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¿por qué Urano y Neptuno tienen colores diferentes?

Las observaciones del Observatorio Gemini y otros telescopios revelan que el exceso de neblina en Urano lo hace más pálido que Neptuno.

La nave espacial Voyager 2 de la NASA capturó estas vistas de Urano (a la izquierda) y Neptuno (a la derecha) durante sus sobrevuelos de los planetas en la década de 1980. Crédito: NASA / JPL-Caltech / B. Jónsson

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Los astrónomos ahora pueden entender por qué los planetas similares Urano y Neptuno tienen tonos distintivos. Los investigadores construyeron un solo modelo atmosférico que coincide con las observaciones de ambos planetas utilizando observaciones del telescopio Gemini North, la Instalación del Telescopio Infrarrojo de la NASA y el Telescopio Espacial Hubble. El modelo revela que el exceso de neblina en Urano se acumula en la atmósfera estancada y lenta del planeta, dándole un tono más claro que Neptuno.

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Los planetas Neptuno y Urano tienen mucho en común: tienen masas, tamaños y composiciones atmosféricas similares, pero sus apariencias son notablemente diferentes. En longitudes de onda visibles, Neptuno tiene un color claramente más azul, mientras que Urano es un tono pálido de cian. Los astrónomos ahora tienen una explicación de por qué los dos planetas son de diferentes colores.

Una nueva investigación sugiere que una capa de neblina concentrada que existe en ambos planetas es más gruesa en Urano que una capa similar en Neptuno y “blanquea” la apariencia de Urano más que la de Neptuno. Si no hubiera neblina en las atmósferas de Neptuno y Urano, ambos parecerían casi igualmente azules.

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Esta conclusión proviene de un modelo que un equipo internacional dirigido por Patrick Irwin, profesor de Física Planetaria en la Universidad de Oxford, desarrolló para describir las capas de aerosoles en las atmósferas de Neptuno y Urano. Investigaciones anteriores de las atmósferas superiores de estos planetas se habían centrado en la apariencia de la atmósfera solo en longitudes de onda específicas. Sin embargo, este nuevo modelo, que consta de múltiples capas atmosféricas, coincide con las observaciones de ambos planetas en una amplia gama de longitudes de onda. El nuevo modelo también incluye partículas de neblina dentro de capas más profundas que anteriormente se pensaba que contenían solo nubes de metano y hielos de sulfuro de hidrógeno.

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Este diagrama muestra tres capas de aerosoles en las atmósferas de Urano y Neptuno, según lo modelado por un equipo de científicos dirigido por Patrick Irwin. La escala de altura en el diagrama representa la presión por encima de 10 bar. La capa más profunda (la capa Aerosol-1) es gruesa y está compuesta por una mezcla de hielo de sulfuro de hidrógeno y partículas producidas por la interacción de las atmósferas de los planetas con la luz solar. La capa clave que afecta los colores es la capa media, que es una capa de partículas de neblina (conocida en el documento como la capa Aerosol-2) que es más gruesa en Urano que en Neptuno. El equipo sospecha que, en ambos planetas, el hielo de metano se condensa en las partículas de esta capa, arrastrando las partículas más profundamente a la atmósfera en una lluvia de nieve de metano. Debido a que Neptuno tiene una atmósfera más activa y turbulenta que Urano, el equipo cree que la atmósfera de Neptuno es más eficiente para agitar partículas de metano en la capa de neblina y producir esta nieve. Esto elimina más de la neblina y mantiene la capa de neblina de Neptuno más delgada de lo que es en Urano, lo que significa que el color azul de Neptuno se ve más fuerte. Por encima de estas dos capas hay una capa extendida de neblina (la capa Aerosol-3) similar a la capa debajo de ella pero más tenue. En Neptuno, grandes partículas de hielo de metano también se forman por encima de esta capa. Crédito: Observatorio Internacional Gemini/NOIRLab/NSF/AURA, J. da Silva/NASA/JPL-Caltech /B. Jónsson

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“Este es el primer modelo que se ajusta simultáneamente a las observaciones de la luz solar reflejada desde el ultravioleta hasta las longitudes de onda infrarrojas cercanas”, explicó Irwin, autor principal de un artículo que presenta este resultado en el Journal of Geophysical Research: Planets. “También es el primero en explicar la diferencia de color visible entre Urano y Neptuno”.

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El modelo del equipo consiste en tres capas de aerosoles a diferentes alturas. La capa clave que afecta a los colores es la capa media, que es una capa de partículas de neblina (conocida en el documento como la capa Aerosol-2) que es más gruesa en Urano que en Neptuno. El equipo sospecha que, en ambos planetas, el hielo de metano se condensa en las partículas de esta capa, arrastrando las partículas más profundamente a la atmósfera en una lluvia de nieve de metano. Debido a que Neptuno tiene una atmósfera más activa y turbulenta que Urano, el equipo cree que la atmósfera de Neptuno es más eficiente para agitar partículas de metano en la capa de neblina y producir esta nieve. Esto elimina más de la neblina y mantiene la capa de neblina de Neptuno más delgada de lo que es en Urano, lo que significa que el color azul de Neptuno se ve más fuerte.

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“Esperábamos que el desarrollo de este modelo nos ayudara a comprender las nubes y las neblinas en las atmósferas gigantes de hielo”, comentó Mike Wong, astrónomo de la Universidad de California, Berkeley, y miembro del equipo detrás de este resultado. “¡Explicar la diferencia de color entre Urano y Neptuno fue una ventaja inesperada!”

Para crear este modelo, el equipo de Irwin analizó un conjunto de observaciones de los planetas que abarcan longitudes de onda ultravioleta, visible e infrarroja cercana (de 0,3 a 2,5 micrómetros) tomadas con el Espectrómetro de Campo Integral de Infrarrojo Cercano (NIFS) en el telescopio Gemini North cerca de la cumbre de Maunakea en Hawai’i, que forma parte del Observatorio Internacional Gemini, un programa del NOIRLab de la NSF, así como datos de archivo de la Instalación del Telescopio Infrarrojo de la NASA. también ubicado en Hawai’i, y el Telescopio Espacial Hubble de la NASA / ESA.

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El instrumento NIFS en Gemini North fue particularmente importante para este resultado, ya que es capaz de proporcionar espectros (mediciones de qué tan brillante es un objeto en diferentes longitudes de onda) para cada punto en su campo de visión. Esto proporcionó al equipo mediciones detalladas de cuán reflectantes son las atmósferas de ambos planetas tanto en el disco completo del planeta como en un rango de longitudes de onda del infrarrojo cercano.

“Los observatorios Gemini continúan brindando nuevos conocimientos sobre la naturaleza de nuestros vecinos planetarios”, dijo Martin Still, Oficial del Programa Gemini en la Fundación Nacional de Ciencias. “En este experimento, Gemini North proporcionó un componente dentro de un conjunto de instalaciones terrestres y espaciales críticas para la detección y caracterización de neblinas atmosféricas”.

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El modelo también ayuda a explicar las manchas oscuras que ocasionalmente son visibles en Neptuno y menos comúnmente detectadas en Urano. Si bien los astrónomos ya eran conscientes de la presencia de manchas oscuras en las atmósferas de ambos planetas, no sabían qué capa de aerosol estaba causando estas manchas oscuras o por qué los aerosoles en esas capas eran menos reflectantes. La investigación del equipo arroja luz sobre estas preguntas al mostrar que un oscurecimiento de la capa más profunda de su modelo produciría manchas oscuras similares a las vistas en Neptuno y tal vez Urano.

Está investigación se presentó en el artículo “Mundos azules brumosos: un modelo holístico de aerosoles para Urano y Neptuno, incluidas las manchas oscuras” que aparecerá en el Journal of Geophysical Research: Planets.

El equipo está compuesto por P.G.J. Irwin (Departamento de Física, Universidad de Oxford, Reino Unido), N.A. Teanby (Escuela de Ciencias de la Tierra, Universidad de Bristol, Reino Unido), L.N. Fletcher (Escuela de Física y Astronomía, Universidad de Leicester, Reino Unido), D. Toledo (Instituto Nacional de Técnica Aeroespacial, España), G.S. Orton (Laboratorio de Propulsión a Chorro, Instituto de Tecnología de California, EE.UU.), M.H. Wong (Centro de Ciencia Planetaria Integrativa, University of California, Berkeley, USA), M.T. Roman (School of Physics & Astronomy, University of Leicester, UK), S. Perez-Hoyos (University of the Basque Country, Spain), A. James (Department of Physics, University of Oxford, UK), J. Dobinson (Department of Physics, University of Oxford, UK).

El NOIRLab (National Optical-Infrared Astronomy Research Laboratory) de NSF, el centro estadounidense de astronomía óptica-infrarroja terrestre, opera el Observatorio Internacional Gemini (una instalación de NSF, NRC-Canadá, ANID-Chile, MCTIC-Brasil, MINCyT-Argentina y KASI-República de Corea), el Observatorio Nacional de Kitt Peak (KPNO), el Observatorio Interamericano de Cerro Tololo (CTIO), el Centro Comunitario de Ciencia y Datos (CSDC) y el Observatorio Vera C. Rubin (operado en cooperación con el Departamento de Laboratorio Nacional de Aceleradores SLAC de Energía). Es administrado por la Asociación de Universidades para la Investigación en Astronomía (AURA) bajo un acuerdo de cooperación con NSF y tiene su sede en Tucson, Arizona. La comunidad astronómica tiene el honor de tener la oportunidad de realizar investigaciones astronómicas en Iolkam Du’ag (Kitt Peak) en Arizona, en Maunakea en Hawai’i, y en Cerro Tololo y Cerro Pachón en Chile. Reconocemos y reconocemos el papel cultural muy significativo y la reverencia que estos sitios tienen para la Nación Tohono O’odham, la comunidad nativa hawaiana y las comunidades locales en Chile, respectivamente.

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