha dentro delas.

Além dos anéis, que têm algumas pequenas luas que não são muito visíveis aos olhos do JWST, encontra-se o proeminente luas mais internas de Urano . Esses incluem:

• Bianca, a terceira lua mais interna,
• Créssida, a quarta,
• Desdêmona, a quinta,
• Julieta, a sexta,
• Pórcia, a sétima,
• Rosalind, a oitava,
• Belinda, a décima (desculpe, Fãs do Cupido , é muito pequeno para aparecer aqui),
• Perdita, a décima primeira,
• e Puck, a décima segunda e maior das luas internas de Urano.

Há outra lua conhecida fora de Puck, Mab , que também é muito fraco para ser visto pelo JWST.

Este é um feito incrivelmente impressionante; conhecemos todas as luas internas de Urano, exceto três, desde a época da Voyager 2, e o JWST foi capaz de revelar todas elas, exceto Cordelia e Ophelia (as duas mais internas, provavelmente perdidas nos anéis de Urano). Além disso, embora não tenha conseguido encontrar Cupido e Mab, as menores luas uranianas conhecidas, foi capaz de encontrar Perda , o próximo menor e que não foi encontrado nos dados da Voyager 2. Acontece que o JWST é excelente para encontrar as luas de Urano, e isso antes mesmo de irmos além de Mab: até onde as cinco maiores e mais proeminentes luas de Urano podem ser encontradas.

As cinco maiores luas de Urano, em ordem da mais interna para a mais externa, são Miranda, Ariel, Umbriel, Titânia e Oberon, sendo as duas últimas as maiores e primeiras descobertas entre as luas de Urano. Todas essas luas e a mais interna giram dentro de um único grau do plano orbital de Urano, exceto Miranda, que está inclinada em 4,3 graus.

No entanto, à medida que avançamos para fora, eles aparecem de forma espetacular. A mais interna das grandes luas de Urano é Miranda, que foi descoberta apenas em 1948, por um astrônomo muito famoso que você pode conhecer melhor pelo cinturão de material cometário que leva seu nome: Gerard Kuiper . Enquanto todas as luas internas de Urano e as outras quatro grandes luas estão inclinadas menos de 1° em relação ao plano orbital do planeta, Miranda está inclinada mais de 4°, o que a torna única.

Além de Miranda, podem ser localizadas as duas luas maiores, Ariel e Umbriel: cada uma com mais de 1.000 km de diâmetro. Essas luas eram conhecidas há muito mais tempo, pois ambas foram descobertas em 1851 pelo inglês William Lassell , que também descobriu a lua de Saturno: Hipérion e a maior lua de Netuno: Tritão.

E, por último, as últimas luas de Urano fotografadas pelo JWST são também as duas maiores: Titânia (com 1.577 km de diâmetro) e Oberon (com 1.523 km de diâmetro), ambas descobertas por William Herschel , o descobridor do próprio Urano, apenas 6 anos depois de encontrar o 7º planeta do Sistema Solar. Ao contrário das luas internas que aparecem apenas como pontos ou bolhas, todas as cinco luas uranianas são tão brilhantes e reflexivas que possuem seus próprios picos de difração.

A mais recente imagem de grande angular de Urano, obtida com o JWST, revela não apenas o planeta e os seus anéis e luas mais interiores, mas também as suas cinco luas exteriores, duas estrelas próximas na Via Láctea e centenas de galáxias muito mais distantes. A visão de quatro filtros deste campo foi obtida com o gerador de imagens NIRCam do JWST e representa a melhor visão que a humanidade teve de Urano desde o sobrevôo da Voyager 2 em 1986.

Mas isso não é tudo. Neste mesmo campo de visão, mesmo tendo sido visualizado em apenas um único “instantâneo” no tempo, na data de 4 de setembro de 2023, uma enorme quantidade de recursos adicionais pode ser encontrada. À esquerda da imagem, pode ser visto um objeto mais brilhante que Urano ou qualquer uma das suas luas, pelo menos na luz infravermelha: trata-se de uma estrela relativamente brilhante que por acaso está perto de Urano: demasiado ténue para ser vista com o olho nu. No canto superior direito da imagem, uma estrela mais ténue também dentro da Via Láctea, identificável também pelos seus picos de difração, representa a única outra estrela da Via Láctea visível neste campo.

Para além do Sistema Solar e das estrelas da nossa Via Láctea, pode ser visto um enorme número de outros pontos ténues e manchas de luz: são galáxias localizadas a dezenas, centenas ou mesmo milhares de milhões de anos-luz de distância. Estas galáxias podem ser encontradas em todo o lado: onde Urano e os seus anéis e luas estão e não estão; as únicas razões pelas quais alguns deles estão obscurecidos são:

• porque há objetos mais próximos e brilhantes em primeiro plano (como Urano, seus anéis, luas ou estrelas da Via Láctea) na frente deles,
• ou porque são demasiado ténues para serem vistas nesta exposição de tempo limitado, uma vez que as características do sistema uraniano são suficientemente brilhantes para serem todas obtidas num período de tempo relativamente curto.

Esta primeira visão de Urano, dos seus anéis e das suas luas com o JWST foi inovadora, pois revelou as calotas polares do planeta, muitos dos seus anéis e também várias das suas luas, além de um grande número de galáxias no fundo acima delas. No entanto, em termos de detalhes, empalidece em relação à imagem tirada apenas 7 meses depois com o mesmo telescópio e instrumento. Olhando esta imagem ao lado da última tirada em setembro, a maior diferença é o menor número de filtros usados ​​para criar esta imagem.

Compare essa visão do JWST com a acima: do mesmo sistema, mas tirada no início deste ano: em 6 de fevereiro de 2023, apenas cerca de 7 meses antes da foto mais recente do JWST. Embora alguns dos recursos pareçam muito semelhantes, é óbvio que existem:

• maior quantidade de detalhes,
• mais luas,
• anéis mais fracos,
• e um número muito maior de galáxias de fundo,

revelado na imagem mais recente. Por que é isso?

Claro, há um pouco mais de tempo de observação e isso definitivamente ajuda. Mas é o mesmo instrumento, no mesmo telescópio, com o mesmo hardware e software, visualizando o mesmo conjunto de fenómenos celestes. A grande diferença, porém, é a adição de dois novos filtros de observação. Enquanto a imagem anterior (fevereiro) foi visualizada apenas com os filtros NIRCam de banda média de 1,4 mícron e 3,0 mícron, a imagem posterior (setembro) também adicionou dados de 2,1 mícron e 4,6 mícron, expondo detalhes que são fracos ou invisíveis naqueles outros. comprimentos de onda da luz.

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Assim como os humanos têm uma visão cromática muito superior à dos cães, porque temos três (ou quatro) tipos de cones em comparação com apenas dois, ver o Universo em faixas adicionais de luz infravermelha pode melhorar significativamente os tipos de detalhes aos quais você é sensível.

Taxa de transferência total preliminar do sistema para cada filtro NIRCam, incluindo contribuições do JWST Optical Telescope Element (OTE), trem óptico NIRCam, dicróicos, filtros e eficiência quântica do detector (QE). A taxa de transferência refere-se à eficiência de conversão de fóton em elétron. Ao usar uma série de filtros JWST que se estendem a comprimentos de onda muito maiores que o limite do Hubble (entre 1,6 e 2,0 mícrons), o JWST pode revelar detalhes que são completamente invisíveis para o Hubble. Quanto mais filtros forem aproveitados em uma única imagem, maior será a quantidade de detalhes e recursos que podem ser revelados.

Embora Urano seja interessante por si só, e certamente mereça uma segunda visita agora que quase quatro décadas inteiras se passaram desde a nossa primeira e única visita a ele, há outra razão importante pela qual o JWST gostaria de voltar seus olhos infravermelhos para este gelo. mundo gigante em nosso Sistema Solar exterior: exoplanetas. Esses mundos do tamanho de Urano são muito comuns no Universo e, embora muitos dos que conhecemos melhor estejam relativamente próximos de suas estrelas-mãe e, portanto, sejam quentes, Urano na verdade possui as temperaturas mais frias de qualquer planeta do nosso Sistema Solar durante a maior parte dos tempos de o ano uraniano.

Se vamos estudar exoplanetas, seríamos tolos se não estudássemos, detalhadamente e com os mesmos instrumentos, os “análogos de exoplanetas” aqui mesmo no nosso próprio Sistema Solar. Como funcionam os planetas deste tamanho? Como é a sua meteorologia e que tipos de fenómenos meteorológicos aparecem nestes planetas sob uma variedade de condições diferentes? Ao estudar Urano, especialmente quando ele faz aquela transição crítica do equinócio para o solstício e, depois, de volta para o equinócio seguinte, podemos aprender muito sobre os processos atmosféricos deste planeta. E, por causa disso, pode nos ajudar a entender melhor o que está acontecendo com planetas de tamanhos semelhantes (e igualmente frios) encontrados em toda a Via Láctea.

Esta animação mostra os quatro planetas super-Júpiter fotografados diretamente em órbita em torno da estrela HR 8799, cuja luz é bloqueada por um coronógrafo. Os quatro exoplanetas mostrados aqui estão entre os mais fáceis de obter imagens diretas devido ao seu grande tamanho e brilho, bem como à sua enorme separação da sua estrela-mãe. A nossa capacidade de obter imagens diretas de exoplanetas está limitada a exoplanetas gigantes a grandes distâncias de estrelas brilhantes, mas as melhorias na tecnologia coronográfica mudarão drasticamente essa história.

Também nos ajuda a preparar-nos para a próxima grande era da astronomia: a era da imagem direta de exoplanetas. Nos próximos anos e décadas, espera-se que as melhorias na tecnologia do coronógrafo, que bloqueia a luz de uma estrela-mãe, mas nos permite ver a luz proveniente dos seus planetas em órbita, melhorem para contrastes entre um e dez mil milhões. Isto significa que um planeta que tem apenas um milionésimo, ou mesmo um décimo bilionésimo, do brilho da sua estrela-mãe pode ser observado se a luz da estrela-mãe puder ser bloqueada e não se perder no seu brilho. Mesmo que o planeta apareça como apenas um único pixel, podemos aprender muito sobre ele, incluindo a velocidade do vento, o conteúdo atmosférico e as propriedades e variabilidade das nuvens.

Quais seriam as propriedades de um planeta se possuísse uma inclinação axial extremamente severa? Como funciona o fluxo de calor num planeta com tais extremos e como é o lado “noturno” de Urano? Sem uma missão ao Sistema Solar exterior, estas questões não serão respondidas, e parece que estas questões são de suma importância, sabendo muito bem a extensão da variedade de planetas encontrados em torno das estrelas neste Universo. Se quisermos saber mais sobre Urano, é necessária uma missão ao Sistema Solar exterior. Até então, todos podemos nos maravilhar com o que aprendemos apenas com as observações do JWST!

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