Le télescope Gemini North aide à expliquer pourquoi Uranus et Neptune sont de couleurs différentes

Neptune et Uranus ont beaucoup en commun – ils ont des masses, des tailles et des compositions atmosphériques similaires – mais leurs apparences sont notablement différentes. Aux longueurs d’onde visibles, Neptune a une couleur nettement plus bleue alors qu’Uranus est une nuance pâle de cyan. Les astronomes ont maintenant une explication pour expliquer pourquoi les deux planètes sont de couleurs différentes.

De nouvelles recherches suggèrent qu’une couche de brume concentrée qui existe sur les deux planètes est plus épaisse sur Uranus qu’une couche similaire sur Neptune et “blanchit” l’apparence d’Uranus plus que celle de Neptune [1]. S’il n’y avait pas de brume dans les atmosphères de Neptune et d’Uranus, les deux apparaîtraient presque également bleus [2].

Cette conclusion provient d’un modèle [3] qu’une équipe internationale dirigée par Patrick Irwin, professeur de physique planétaire à l’Université d’Oxford, a développé pour décrire les couches d’aérosols dans les atmosphères de Neptune et d’Uranus [4]. Les enquêtes précédentes sur la haute atmosphère de ces planètes s’étaient concentrées sur l’apparence de l’atmosphère à des longueurs d’onde spécifiques uniquement. Cependant, ce nouveau modèle, composé de plusieurs couches atmosphériques, correspond aux observations des deux planètes sur une large gamme de longueurs d’onde. Le nouveau modèle inclut également des particules de brume dans des couches plus profondes dont on pensait auparavant qu’elles ne contenaient que des nuages ​​de glaces de méthane et de sulfure d’hydrogène.

“Il s’agit du premier modèle à adapter simultanément les observations de la lumière solaire réfléchie des longueurs d’onde ultraviolettes au proche infrarouge”, a expliqué Irwin, qui est l’auteur principal d’un article présentant ce résultat dans le Journal of Geophysical Research: Planètes. “C’est aussi le premier à expliquer la différence de couleur visible entre Uranus et Neptune.”

Le modèle de l’équipe se compose de trois couches d’aérosols à différentes hauteurs [5]. La couche clé qui affecte les couleurs est la couche intermédiaire, qui est une couche de particules de brume (appelée dans l’article la couche Aerosol-2) qui est plus épaisse sur Uranus que sur Neptune. L’équipe soupçonne que, sur les deux planètes, la glace de méthane se condense sur les particules de cette couche, entraînant les particules plus profondément dans l’atmosphère dans une pluie de neige de méthane. Parce que Neptune a une atmosphère plus active et turbulente qu’Uranus, l’équipe pense que l’atmosphère de Neptune est plus efficace pour brasser des particules de méthane dans la couche de brume et produire cette neige. Cela enlève plus de brume et maintient la couche de brume de Neptune plus fine qu’elle ne l’est sur Uranus, ce qui signifie que la couleur bleue de Neptune semble plus forte.

“Nous espérions que le développement de ce modèle nous aiderait à comprendre les nuages ​​et les brumes dans les atmosphères des géantes de glace”, a commenté Mike Wong, astronome à l’Université de Californie à Berkeley et membre de l’équipe à l’origine de ce résultat. « Expliquer la différence de couleur entre Uranus et Neptune était un bonus inattendu ! »

Pour créer ce modèle, l’équipe d’Irwin a analysé un ensemble d’observations des planètes englobant les longueurs d’onde ultraviolettes, visibles et proches de l’infrarouge (de 0,3 à 2,5 micromètres) prises avec le spectromètre de champ intégral dans le proche infrarouge (NIFS) sur le télescope Gemini North près de le sommet de Maunakea à Hawai’i – qui fait partie de l’observatoire international Gemini, un programme du NOIRLab de la NSF – ainsi que des données d’archives de l’installation de télescope infrarouge de la NASA, également située à Hawai’i, et de la NASA/ESA Le télescope spatial Hubble.

L’instrument NIFS sur Gemini North était particulièrement important pour ce résultat car il est capable de fournir des spectres – des mesures de la luminosité d’un objet à différentes longueurs d’onde – pour chaque point de son champ de vision. Cela a fourni à l’équipe des mesures détaillées de la réflexion des atmosphères des deux planètes à la fois sur le disque complet de la planète et sur une gamme de longueurs d’onde proche infrarouge.

“Les observatoires Gemini continuent de fournir de nouvelles informations sur la nature de nos voisins planétaires”, a déclaré Martin Still, responsable du programme Gemini à la National Science Foundation. “Dans cette expérience, Gemini North a fourni un composant au sein d’une suite d’installations au sol et dans l’espace essentielles à la détection et à la caractérisation des brumes atmosphériques.”

Le modèle aide également à expliquer les taches sombres qui sont parfois visibles sur Neptune et moins fréquemment détectées sur Uranus. Alors que les astronomes étaient déjà conscients de la présence de taches sombres dans les atmosphères des deux planètes, ils ne savaient pas quelle couche d’aérosol causait ces taches sombres ni pourquoi les aérosols de ces couches étaient moins réfléchissants. Les recherches de l’équipe éclairent ces questions en montrant qu’un assombrissement de la couche la plus profonde de leur modèle produirait des taches sombres similaires à celles observées sur Neptune et peut-être Uranus.

Remarques

[1] Cet effet de blanchiment est similaire à la façon dont les nuages ​​dans les atmosphères d’exoplanètes ternissent ou “aplatissent” les caractéristiques du spectre des exoplanètes.

[2] Les couleurs rouges de la lumière du soleil diffusées par la brume et les molécules d’air sont davantage absorbées par les molécules de méthane dans l’atmosphère des planètes. Ce processus – appelé diffusion de Rayleigh – est ce qui rend le ciel bleu ici sur Terre (bien que dans l’atmosphère terrestre, la lumière du soleil soit principalement diffusée par des molécules d’azote plutôt que par des molécules d’hydrogène). La diffusion Rayleigh se produit principalement à des longueurs d’onde plus courtes et plus bleues.

[3] Un aérosol est une suspension de fines gouttelettes ou particules dans un gaz. Les exemples courants sur Terre incluent la brume, la suie, la fumée et le brouillard. Sur Neptune et Uranus, les particules produites par la lumière solaire interagissant avec les éléments de l’atmosphère (réactions photochimiques) sont responsables des brumes d’aérosols dans les atmosphères de ces planètes.

[4] Un modèle scientifique est un outil de calcul utilisé par les scientifiques pour tester des prédictions sur un phénomène qui serait impossible à faire dans le monde réel.

[5] La couche la plus profonde (appelée dans l’article la couche Aerosol-1) est épaisse et est composée d’un mélange de glace de sulfure d’hydrogène et de particules produites par l’interaction des atmosphères des planètes avec la lumière du soleil. La couche supérieure est une couche étendue de brume (la couche Aerosol-3) similaire à la couche intermédiaire mais plus ténue. Sur Neptune, de grosses particules de glace de méthane se forment également au-dessus de cette couche.