Le télescope Gemini Nord aide à expliquer pourquoi Uranus et Neptune ont des couleurs différentes

[Presikheaven 27]

Les observations de l'Observatoire Gemini, un programme du NOIRLab de la NSF, et d'autres télescopes révèlent que l'excès de brume sur Uranus la rend plus pâle que Neptune.

 

 

Les astronomes peuvent maintenant comprendre pourquoi les planètes similaires Uranus et Neptune ont des couleurs différentes. Grâce aux observations du télescope Gemini Nord, du télescope infrarouge de la NASA et du télescope spatial Hubble, les chercheurs ont mis au point un modèle atmosphérique unique qui correspond aux observations des deux planètes. Le modèle révèle que l'excès de brume sur Uranus s'accumule dans l'atmosphère stagnante et paresseuse de la planète et lui donne un ton plus clair que Neptune.

 

Neptune et Uranus ont beaucoup en commun - elles ont des masses, des tailles et des compositions atmosphériques similaires - et pourtant leurs apparences sont sensiblement différentes. Aux longueurs d'onde visibles, Neptune a une couleur nettement plus bleue, tandis qu'Uranus est une pâle nuance de cyan. Les astronomes ont maintenant une explication pour la raison pour laquelle les deux planètes ont des 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 qu'elle "blanchit" davantage l'apparence d'Uranus que celle de Neptune [1]. S'il n'y avait pas de brume dans les atmosphères de Neptune et d'Uranus, elles apparaîtraient presque aussi bleues l'une que l'autre [2].

 

Cette conclusion est tirée d'un modèle [3] qu'une équipe internationale dirigée par Patrick Irwin, professeur de physique planétaire à l'université d'Oxford, a mis au point pour décrire les couches d'aérosols dans les atmosphères de Neptune et d'Uranus [4]. Les études antérieures de la haute atmosphère de ces planètes étaient axées sur l'apparence de l'atmosphère à certaines longueurs d'onde seulement. 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 les couches plus profondes, dont on pensait auparavant qu'elles ne contenaient que des nuages de glaces de méthane et de sulfure d'hydrogène. 

 

"C'est le premier modèle à s'adapter simultanément aux observations de la lumière solaire réfléchie, de l'ultraviolet aux longueurs d'onde du proche infrarouge ", a expliqué Irwin, qui est l'auteur principal d'un article présentant ce résultat dans le Journal of Geophysical Research : Planets. "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 du milieu, qui est une couche de particules de brume (appelée dans l'article la couche d'aérosols-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. L'atmosphère de Neptune étant plus active et turbulente que celle d'Uranus, l'équipe pense que l'atmosphère de Neptune est plus efficace pour baratter les particules de méthane dans la couche de brume et produire cette neige. Cela élimine une plus grande partie de la brume et maintient la couche de brume de Neptune plus mince 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, 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 de l'ultraviolet, du visible et du proche infrarouge (de 0,3 à 2. L'équipe d'Irwin a analysé un ensemble d'observations de planètes dans l'ultraviolet, le visible et le proche infrarouge (de 0,3 à 2,5 micromètres) réalisées à l'aide du spectromètre NIFS (Near-Infrared Integral Field Spectrometer) du télescope Gemini North, situé près du sommet de Maunakea à Hawaï, qui fait partie de l'Observatoire international Gemini, un programme du NOIRLab de la NSF.

 

L'instrument NIFS de Gemini Nord a été particulièrement important pour ce résultat car il est capable de fournir des spectres - mesures de la luminosité d'un objet à différentes longueurs d'onde - pour chaque point de son champ de vision. L'équipe a ainsi pu obtenir des mesures détaillées du degré de réflexion de l'atmosphère des deux planètes, à la fois sur l'ensemble du disque de la planète et sur une gamme de longueurs d'onde dans le 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 Nord a fourni un élément au sein d'une suite d'installations terrestres et spatiales essentielles à la détection et à la caractérisation des brouillards atmosphériques."

 

 

Le modèle permet également d'expliquer les taches sombres qui sont occasionnellement visibles sur Neptune et moins souvent détectées sur Uranus. Si les astronomes étaient déjà conscients de la présence de taches sombres dans l'atmosphère de ces deux planètes, ils ne savaient pas quelle couche d'aérosols était à l'origine de ces taches sombres ni pourquoi les aérosols de ces couches étaient moins réfléchissants. Les recherches de l'équipe éclaircissent 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.

 

Notes
[1] Cet effet de blanchiment est similaire à la façon dont les nuages dans les atmosphères des exoplanètes ternissent ou " aplatissent " les caractéristiques des spectres des exoplanètes.

[2] Les couleurs rouges de la lumière solaire diffusée 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 Rayleigh, est à l'origine du bleu du ciel sur Terre (bien que dans l'atmosphère terrestre, la lumière solaire soit principalement diffusée par les molécules d'azote plutôt que par les 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. La brume, la suie, la fumée et le brouillard en sont des exemples courants sur Terre. Sur Neptune et Uranus, les particules produites par l'interaction de la lumière du soleil avec les éléments de l'atmosphère (réactions photochimiques) sont responsables des brumes d'aérosols dans l'atmosphère de ces planètes[4].

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

[La couche la plus profonde (désignée dans l'article comme la couche Aérosol-1) est épaisse et se compose d'un mélange de glace et de particules de sulfure d'hydrogène produites par l'interaction de l'atmosphère des planètes avec la lumière du soleil. La couche supérieure est une couche étendue de brume (la couche Aérosol-3) similaire à la couche intermédiaire mais plus ténue. Sur Neptune, de grandes particules de glace de méthane se forment également au-dessus de cette couche.

 

 

Ce diagramme montre trois couches d'aérosols dans les atmosphères d'Uranus et de Neptune, telles que modélisées par une équipe de scientifiques dirigée par Patrick Irwin. L'échelle de hauteur sur le diagramme représente la pression au-dessus de 10 bars.

La couche la plus profonde (la couche Aérosol-1) est épaisse et 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 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. L'atmosphère de Neptune étant plus active et turbulente que celle d'Uranus, l'équipe pense que l'atmosphère de Neptune est plus efficace pour baratter les particules de méthane dans la couche de brume et produire cette neige. Cela élimine une plus grande partie de la brume et maintient la couche de brume de Neptune plus mince qu'elle ne l'est sur Uranus, ce qui signifie que la couleur bleue de Neptune semble plus forte. 

 

Au-dessus de ces deux couches se trouve une couche de brume étendue (la couche d'aérosol-3) similaire à la couche inférieure mais plus ténue. Sur Neptune, de grandes particules de glace de méthane se forment également au-dessus de cette couche.

 

Crédit: Observatoire international Gemini/NOIRLab/NSF/AURA, J. da Silva/NASA /JPL-Caltech /B. Jónsson