Спутники Урана удивили учёных в исследовании «Хаббла»

Ученые, использующие космический телескоп НАСА «Хаббл», искали доказательства одного явления, а нашли совсем другое.

Исследовательская группа изучила четыре крупнейших спутника ледяного гиганта Урана, седьмой планеты от Солнца, в поисках признаков взаимодействия между магнитосферой Урана и поверхностями его спутников. (Магнитосфера — это область вокруг небесного тела, в которой частицы с электрическим зарядом подвергаются воздействию магнитного поля астрономического объекта.)

В частности, команда предсказала, что из-за взаимодействия с магнитосферой Урана «ведущие» стороны этих спутников, находящихся в приливном захвате, которые всегда обращены в ту же сторону, в которую они движутся по орбите вокруг планеты, будут ярче, чем «ведомые» стороны, которые всегда обращены в противоположную сторону. Это будет связано с тем, что «ведомые» стороны будут затемнены заряженными частицами, такими как электроны, захваченные магнитосферой Урана.

Вместо этого они не обнаружили признаков потемнения на обращённых к Урану сторонах спутников и явных признаков потемнения на обращённых к внешним спутникам сторонах. Это удивило учёных и указывает на то, что магнитосфера Урана, возможно, не сильно взаимодействует с его крупными спутниками, что противоречит существующим данным, полученным в ближнем инфракрасном диапазоне.

Благодаря острому ультрафиолетовому зрению и спектроскопическим возможностям «Хаббла» команда смогла исследовать условия на поверхности этих спутников и сделать неожиданное открытие.

Сложная магнитная среда «странного» Урана

Четыре спутника, участвующие в этом исследовании, — Ариэль, Умбриэль, Титания и Оберон — приливным образом привязаны к Урану, поэтому они всегда обращены к планете одной и той же стороной. Сторона спутника, обращённая в направлении движения, называется ведущим полушарием, а сторона, обращённая назад, — отстающим полушарием. Предполагалось, что заряженные частицы, захваченные вдоль линий магнитного поля, в первую очередь попадают на отстающую сторону спутника, что затемняет это полушарие.

«Уран — странная планета, поэтому всегда было неясно, насколько сильно магнитное поле взаимодействует с его спутниками, — объяснил главный исследователь Ричард Картрайт из Лаборатории прикладной физики Университета Джонса Хопкинса. — Начнём с того, что он повёрнут на 98 градусов относительно эклиптики».

Это означает, что Уран сильно наклонён относительно плоскости орбиты планет. Он очень медленно вращается вокруг Солнца, совершая полный оборот за 84 земных года.

«Во время пролета «Вояджера-2» магнитосфера Урана была наклонена примерно на 59 градусов по отношению к орбитальной плоскости спутников. Таким образом, магнитное поле имеет дополнительный наклон», — объяснил Картрайт.

Поскольку Уран и его магнитные силовые линии вращаются быстрее, чем его спутники движутся по орбите вокруг планеты, силовые линии магнитного поля постоянно проходят мимо спутников. Если магнитосфера Урана взаимодействует со своими спутниками, заряженные частицы должны преимущественно попадать на поверхность отстающих сторон.

Эти заряженные частицы, а также космические лучи нашей галактики должны затемнять задние полусферы Ариэля, Умбриэля, Титании и Оберона и, возможно, генерировать углекислый газ, обнаруженный на этих спутниках. Команда ожидала, что задние полусферы внутренних спутников Ариэля и Умбриэля будут темнее передних в ультрафиолетовом и видимом диапазонах.

Но это не то, что они обнаружили. Вместо этого оказалось, что ведущее и отстающее полушария Ариэля и Умбриэля на самом деле очень похожи по яркости. Однако исследователи заметили разницу между полушариями двух внешних лун, Титании и Оберона, а не тех лун, которые они ожидали увидеть.

Ещё более странным оказалось то, что разница в яркости была прямо противоположной тому, чего они ожидали. У двух внешних спутников более тёмные и красные ведущие полусферы по сравнению с их замыкающими полусферами. Команда считает, что пыль от некоторых неправильных спутников Урана покрывает ведущие стороны Титании и Оберона.

Нерегулярные спутники — это естественные тела, которые движутся по большим, эксцентричным и наклонным орбитам относительно экваториальной плоскости своей родительской планеты. Микрометеориты постоянно сталкиваются с поверхностью нерегулярных спутников Урана, выбрасывая небольшие частицы материала на орбиту вокруг планеты.

В течение миллионов лет этот пылевой материал движется по направлению к Урану и в конечном итоге пересекает орбиты Титании и Оберона. Эти внешние спутники проносятся сквозь пыль и захватывают её в основном своими передними полушариями, обращёнными вперёд. Это похоже на то, как насекомые бьются о лобовое стекло вашего автомобиля, когда вы едете по шоссе.

Из-за этого материала у Титании и Оберона более тёмные и красные ведущие полусферы. Эти внешние спутники эффективно защищают внутренние спутники Ариэль и Умбриэль от пыли, поэтому полусферы внутренних спутников не отличаются по яркости.

«Мы видим, что то же самое происходит в системе Сатурна и, вероятно, в системе Юпитера, — сказал соавтор исследования Брайан Холлер из Института космических телескопов. — Это одно из первых свидетельств, которое мы видим в отношении аналогичного обмена веществом между спутниками Урана».

«Значит, это подтверждает другое объяснение, — сказал Картрайт. — Это скопление пыли. Я даже не ожидал, что дойду до такой гипотезы, но, знаете, данные всегда вас удивляют».

Основываясь на этих выводах, Картрайт и его команда предполагают, что магнитосфера Урана может быть довольно спокойной или более сложной, чем считалось ранее. Возможно, взаимодействие между спутниками Урана и его магнитосферой происходит, но по какой-то причине оно не вызывает асимметрию в ведущем и отстающем полушариях, как предполагали исследователи. Для ответа на этот вопрос потребуется дальнейшее изучение загадочного Урана, его магнитосферы и спутников.

Уникальное ультрафиолетовое зрение Хаббла

Чтобы измерить яркость четырёх крупнейших спутников Урана, исследователям потребовались уникальные ультрафиолетовые возможности «Хаббла». Наблюдение за объектами в ультрафиолетовом свете невозможно с Земли из-за фильтрующего эффекта защитной атмосферы Земли. Ни один другой современный космический телескоп не обладает сравнимой способностью видеть в ультрафиолетовом диапазоне и такой же чёткостью.

«Хаббл с его ультрафиолетовыми возможностями — единственный прибор, который может проверить нашу гипотезу», — сказал Кристиан Сото из Института космических телескопов, который занимался извлечением и анализом данных. Сото представил результаты этого исследования 10 июня на 246-й конференции Американского астрономического общества в Анкоридже, штат Аляска.

Дополнительные данные, полученные с помощью космического телескопа НАСА «Джеймс Уэбб», помогут получить более полное представление о системе спутников Урана и их взаимодействии с магнитосферой планеты.

Источник: Институт космических телескопов

На изображении:

Пять крупнейших спутников Урана, которые иногда называют «классическими спутниками», расположены неровной диагональной линией от правого верхнего угла к левому нижнему. Это Титания, Оберон, Умбриэль, Миранда и Ариэль. Также видна тень Ариэля, которая накладывается на Уран. Слабые, призрачные кольца, похожие на кольца Сатурна, окружают голубого ледяного гиганта.

Источник: NASA, ESA, STScI, Кристиан Сото (STScI); обработка изображений: Джозеф ДеПаскуале (STScI)