Der Astronom William Herschel entdeckte Uranus – und zwei seiner Monde – vor 230 Jahren. Nun hat eine Gruppe von Astronomen, die mit Daten des gleichnamigen Teleskops, des Herschel Space Observatory, arbeiten, eine unerwartete Entdeckung gemacht. Es sieht so aus, als hätten die Monde von Uranus eine auffallende Ähnlichkeit mit eisigen Zwergplaneten.
Die Weltraumobservatorium Herschel ist seit 2013 im Ruhestand. Doch alle Daten sind für die Forschenden nach wie vor von Interesse. Diese Entdeckung war ein glücklicher Zufall, der aus Tests der Daten des Kameradetektors des Observatoriums resultierte. Uranus ist eine sehr helle Infrarotenergiequelle, und das Team maß den Einfluss sehr heller Infrarotobjekte auf die Kamera.
Die Bilder der Monde wurden zufällig entdeckt.
Uranus ist schwer zu beobachten. Die Voyager 2 der NASA ist die einzige Raumsonde, die jemals den Planeten besucht hat, und dieser Besuch hat uns viel gelehrt. Selbst Teleskope wie das Hubble haben Schwierigkeiten.
Das Forscherteam hinter dieser Studie arbeitete mit einer neuen Methode zur Analyse von Daten des Herschel-Weltraumobservatoriums und seiner Photodetektierende Array-Kamera und Spektrometer (PACS). PACS war ein niedrig auflösendes Spektrometer und eine bildgebende Kamera in einem. Es arbeitet im Infrarotbereich und sammelt schärfere Bilder als alle seine Vorgänger.
Das Papier, das die Ergebnisse des Teams präsentiert, trägt den Titel „ Herschel-PACS-Photometrie der fünf Hauptmonde des Uranus .“ Es ist in der Fachzeitschrift Astronomy and Astrophysics erschienen, Hauptautor ist Örs H. Detre vom Max-Planck-Institut für Astronomie (MPIA).
„Wir waren alle überrascht, als auf den Bildern deutlich vier Monde zu sehen waren, und wir konnten sogar Miranda erkennen, den kleinsten und innersten der fünf größten Uran-Monde.“
Örs H. Detre, Hauptautor, Max-Planck-Institut für Astronomie.
In der Zusammenfassung ihres Papiers formulierte das Team seine Ziele: „Wir wollen Ferninfrarotflüsse bei 70, 100 und 160 bestimmen?m für die fünf großen Uranus-Satelliten Titania, Oberon, Umbriel, Ariel und Miranda.“ Sie führten keine neuen Beobachtungen für ihre Arbeit durch. Stattdessen arbeiteten sie mit Daten aus Herschels PACS.
Eine Sache, die dem Herschel-Observatorium fehlte, war: Koronagraph . Ein Koronagraph blendet starke Lichtquellen aus, sodass Astronomen schwache Objekte in der gleichen Umgebung wie das starke Licht sehen können. Sie werden in Sonnenobservatorien verwendet, wo sie die Blendung der Sonne blockieren und es den Forschern ermöglichen, koronale Massenauswürfe und andere Sonnenphänomene zu sehen. Ohne Koronagraph gehen schwache Objekte in all dem Licht einfach verloren. In diesem Fall war es aufgrund des hellen Infrarotlichts von Uranus fast unmöglich, seine nahen Monde zu sehen.
Foto, aufgenommen am 19. Februar um 20:00 UT (14:00 CST) mit dem SOHO C2-Coronagraph, einem Gerät, das die Sonne blockiert und einen Blick auf die Umgebung ermöglicht. Bildnachweis: NASA/ESA
Ohne Coronagraph mussten Detre und seine Kollegen schlau sein.
„Eigentlich haben wir die Beobachtungen durchgeführt, um den Einfluss sehr heller Infrarotquellen wie Uranus auf den Kameradetektor zu messen“, erklärt Co-Autor Ulrich Klaas, der die Arbeitsgruppe der PACS-Kamera des Herschel Space Observatory am MPIA leitete. „Wir haben die Monde nur zufällig als zusätzliche Knoten im extrem hellen Signal des Planeten entdeckt.“
Im Wellenlängenbereich von PACS strahlen kühlere Objekte hell. Uranus und seine Monde werden von der Sonne auf etwa -213 C bis -193 C (60 und 80 K) erwärmt. So erscheinen sie als helle Objekte, wobei das Licht von Uranus die Monde überwältigt.
Uranus' Axiale Neigung beträgt 97,77 Grad, kreist also im Grunde auf seiner Seite, senkrecht zur Ekliptik. Auch die Monde entsprechen dieser Anordnung, sie neigen also zu ihrer Umlaufbahn um die Sonne. Während Uranus um die Sonne kreist, wird hauptsächlich entweder die Nord- oder Südhalbkugel beleuchtet.
Dieses Falschfarbenbild des Very Large Telescope der ESO zeigt, wie Uranus und seine Monde senkrecht zur Ekliptik des Sonnensystems stehen. Bildnachweis: Von European Southern Observatory – Blick auf die Ringe des Uranus, während sie zum ersten Mal seit ihrer Entdeckung im Jahr 1977 mit der Kante auf die Erde schwingen, CC BY 4.0, https://commons.wikimedia.org/w/index.php? curid=5159107
Der Zeitpunkt der PACS-Beobachtungen von Uranus und seinen fünf Monden war sehr glücklich.
„Auch der Zeitpunkt der Beobachtung war ein Glücksfall“, erklärt Thomas Müller vom MPE. „Bei den Beobachtungen war die Lage jedoch so günstig, dass die äquatorialen Regionen von der Sonneneinstrahlung profitierten. Dadurch konnten wir messen, wie gut die Wärme in einer Oberfläche gespeichert wird, wenn sie sich aufgrund der Mondrotation zur Nachtseite bewegt. Dadurch haben wir viel über die Beschaffenheit des Materials gelernt“, erklärt Müller, der die Modelle für diese Studie berechnet hat.
Diese Beobachtungen waren glücklich, denn Uranus wird nicht oft auf diese Weise beleuchtet. Es dauert 84 Jahre, um eine Umlaufbahn zu vollenden, und hat seit seiner Entdeckung noch nicht einmal drei Umlaufbahnen absolviert. Es war also definitiv ein Glück, dass das Herschel-Weltraumobservatorium während dieses Fensters in Betrieb war.
Das Weltraumobservatorium Herschel der ESA vor einem Hintergrundbild der Sternentstehungsregion Vela C. Copyright ESA/PACS & SPIRE Konsortien, T. Hill, F. Motte, Laboratoire AIM Paris-Saclay, CEA/IRFU – CNRS/INSU – Uni. Paris Diderot, Konsortium des HOBYS-Schlüsselprogramms.
Für diese Studie war es von entscheidender Bedeutung, Uranus und seine Monde zu beobachten, wie sie Wärme absorbierten und dann wieder freisetzten. Muller war überrascht von dem, was er fand. Die Oberflächen der fünf Monde Titania, Oberon, Umbriel, Ariel und Miranda nahmen die Wärme überraschend gut auf und gaben sie langsamer als erwartet ab.
Die Wärmespeicherungs- und -abgabeeigenschaften der Monde erinnerten das Team an eine andere Familie von Objekten des Sonnensystems: Zwergplaneten am äußeren Rand des Sonnensystems. Körper wie Pluto und Haumea . Diese Ergebnisse unterscheiden die fünf großen Monde des Uranus von den anderen, kleineren, unregelmäßigen Monden, die den Planeten umkreisen.
Dieses Bild zeigt die größten TNOs im Sonnensystem. Bildnachweis: Bildnachweis: Lexikon. Basierend auf den gemeinfreien NASA-Bildern: Image:2006-16-d-print.jpg, Image:Orcus art.png, Image:Snow2whi.jpg. Bilder des Pluto-Systems stammen von NASA und JHUAPLNeue HorizonteMission. Illustrationen von Haumea und Makemake stammen aus Image:Illustration of the Zwergplaneten Makemake.jpg und Image:Haumea brilla con hielo cristalino.jpg.
„Wir haben verbesserte thermophysikalische Modelle der fünf großen Uranus-Satelliten erstellt“, schreiben die Autoren in ihrem Abschluss. „Unsere abgeleiteten thermischen Trägheitswerte ähneln denen der Zwergplaneten transneptunischer Objekte (TNO), Pluto und Haumea, mehr als denen kleinerer TNOs und Zentauren in heliozentrischen Abständen von etwa 30 AE.“
„Zusammenfassend“, fahren die Forscher fort, „haben die Uran-Satelliten Oberon, Titania, Umbriel, Ariel und Miranda eine thermische Trägheit, die höher ist als die sehr niedrigen Werte, die für TNOs und Zentauren in einer heliozentrischen Entfernung von 30 AE gefunden wurden. Es scheint, dass die thermischen Eigenschaften der eisigen Satellitenoberflächen näher an den Eigenschaften der TNO-Zwergplaneten Pluto und Haumea liegen.“
„Das würde auch zu den Spekulationen über die Herkunft der unregelmäßigen Monde passen“, ergänzt Müller in a Pressemitteilung . „Wegen ihrer chaotischen Umlaufbahnen wird angenommen, dass sie erst zu einem späteren Zeitpunkt vom Uransystem erfasst wurden.“ Die Eigenschaften der kleineren unregelmäßigen Monde ähneln weiter entfernten, kleineren und lockerer gebundenen TNOs. Nur die fünf großen Monde wurden vor Ort gebildet und ähneln Objekten wie Pluto.
Im Beobachtungsbereich des PACS erscheint Uranus überwältigend hell. Diese Helligkeit überwältigt nahegelegene Objekte wie die fünf großen Monde. Die Natur von PACS bedeutet, dass sich Infrarotlicht von Uranus über den Rest des Bildes ausbreiten kann. Das ist für sehr weit entfernte Objekte wie andere Sterne nicht kritisch. Aber für so etwas wie Uranus können ganze Monde ausgeblendet werden.
„Die zwischen 500 und 7400 mal lichtschwächeren Monde sind von Uranus so weit entfernt, dass sie mit den ähnlich hellen Artefakten verschmelzen. Nur die hellsten Monde, Titania und Oberon, heben sich ein wenig von der umgebenden Blendung ab“, sagte Co-Autor Gábor Marton vom Konkoly-Observatorium in Budapest in a Pressemitteilung .
Dies ist das Herzstück dieser Forschung. Das Team entwickelte neue Datenverarbeitungstechniken, um die Monde wieder sichtbar zu machen und die Blendung zu beseitigen. Die Idee war, genug Licht zu reduzieren, um die Monde wieder sichtbar zu machen, damit das Team ihre Helligkeit zuverlässig messen kann. Es ist, als würde man versuchen, die Kraft eines Koronagraphen in Bilder einzubringen, die ohne einen gemacht wurden.
Diese Bilder erklären, wie die Uranmonde aus den Daten extrahiert wurden. Links: Das Originalbild enthält die Infrarotsignale von Uranus und seinen fünf Hauptmonden, gemessen bei einer Wellenlänge von 70 µm. Uranus ist mehrere tausend Mal heller als ein einzelner Mond. Sein Bild wird von Artefakten durch Interferenzen von Teleskop und Kamera dominiert. Titania und Oberon sind kaum sichtbar. Mitte: Aus diesen Daten wurde in einem ausgeklügelten Verfahren allein ein Modell für die Helligkeitsverteilung von Uranus erstellt. Dies wird vom Originalbild abgezogen. Rechts: Schließlich bleiben die Signale der Monde nach der Subtraktion erhalten. Am Standort von Uranus beeinflusst die nicht ganz perfekte Extraktionsmethode das Ergebnis geringfügig. Bildquelle: Ö. H. Detre et al., 2020./MPIA
„In ähnlichen Fällen, etwa bei der Suche nach Exoplaneten, verwenden wir Koronagraphen, um ihren hellen Zentralstern zu maskieren“, erklärt Detre. „Herschel hatte kein solches Gerät. Stattdessen haben wir uns die herausragende photometrische Stabilität des PACS-Instruments zunutze gemacht.“
Das Team berechnete die genauen Positionen der Monde selbst, als die Bilder aufgenommen wurden, und nutzte dieses Wissen dann, um Uranus selbst und seine gesamte Helligkeit aus dem Bild zu entfernen.
„Wir waren alle überrascht, als auf den Bildern deutlich vier Monde zu sehen waren, und wir konnten sogar Miranda erkennen, den kleinsten und innersten der fünf größten Uran-Monde“, schließt Detre.
Dieses Flussdiagramm der Studie veranschaulicht den Datenverarbeitungsprozess, den das Team verwendet hat. Die gestrichelten Kästchen zeigen die drei Hauptteile der Iteration. Es beginnt unten links mit der anfänglichen Korrektur von Rohbildern. Der Iterationszyklus wird gestoppt, wenn sich die Anpassungsparameter nicht wesentlich ändern. Jeder Datensatz durchlief 25 Iterationen. Unten rechts sind die endgültigen Uranus-subtrahierten Bilder. Bildquelle: Ö. H. Detre et al., 2020.
Diese Studie zeigt, wie wertvoll archivierte Beobachtungsdaten sein können. In den Daten abgelaufener Missionen wie Herschel verbergen sich wertvolle wissenschaftliche Erkenntnisse. Im April 2020 beispielsweise untersuchen Wissenschaftler Daten der NASA-Mission zur Planetenfindung Kepler einen erdgroßen Planeten gefunden in der bewohnbaren Zone seines Sterns.
„Das Ergebnis zeigt, dass wir nicht immer aufwändige planetare Weltraummissionen brauchen, um neue Einblicke in das Sonnensystem zu gewinnen“, betont Co-Autor Hendrik Linz vom MPIA. „Darüber hinaus könnte der neue Algorithmus auf weitere Beobachtungen angewendet werden, die im elektronischen Datenarchiv der Europäischen Weltraumorganisation in großer Zahl gesammelt wurden. Wer weiß, welche Überraschung dort noch auf uns wartet?“
Mehr:
- Pressemitteilung: Herschel und die Uranmonde
- Neue Forschung: Herschel-PACS-Photometrie der fünf Hauptmonde des Uranus
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