Webb po raz pierwszy zarejestrował „pionowy przekrój” jonosfery Urana: mapa 3D pokazuje, gdzie rodzą się zorze polarne i dlaczego planeta nadal się ochładza
Naukowcom po raz pierwszy udało się stworzyć szczegółową mapę warstw górnej atmosfery Urana, i to nie tylko „po powierzchni”, lecz także w pionie — od wierzchołków chmur po tysiące kilometrów ponad nimi. Obserwacje wykonano Kosmicznym Teleskopem Jamesa Webba, którego czułość umożliwiła wykrycie niezwykle słabego blasku cząsteczek wysoko nad chmurami, tam, gdzie atmosfera przechodzi w jonosferę i bezpośrednio „łączy się” z niezwykłym polem magnetycznym planety.
Ten wynik jest ważny z dwóch powodów. Po pierwsze, daje najjaśniejszy jak dotąd obraz tego, gdzie i jak powstają zorze polarne (aurory) Urana oraz jak ich kształt i położenie zmieniają się z powodu pola magnetycznego nachylonego i przesuniętego względem osi obrotu. Po drugie, pomiary potwierdzają, że górna atmosfera Urana nadal się ochładza — trend, który naukowców zastanawia od początku lat 90.
Co dokładnie zmierzono i dlaczego to precedens
Jonosfera to warstwa atmosfery, w której promieniowanie słoneczne i naładowane cząstki tworzą jony i elektrony, przez co gaz nie jest już „neutralny”. Właśnie w tym obszarze dochodzi do intensywnej wymiany energii: ładunkami „steruje” pole magnetyczne, a ogrzewanie i chłodzenie zależą od połączenia promieniowania słonecznego, dopływu cząstek z magnetosfery oraz dynamiki atmosfery poniżej.
Dotąd badacze mieli na Uranie obraz fragmentaryczny — porównywalny do tego, że wiadomo, jak wygląda migotanie na niebie, ale nie wiadomo, na jakiej dokładnie wysokości zachodzi i jak „gruba” jest strefa, w której uwalnia się energia. Nowe dane Webba umożliwiły opracowanie pionowych profili temperatury i gęstości jonów: jak jest gorąco i ile jest naładowanych cząstek na różnych wysokościach oraz jak te wielkości zmieniają się wraz z długością geograficzną podczas obrotu planety.
Jak Webb obserwował Urana: niemal cały „dzień” w jednym podejściu
Obserwację przeprowadzono 19 stycznia 2025 r. i trwała około 15 godzin, co obejmuje niemal pełny obrót Urana. Kluczowym narzędziem był NIRSpec, bliskopodczerwony spektrograf Webba, użyty w trybie Integral Field Unit (IFU). Takie podejście daje jednocześnie widmo i informację przestrzenną, dzięki czemu można rozróżnić, gdzie w atmosferze pojawia się blask określonych cząsteczek, a gdzie go brakuje.
Zespołem naukowym kierowała Paola Tiranti z Northumbria University w Wielkiej Brytanii. W centrum analizy znalazł się słaby blask w podczerwieni ponad chmurami, powstający, gdy wzbudzone cząstki i cząsteczki w jonosferze wracają do niższych stanów energetycznych i emitują światło o określonych długościach fali. To właśnie ten „podpis” pozwala oszacować temperaturę i gęstość jonów.
Kluczowe wyniki: gdzie jest najcieplej, gdzie jest najwięcej jonów
Pomiary pokazują wyraźną strukturę pionową sięgającą do około 5000 kilometrów ponad wierzchołki chmur. Temperatura w górnych warstwach osiąga maksimum między 3000 a 4000 kilometrów wysokości, natomiast gęstość jonów osiąga maksimum około 1000 kilometrów. Ważnym szczegółem jest też to, że zaobserwowano wyraźne zmiany zależne od długości geograficznej — innymi słowy, ta sama warstwa nie jest taka sama wszędzie wokół planety, lecz jest „modulowana” złożoną geometrią pola magnetycznego.
Średnia temperatura górnej atmosfery z pomiarów Webba wynosi około 426 kelwinów, czyli około 150 stopni Celsjusza. Ta wartość jest niższa od wcześniejszych szacunków uzyskanych z teleskopów naziemnych i starszych obserwacji z kosmosu, co dodatkowo umacnia wniosek, że górna atmosfera Urana nadal się ochładza.
Aurory w dwóch pasach i „ciemna strefa” między nimi: ślad geometrii magnetycznej
W danych Webba wyróżniają się dwa jasne pasy zorzowe w pobliżu biegunów magnetycznych. Takie struktury powstają, gdy naładowane cząstki, prowadzone liniami pola magnetycznego, wpadają w atmosferę i uwalniają energię. Równie interesujące jest jednak to, czego brakuje: między tymi dwoma pasami zarejestrowano obszar zmniejszonej emisji i niższej gęstości jonów — swoistą „ciemną strefę”, w której blask jest tłumiony.
Podobne ciemniejsze regiony zaobserwowano także na Jowiszu, gdzie wiadomo, że geometria linii pola magnetycznego wyznacza tory naładowanych cząstek, przez co zorza nie rozkłada się równomiernie. Na Uranie efekt ten jest dodatkowo wzmocniony, ponieważ pole magnetyczne jest skrajnie „asymetryczne”: oś magnetyczna jest nachylona o prawie 60 stopni względem osi obrotu, a środek pola magnetycznego jest przesunięty względem środka planety o około jedną trzecią promienia. Z tego powodu strefy zorzowe nie zachowują się jak stabilny pierścień wokół biegunów, lecz podczas obrotu „przelewają się” nad różnymi obszarami geograficznymi i głęboko wpływają na rozkład energii w atmosferze.
Dlaczego ochładzanie Urana to wielka zagadka
Uran jest najchłodniejszą z planet olbrzymów w Układzie Słonecznym, jeśli mówić o temperaturach, które „widzimy” w atmosferze, ale właśnie górne warstwy — termosfera i jonosfera — powinny być wrażliwe na dopływ energii. Dodatkowym problemem jest to, że Uran jest daleko od Słońca, więc dopływ promieniowania słonecznego jest słabszy niż na Jowiszu czy Saturnie, a mimo to górna atmosfera wykazuje złożone zmiany, których nie da się łatwo wyjaśnić samą odległością od Słońca.
Trend ochładzania śledzony od początku lat 90. wywołuje dyskusje o tym, jak energia jest przenoszona z niższych warstw ku górze, jak skutecznie atmosfera „ochładza się” przez wypromieniowanie energii w przestrzeń kosmiczną oraz jaką rolę odgrywają zmiany sezonowe, wiatr słoneczny i procesy wewnętrzne w magnetosferze. Wyniki Webba nie zamykają kwestii, ale po raz pierwszy dają na tyle szczegółowy „kontekst 3D”, że hipotezy można testować bez opierania się na pojedynczych, niepowiązanych pomiarach.
Szerszy obraz: lekcja o lodowych olbrzymach i światach poza Układem Słonecznym
Uran i Neptun często nazywa się lodowymi olbrzymami, a ich procesy atmosferyczne i magnetyczne są kluczowe dla zrozumienia klasy planet, która w galaktyce jest prawdopodobnie częsta. W obserwacjach egzoplanet, zwłaszcza tych o rozmiarze i masie podobnej do Urana, naukowcy często dysponują jedynie „zintegrowanym” sygnałem — średnią dla całej planety. Dlatego każde ulepszenie rozumienia tego, jak energia rozkłada się w górnych warstwach atmosfery, jest bezpośrednio przydatne także do interpretacji danych o odległych światach.
Właśnie tutaj pomiary Webba mają dodatkową wartość: pokazują, jak w jonosferze mogą pojawiać się lokalne maksima temperatury i gęstości jonów, jak struktury zorzowe mogą organizować się w wiele pasów oraz jak asymetria magnetyczna pozostawia widoczny ślad nie tylko w „pokazie świateł”, ale też w samej pionowej budowie atmosfery.
Co dalej: więcej obrotów, porównania i poszukiwanie mechanizmu
Uzyskane wyniki opierają się na obserwacjach z programu JWST General Observer 5073, w którym głównym badaczem jest Henrik Melin. Społeczność naukowa ma teraz referencyjny zestaw danych, który można porównywać z przyszłymi pomiarami Webba, ale także z danymi innych obserwatoriów. Szczególnie ważne będzie śledzenie, jak sygnały zmieniają się w czasie: czy położenie pasów zorzowych zmienia się w zależności od warunków słonecznych, czy „ciemna strefa” zawsze pojawia się w tym samym miejscu geometrii magnetycznej oraz czy ochładzanie trwa w tym samym tempie.
Dla Urana, planety, która historycznie miała niewiele wizyt i jeszcze mniej długotrwałych kampanii obserwacyjnych, takie dane stanowią swoistą „mini misję” z daleka. Zamiast krótkiego przelotu otrzymuje się ciągłą obserwację, która ujawnia, jak atmosfera zachowuje się podczas obrotu planety i jak pole magnetyczne przekształca jonosferę w pionie i wzdłuż długości geograficznej. W ten sposób, krok po kroku, składa się mechanizm, który mógłby wyjaśnić, jak lodowe olbrzymy równoważą energię w ekstremalnych warunkach zewnętrznego Układu Słonecznego.
Źródła:- ESA/Webb – komunikat naukowy o mapowaniu 3D jonosfery Urana, wynikach dotyczących temperatury, gęstości jonów i pasów zorzowych (link)- Northumbria University Research Portal – dane bibliograficzne i status pracy w czasopiśmie Geophysical Research Letters (DOI: 10.1029/2025GL119304) (link)- NASA Science – podstawowe fakty o polu magnetycznym Urana, jego nachyleniu i przesunięciu względem środka planety (link)- ESA/Webb – opis instrumentu NIRSpec i możliwości integralnego pola (IFU) w spektroskopii (link)
Czas utworzenia: 1 godzin temu