Herschel és az Uránusz holdjai

2294

A Herschel-űrtávcsővel készített megfigyelések új információkat fedtek fel az Uránusz legnagyobb holdjainak összetételéről.

William Herschel csillagász több mint 230 évvel ezelőtt fedezte fel az Uránusz bolygót és két holdját. A róla elnevezett Herschel-űrtávcső távoli infravörös mérései alapján most csillagászok egy csoportja Detre Örs Hunor (Max-Planck-Institut für Astronomie, Németország) vezetésével sikeresen meghatározta az Uránusz 5 főbb holdjának fizikai tulajdonságait. A holdak közép- és távoli infravörös fénye alapján (ami a Nap sugárzása hatására a holdak felszínéről kisugárzott hőt jelenti) a kutatók úgy vélik, hogy a kísérők leginkább olyan törpebolygókhoz hasonlítanak, mint amilyen a Pluto is. A kutatócsoport kifejlesztett egy új technikát, amelynek segítségével sikerült a holdak fényét a náluk ezerszer fényesebb Uránuszétól különválasztani. A tanulmány ma jelent meg az Astronomy & Astrophysics című, angol nyelvű csillagászati szaklapban.

A Naprendszer külső vidékeinek felfedezését korábban olyan hosszú, távoli utakra tervezett űreszközök végezték, mint a Voyager–1 és –2, a Cassini-Huygens és a New Horizons. Most viszont a német Max-Planck-Institut für Astronomie (MPIA) munkatársa, Detre Örs Hunor által vezetett német–magyar kutatócsoport megmutatta, hogy kellő leleményességgel akár nagy távolságból készített megfigyelésekből is új és érdekes eredményeket kaphatunk.

A kutatók a Herschel-űrteleszkóp adatait használták, amely 2009 és 2013 között végzett méréseket, és amelynek fejlesztésében és működtetésében az MPIA mellett a Csillagászati és Földtudományi Kutatóközpont Konkoly Thege Miklós Csillagászati Intézete is tevékenyen részt vett. Hatalmas, 3,5 méteres tükrével ez az űrtávcső lényegesen élesebb képeket készített elődeinél a távoli infravörös hullámhosszakon. A nevét William Herschel csillagász után kapta, aki 1800-ban fedezte fel az infravörös sugárzást. Néhány évvel korábban szintén ő fedezte fel az Uránusz bolygót és a holdjai közül kettőt (Titania és Oberon), amelyeket most három másik később felfedezett holdjával (Miranda, Ariel és Umbriel) együtt vizsgáltak meg részletesen a kutatók.

A holdak Herschel-adatokban történt felfedezése csak a véletlennek volt köszönhető

“Valójában csak arra voltunk kíváncsiak, hogy milyen hatást gyakorolnak a kamerák érzékelőire az olyan infravörös tartományban is nagyon fényes objektumok, mint az Uránusz” – mondta Ulrich Klaas, a tanulmány egyik szerzője, aki az MPIA-nál vezető fejlesztője volt az űrtávcső PACS elnevezésű, a cikkhez adatokat szolgáltató műszerének is. “A holdakat, amelyek apró kis pontokként jelentek meg a felvételeken, csak véletlenül vettük észre. A PACS kamera a távoli infravörös fény 70 és 160 mikrométeres hullámhossza közötti tartományát érzékelte. Egy távcső felbontása arányos a teleszkóp átmérőjével, és fordítottan arányos az általa detektált fény hullámhosszával. Ez a hullámhossztartomány megközelítőleg százszor szélesebb, mint a hasonló méretű Hubble-űrteleszkóp érzékelési tartománya. Ez azt jelenti, hogy a PACS ugyan a leghidegebb jeges objektumok hőjét is látja – amit a Hubble nem –, de körülbelül százszor életlenebb képeket készít. Ezért a holdak szinte beleolvadtak az Uránusz képébe.”

Az olyan hideg objektumok, mint az Uránusz és a holdjai (a napsugárzás hatására 60 és 80 kelvin, azaz -213 és -193 Celsius-fok közötti hőmérsékletűek) azonban ezeken a hullámhosszakon nagyon fényesnek látszanak. “Éppen ez a távoli infravörös információ hiányzott az eddigi tudásunkból. Így a Spitzer-űrteleszkóp valamint a NASA Infrared Telescope Facility (IRTF) méréseivel kiegészítve teljes lett a képünk” – tette hozzá Dr. Balog Zoltán, aki szintén az MPIA PACS csapatának volt a tagja.

A képeken az Uránusz 5 legnagyobb holdjának pozíciója és a pályáik láthatók a Herschel 2011 július 12-i megfigyelésének időpontjában. Bal oldalon: a holdak pozíciója és pályái a számítások alapján. A keringési sík bal oldala felénk mutat. Az objektumok méretarányai nem tükrözik a valóságot. Jobb oldalon: a Herschel-űrtávcső PACS műszerének adataiból előállított hamisszínes kép, ami a holdak 70 mikrométeres távoli infravörös hullámhosszon mért fényességét mutatja, miután eltávolították az adatokból az Uránuszt. A jellegzetes, háromlevelű lóheréhez hasonlító formák a távcső által generált mesterséges hibák (Forrás: Detre és mtsai/T. Müller/MPIA)

“A megfigyelések is rendkívül szerencsés időpontban történtek” – magyarázta Dr. Thomas Müller, a garchingi Max-Planck-Institut für Extraterrestrische Physik (MPE) munkatársa, aki a PACS műszer fejlesztését is vezette. “Az Uránusz forgástengelye és emiatt a holdjainak keringési síkja is rendhagyó mértékben elhajlik a Nap körüli pályájukhoz képest. Az Uránusz több évtized alatt kerüli meg a Napot, de a keringési idő nagy részében vagy a déli, vagy az északi pólusát éri a napsugárzás. A mérések készítésének ideje alatt azonban főleg az Uránusz egyenlítői régióit érte a napfény. Ezek alapján meg tudtuk mérni, hogy a holdak felszíne milyen mértékben tartja meg a hőt, miközben az Uránusz éjszakai oldalára vándorolnak. A begyűjtött adatokból rengeteget megtudtunk a holdakat alkotó anyag természetéről” – mondta Dr. Müller, aki a modellszámításokat végezte a kutatás során, és ezek alapján sikerült megállapítania a holdak termális és fizikai jellemzőit.

A Voyager–2 űrszonda Uránusz mellett történt 1986-os elhaladása során sokkal kevésbé voltak kedvezőek a körülmények egy hasonló mérés elvégzéséhez. A műszerek akkor csak az Uránusz és a holdak déli régióit tudták megfigyelni.

A Miranda, az Ariel, az Umbriel, a Titania és az Oberon, vagyis az Uránusz 5 legnagyobb holdjának fotói. A képeket a Voyager–2 űrszonda készítette 1986. január 24-én, miközben elhaladt az Uránusz mellett. A kép méretarányosan mutatja a holdak átmérőjét (Forrás: NASA/JPL/MPIA)

A holdak a Naprendszer határán található törpebolygókra hasonlítanak

Dr. Müller azt találta, hogy ezek a holdfelszínek rendkívül jól képesek megtartani a hőt, és meglehetősen lassan hűlnek le. A csillagászok hasonló jelenséget eddig csak a nagyon durva, jeges felszínű kis égitestek esetében figyeltek meg. A kutatócsoport ez alapján jutott arra a következtetésre, hogy az Uránusz holdjai leginkább az olyan, a Naprendszer külső vidékein található törpebolygókra hasonlítanak legjobban, mint amilyen a Pluto vagy a Haumea. Más, szintén a Herschel/PACS műszerrel végzett kutatások alapján az Uránusztól távolabb eső irreguláris holdak hőmegtartó képessége ettől eltérő. Ezek a holdak inkább a kisebb és kevésbé kötött ún. TNO-kra hasonlítanak, amely kis égitestek a Neptunuszon túli területen keringenek a Nap körül. “Ez jól illeszkedik az Uránusz külső holdjainak eredetét magyarázó elméletbe is” – tette hozzá Dr. Müller. “Kaotikus keringési pályájuk miatt úgy gondoljuk, hogy az Uránusz fejlődésének egy későbbi szakaszában fogta be ezeket az égitesteket.”

A Herschel optikai rendszerével minden pontszerű objektum képe inkább egy elkenődött, egyenetlen “foltként” látszik a PACS képeken. Ez angolul a Point Spread Function (PSF), ami minden pontszerű objektum képét ugyanezzel a rajzolattal keni el az egész PACS detektoron. Olyan fényes objektumoknál, mint az Uránusz, a PSF minden kis részlete láthatóvá válik, ám hatalmas területen szinte elvakítja a PACS kamerát. “Az 500–7400-szor halványabb holdak, olyan kis távolságban helyezkednek el a gázóriástól, hogy látszólag összeolvadnak az Uránusz által kirajzolt PSF-fel. Csak a két legfényesebb hold, a Titania és az Oberon különíthető el valamennyire szemmel a képeken. De tudtuk, hogy mind ott rejtőznek!” – írta le a kihívást Dr. Marton Gábor, a tanulmány egyik társszerzője, a budapesti Konkoly Thege Miklós Csillagászati Intézet munkatársa.

A kifinomult adatfeldolgozás teszi láthatóvá azt, ami korábban láthatatlan volt

A véletlen felfedezés arra ösztönözte Detre Örs Hunort, a kutatás vezetőjét, hogy az Uránusz fényes ragyogásában megbúvó holdakat is láthatóvá tegye, ezáltal a fényességük is megbízhatóan mérhetővé váljon. “Hasonló esetekben, mint pl. az exobolygók keresésekor, ún. koronagráfokat használunk, hogy a központi csillag fényét kitakarjuk” – magyarázta Detre. “Az űrtávcsövön azonban nem volt ilyen eszköz. Ehelyett inkább a PACS kamera kimagasló fotometriai és optikai stabilitását hívtuk segítségül. Ez azt jelenti hogy az Uránusz PSF alakja és erőssége nem változik, csak a halvány holdak mozognak szinte láthatatlanul a képeken.” Kiszámította a holdak pontos pozícióját a megfigyelések időpillanatában, és a már említett stabil fényesség segítségével kifejlesztett egy olyan módszert, amivel el lehetett távolítani az Uránusz fényét az adatokból. “Megdöbbentünk, amikor megláttuk, hogy 4 hold képe tisztán kirajzolódik a felvételeken. Még a leghalványabb, ötödik, legbelső pályán keringő Miranda is feltűnt” – mondta Detre.

A képek azt magyarázzák, hogyan történt az Uránusz jelének eltávolítása. Bal oldalon: a képen egyszerre szerepel az Uránusz és az 5 fő holdjának 70 mikrométeres infravörös hullámhosszon mért fényessége. A bolygó több ezerszer fényesebb, mint a holdjai. A képen jól kivehetők az érzékelő kamera és a távcső kialakításából származó hibák. A Titania és az Oberon valamennyire láthatók, de a többi hold nem. Középen: az adatok alapján gondosan elkészített modell, amely csak az Uránusz fényességeloszlását mutatja. A kutatók ezt vonták le a jobb oldali kép adataiból. Jobb oldalon: a végeredmény, ami a bal oldali képből maradt, miután levonták belőle a középsőt. A kép közepén látható “maradék” abból adódik, hogy az adatok alapján elkészíthető legjobb modell sem teljesen tökéletes (Forrás: Detre és mtsai/MPIA)

“Az eredményeink nagyon jól megmutatták, nem feltétlenül kellenek bonyolult bolygóközi utazások ahhoz, hogy újat tanulhassunk Naprendszerünkről” – mondta a szintén társszerző Hendrik Linz az MPIA részéről. “Sőt a kifejlesztett módszer az Európai Űrügynökség (ESA) elektronikus archívumának további megfigyeléseire is alkalmazható. Ki tudja milyen meglepetések bújnak még meg az archívum tengernyi képe közt…”

A Detre Örs Hunor vezetésével készült “Herschel PACS photometry of the five major moons of Uranus” c. tudományos publikáció az Astronomy & Astrophysics című csillagászati szaklapban jelent meg (DOI: 10.1051/0004-6361/202037625).

A Herschel az ESA űrtávcsöve, amelynek műszerei európai konzorciumok vezetésével készültek a NASA meghatározó hozzájárulásával.

Forrás: https://www.mpia.de/news/science/2020-12-uranusmoons

Hozzászólás

hozzászólás