Le immagini mostrano la posizione delle cinque lune più grandi di Urano e le loro orbite attorno a Urano il 12 luglio 2011 viste da Herschel. A sinistra:posizioni calcolate e orbite delle lune. Il lato sinistro del piano orbitale è rivolto verso di noi. La dimensione degli oggetti non è mostrata in scala. A destra:mappa in falsi colori della luminosità infrarossa alla lunghezza d'onda di 70 µm dopo la rimozione del segnale dal pianeta Urano, misurata con lo strumento PACS dell'Herschel Space Observatory. La forma caratteristica dei segnali, che somiglia a un trifoglio, è un artefatto generato dal telescopio. Credito:T. Müller (HdA)/Ö. H. Detre et al./MPIA
Più di 230 anni fa l'astronomo William Herschel scoprì il pianeta Urano e due delle sue lune. Utilizzando l'Osservatorio spaziale Herschel, un gruppo di astronomi guidato da Örs H. Detre del Max Planck Institute for Astronomy è ora riuscito a determinare le proprietà fisiche delle cinque lune principali di Urano. La radiazione infrarossa misurata, che è generato dal Sole che riscalda le loro superfici, suggerisce che queste lune assomiglino a pianeti nani come Plutone. Il team ha sviluppato una nuova tecnica di analisi che ha estratto i deboli segnali dalle lune vicine a Urano, che è più di mille volte più luminoso. Lo studio è stato pubblicato oggi sulla rivista Astronomia e astrofisica .
Per esplorare le regioni esterne del Sistema Solare, sonde spaziali come Voyager 1 e 2, Cassini-Huygens e New Horizons sono stati inviati in lunghe spedizioni. Ora un gruppo di ricerca tedesco-ungherese, guidato da Örs H. Detre del Max Planck Institute for Astronomy (MPIA) di Heidelberg, dimostra che con la tecnologia e l'ingegnosità appropriate, risultati interessanti si possono ottenere anche con osservazioni da lontano.
Gli scienziati hanno utilizzato i dati dell'Herschel Space Observatory, che è stato implementato tra il 2009 e il 2013 e nel cui sviluppo e funzionamento anche MPIA è stato coinvolto in modo significativo. Rispetto ai suoi predecessori che coprivano una gamma spettrale simile, le osservazioni di questo telescopio erano significativamente più nitide. Prende il nome dall'astronomo William Herschel, che trovò la radiazione infrarossa nel 1800. Qualche anno prima, scoprì anche il pianeta Urano e due delle sue lune (Titania e Oberon), che ora sono state esplorate in maggior dettaglio insieme ad altre tre lune (Miranda, Ariel e Umbriel).
"In realtà, abbiamo effettuato le osservazioni per misurare l'influenza di sorgenti infrarosse molto luminose come Urano sul rilevatore della fotocamera, " spiega il coautore Ulrich Klaas, che ha guidato il gruppo di lavoro della telecamera PACS dell'Herschel Space Observatory presso MPIA con cui sono state scattate le immagini. "Abbiamo scoperto le lune solo per caso come nodi aggiuntivi nel segnale estremamente luminoso del pianeta". La telecamera PACS, che è stato sviluppato sotto la guida del Max Planck Institute for Extraterrestrial Physics (MPE) a Garching, era sensibile a lunghezze d'onda comprese tra 70 e 160 µm. Questo è più di cento volte maggiore della lunghezza d'onda della luce visibile. Di conseguenza, le immagini del telescopio spaziale Hubble di dimensioni simili sono circa cento volte più nitide.
Immagini delle cinque lune più grandi di Uran Miranda, Ariel, Umbriel, Titania e Oberon. La sonda spaziale Voyager 2 ha scattato queste immagini durante un sorvolo il 24 gennaio 1986. I diametri delle lune sono mostrati in scala. Credito:NASA/JPL/MPIA
Gli oggetti freddi irradiano molto brillantemente in questa gamma spettrale, come Urano e le sue cinque lune principali, che, riscaldati dal Sole, raggiungono temperature comprese tra circa 60 e 80 K (da –213 a –193 °C).
"Anche il momento dell'osservazione è stato un colpo di fortuna, " spiega Thomas Müller di MPE. L'asse di rotazione di Urano, e quindi anche il piano orbitale delle lune, è insolitamente inclinato verso la loro orbita attorno al Sole. Mentre Urano orbita attorno al Sole per diversi decenni, è principalmente l'emisfero settentrionale o meridionale ad essere illuminato dal sole. "Durante le osservazioni, però, la posizione era così favorevole che le regioni equatoriali beneficiavano dell'irraggiamento solare. Questo ci ha permesso di misurare quanto bene viene trattenuto il calore in una superficie mentre si sposta verso il lato notturno a causa della rotazione della luna. Questo ci ha insegnato molto sulla natura del materiale, " spiega Muller, che ha calcolato i modelli per questo studio. Da ciò derivò le proprietà termiche e fisiche delle lune.
Quando la sonda spaziale Voyager 2 passò Urano nel 1986, la costellazione era molto meno favorevole. Gli strumenti scientifici potevano catturare solo le regioni del polo sud di Urano e delle lune.
Müller ha scoperto che queste superfici immagazzinano il calore inaspettatamente bene e si raffreddano relativamente lentamente. Gli astronomi conoscono questo comportamento da oggetti compatti con una ruvida, superficie ghiacciata. Ecco perché gli scienziati presumono che queste lune siano corpi celesti simili ai pianeti nani ai margini del Sistema Solare, come Plutone o Haumea. Studi indipendenti di alcuni degli esterni, lune uraniane irregolari, che si basano anche su osservazioni con PACS/Herschel, indicano che hanno proprietà termiche diverse. Queste lune mostrano le caratteristiche degli Oggetti Transnettuniani più piccoli e debolmente legati, che si trovano in una zona oltre il pianeta Nettuno. "Ciò si adatterebbe anche alle speculazioni sull'origine delle lune irregolari, " aggiunge Müller. "A causa delle loro orbite caotiche, si presume che siano stati catturati dal sistema uranico solo in un secondo momento."
Queste immagini spiegano come sono state estratte dai dati le lune di Uran. A sinistra:l'immagine originale contiene i segnali infrarossi di Urano e delle sue cinque lune principali, misurato a una lunghezza d'onda di 70 µm. Urano è migliaia di volte più luminoso di una singola luna. La sua immagine è dominata da artefatti dovuti alle interferenze del telescopio e della fotocamera. Titania e Oberon sono appena visibili. Centro:utilizzando questi dati, una procedura sofisticata ha creato un modello per la distribuzione della luminosità del solo Urano. Questo viene sottratto dall'immagine originale. A destra:Infine, i segnali delle lune rimangono dopo la sottrazione. Nella posizione di Urano il metodo di estrazione non proprio perfetto influisce leggermente sul risultato. Credito:Ö. H. Detre et al./MPIA
Però, le cinque lune principali sono state quasi trascurate. In particolare, oggetti molto luminosi come Urano generano forti artefatti nei dati PACS/Herschel, che causano la distribuzione di una parte della luce infrarossa nelle immagini su ampie aree. Questo è appena percettibile quando si osservano deboli oggetti celesti. Con Urano, però, è ancora più pronunciato. "Le lune, che sono tra 500 e 7400 volte più deboli, sono a una distanza così piccola da Urano che si fondono con gli artefatti altrettanto luminosi. Solo le lune più luminose, Titania e Oberon, risaltare un po' dal riverbero circostante, Il coautore Gábor Marton dell'Osservatorio Konkoly di Budapest descrive la sfida.
Questa scoperta accidentale ha spinto Örs H. Detre a rendere le lune più visibili in modo che la loro luminosità potesse essere misurata in modo affidabile. "In casi simili, come la ricerca di esopianeti, usiamo i coronografi per mascherare la loro luminosa stella centrale, " Detre spiega. "Herschel non aveva un tale dispositivo. Anziché, abbiamo sfruttato l'eccezionale stabilità fotometrica dello strumento PACS." Sulla base di questa stabilità e dopo aver calcolato le posizioni esatte delle lune al momento delle osservazioni, ha sviluppato un metodo che gli ha permesso di rimuovere Urano dai dati. "Siamo rimasti tutti sorpresi quando quattro lune sono apparse chiaramente sulle immagini, e potremmo persino rilevare Miranda, la più piccola e la più interna delle cinque maggiori lune di Urano, " Conclude Detre.
"Il risultato dimostra che non abbiamo sempre bisogno di elaborate missioni spaziali planetarie per ottenere nuove intuizioni sul Sistema Solare, " sottolinea il coautore Hendrik Linz di MPIA. "Inoltre, il nuovo algoritmo potrebbe essere applicato a ulteriori osservazioni che sono state raccolte in gran numero nell'archivio dati elettronico dell'Agenzia spaziale europea ESA. Chissà quale sorpresa ci aspetta ancora lì?"
