Magyar-német kutatócsoport különleges felfedezést tett az Uránusz holdjairól

Az Ariel hold fotója, amelyet a Voyager 2 készített

Egy német-magyar kutatócsoport felfedezte, hogy az Uránusz holdjainak hőképe leginkább a hűvösebbnél is hűvösebb Kuiper-öv törpebolygóira hasonlít. Ez felveti azt az izgalmas kérdést, hogy ezek a holdak is itt születhettek-e, és innen vándoroltak-e tovább az Uránusz bolygó kötelékébe? Az érdekes és nemzetközi viszonylatban is jelentős felfedezésről szól Detre Örs Hunor, a felfedezést tett német-magyar kutatócsoport vezetőjének írása.

Magyar kutató vezetésével határozták meg öt főbb hold jellemzőit

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 csillagászok egy csoportja Detre Örs Hunor (Max-Planck-Institute für Astronomie, Németország) vezetésével sikeresen meghatározta az Uránusz 5 főbb holdjának fizikai tulajdonságait.

William Herschel, az Uránusz felfedezője Forrás: Wikimedia Commons/Lemuel Francis Abbott

A holdak közép és távoli infravörös fénye alapján (ami a Nap sugárzása miatt a holdak felszínén keletkezett hőt jelenti) a kutatók úgy vélik, hogy a kísérők leginkább olyan törpebolygókhoz hasonlítanak, mint amilyen a Pluto is. A kutatócsoport kifejlesztett egy új technikát,

aminek segítségével sikerült a holdak fényét a náluk ezerszer fényesebb Uránusz fényétől különválasztani.

A Pluto törpebolygó felszíne. A felvételen a Sputnik Planum (bal oldalt) és a síkságot körülölelő hegyek (jobb oldalt) láthatók Forrás: NASA / New Horizons

A tanulmány nemrég jelent meg az Astronomy & Astrophysics neves angol nyelvű csillagászati szaklapban.

A Naprendszer külső vidékeinek felfedezését korábban olyan hosszú és távoli utakra tervezett űreszközök végezték, mint a Voyager 1 és 2, a Cassini-Huygens illetve a New Horizons.

A Plutó kutatásában úttörő felfedezéseket tett New Horizons bolygóközi-szonda Forrás: NASA/JPL

Most viszont a német Max-Planck-Institute für Astronomie (MPIA) munkatársa, Detre Örs Hunor vezetésével egy német-magyar kutatócsoport megmutatta, hogy kellő leleményességgel akár nagy távolságból készített megfigyelésekből is új és érdekes eredményeket kaphatunk.

Az Uránusz és a Föld méretét összehasonlító képmontázs Forrás: NASA (Image modified by Jcpag2012)

A kutatók annak a Herschel-űrteleszkópnak az 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

távoli infravörös hullámhosszakon. A nevét William Herschel csillagász után kapta, aki 1800-ban fedezte fel az infravörös sugárzást.

A Herschel-űrtávcső. Az űrszonda képe a Vela-C csillagkeletkezési helyről készített saját felvétele előtt látható Forrás: ESA/ESA/PACS & SPIRE Consortia, T. Hill, F. Motte, Laboratoire AIM Paris-Saclay, CEA/IRFU

Néhány évvel korábban szintén ő fedezte fel az Uránusz bolygót és a holdjai közül kettőt (Titánia és Oberon), amelyeket most a bolygó 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 társszerzője, aki az MPIA-nál vezető szerepet játszott az űrtávcső PACS elnevezésű, a cikkhez adatokat szolgáltató műszerének fejlesztésében is.

A holdakat, amik apró kis pontokként jelentek meg a felvételeken, csak véletlenül vettük észre.

Az öt legnagyobb Uránusz hold, a Miranda, az Ariel, az Umbriel, a Titania és az Oberon méretarányos képe. A képeket a Voyager–2 űrszonda készítette 1986. január 24-én, miközben elhaladt az Uránusz mellett Forrás: NASA/JPL/MPIA

A PACS kamera a távoli infravörös fény 70 és 160 mikrométeres hullámhossza közötti tartományban lát. Egy távcső felbontása arányos a teleszkóp átmérőjével, de fordítottan arányos az általa látott fény hullámhosszával.

Ez a hullámhossz tartomány megközelítőleg százszor hosszabb, mint a hasonló méretű Hubble űrteleszkóp látásának tartománya. Ez azt jelenti, hogy a PACS ugyan a leghidegebb jeges objektumok hőjét is látja - amit a Hubble nem - de körülbelül százszor életlenebb képeket is készít.

Az Uránusz öt legnagyobb holdja Forrás: European Southern Observatory/ESA

Ezért a holdak szinte beleolvadtak az Uránusz képébe.

Az olyan hideg objektumok, mint az Uránusz és a holdjai (a napsugárzásnak köszönhetően 60 és 80 Kelvin, azaz -213 és -193 Celsius fok közötti hőmérséklettel rendelkeznek) azonban ezeken a hullámhosszakon nagyon fényesnek látszanak.

A Miranda jeges felszínéről készített közeli fotó Forrás: Voyager 2 - NASA image

"Épp 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 Balog Zoltán, aki szintúgy az MPIA PACS csapatának volt a tagja.

Szerencsés időpontban történtek a felfedezések

"A megfigyelések is rendkívül szerencsés időpontban történtek" - magyarázta Thomas Müller, a garchingi Max-Planck-Institute für Extraterrestische Physics (MPE) munkatársa, amely a PACS műszer fejlesztését is vezette.

"Az Uránusz forgási tengelye, 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.

Az Uránusz tengelye rendellenesen elhajlik a naprendszer többi bolygójához képest Forrás: NASA/JPL-Caltech

A mérések készítésének ideje alatt azonban főleg az Uránusz egyenlítői régióit érte a napsütés. Ezek alapján meg tudtuk mérni,

hogy a holdak felszíne milyen mértékben tartja meg a hőt miközben az Uránusz éjszakai oldalára vándorolnak.

- A begyűjtött adatokból rengeteg dolgot megtudtunk az őket alkotó anyag természetéről" - mondta Müller, aki a modellszámításokat végezte a kutatás során, és ezek alapján sikerült megállapítania a holdak termális (hőtani) és fizikai jellemzőit.

A Titania a Voyager 2 űrszonda felvételén Forrás: NASA/JPL - PIA00039

A Voyager 2 űrszonda 1986-ban az Uránusz mellett történt 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 holdak a Naprendszer határán található törpebolygókra hasonlítanak

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 felszínnel rendelkező kis égitestek esetében figyeltek meg.

Fagyott tó a Pluto felszínén (művészi illusztráció) Forrás: leemage via AFP/©Ron Miller/Novapix/Leemage/Ron Miller

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.

Az Ariel hold fotója, amelyet a Voyager 2 készített. A nagy Uránusz holdak olyan sajátosságokat mutatnak, mint a naprendszer peremvidékén keringő törpebolygók Forrás: NASA/JPL

Más, szintén a Herschel/PACS műszerrel végzett kutatások alapján az Uránusztól távolabb eső irreguláris holdak ettől eltérő hőmegtartó képességekkel rendelkeznek. 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 Müller. "A kaotikus keringési pályájuk miatt úgy gondoljuk, hogy az Uránusz a fejlődésének egy későbbi szakaszában fogta be ezeket az égitesteket."

Az Uránusz tengelye csaknem azonos a keringési síkjával Forrás: Hubble Space Telescope - NASA Marshall Space Flight Center

A Herschel optikai rendszerével minden pontszerű objektum képe inkább egy elkenődött, egyenetlen "plecsninek" látszódik

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.

Jobb oldali kép az Uránusz öt legnagyobb holdjának pozícióját és pályáját mutatja, ahogy az 2011 Július 12 én látszódtak a Herschel Űrteleszkópról. A jobb oldali hamisszines kép mutatja a holdak hősugárzását az Uránusz az ezek több mint ezerszeres fényének levonása után Forrás: T. Müller (HdA)/Ö. H. Detre et al./MPIA (Herschel PACS, 70 mikrométer)

"Az 500-7400-szor halványabb holdak, olyan kis távolságban helyezkednek el a gázóriástól, hogy látszólag összeolvadnak az Uránusz által kirajzolt PSF-el. Csak a két legfényesebb hold, a Titania és az Oberion különíthető el valamennyire szemmel a képeken. De tudtuk, hogy mind ott rejtőznek!" - így írta le a kihívást Marton Gábor, a tanulmány egyik társszerzője, a budapesti Konkoly Thege Miklós Csillagászati Intézet munkatársa.

A kifinomult adatfeldolgozás teszi láthatóvá azt, ami korábban láthatatlan volt

Ez a véletlen felfedezés arra ösztönözte Detre Örs Hunort, a kutatás vezetőjét, hogy az Uránusz fényes ragyogásában "elbújt" holdakat is láthatóvá tegye,

ezáltal a fényességük is megbízhatóan mérhetővé váljon.

"Hasonló esetekben, mint pl. az exobolygók keresésekor, ún. koronográfokat használunk, hogy a központi csillag fényét kitakarjuk" - magyarázta Detre.

A Miranda fotója amit a Voyager 2 készített NASA/JPL-Caltech

"Az űrtávcső azonban nem rendelkezett ilyen eszközzel. 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.

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. Középen: az adatok alapján gondosan elkészített modell, amely csak az Uránusz fényességeloszlását mutatja.Jobb oldalon: a végeredmény, ami a bal oldali képből maradt, miután levonták belőle a középsőt. Forrás: Detre és mtsai/MPIA

Ledöbbentünk, amikor megláttuk, hogy 4 hold képe tisztán kirajzolódik a felvételeken. Még a leghalványabb ötödik, legbelső pályán keringő Miranda is feltűnt."

- mondta Detre. "Az eredményeink nagyon jól megmutatták, hogy nem feltétlenül kellenek bonyolult bolygóközi utazások ahhoz, hogy újat tanulhassunk Naprendszerünkről." - nyilatkozta szintén egy társszerző, Hendrik Linz az MPIA részéről. "Sőt, a kifejlesztett módszer az Európai Űrügynökség (ESA) elektronikus archívumának további megfigyelésére is alkalmazható. Ki tudja milyen meglepetések bújtak még el így az archívum tengernyi képe közt?"

Forrás: (Detre, Ö. H.; Müller, T. G.; Klaas, U.; Marton, G.; Linz, H.; Balog, Z. "Herschel -PACS photometry of the five major moons of Uranus". Astronomy & Astrophysics. 641: A76.)