Met behulp van de Hubble ruimtetelescoop om de vier grootste manen van Uranus te bestuderen, heeft een team astronomen gezocht naar tekenen van interactie tussen de magnetische omgeving van Uranus en de oppervlakken van de manen. Ze gingen op zoek naar bewijzen voor een bepaalde hypothese, maar bij het analyseren van hun gegevens kwamen ze op een heel andere hypothese uit. Alleen dankzij de unieke mogelijkheden van de Hubble-telescoop kon het team deze verrassende ontdekking doen.
Wetenschappers die NASA's Hubble ruimtetelescoop gebruikten, gingen op zoek naar bewijs voor het ene fenomeen en vonden een heel ander. Het onderzoeksteam bestudeerde de vier grootste manen van de ijsreus Uranus, de zevende planeet vanaf onze zon, op zoek naar tekenen van interactie tussen de magnetosfeer van Uranus en de oppervlakken van de manen. (Een magnetosfeer is een gebied rond een hemellichaam waar deeltjes met een elektrische lading worden beïnvloed door het magnetische veld van het astronomische object). Het team voorspelde met name dat, op basis van interacties met de magnetosfeer van Uranus, de ‘leidende’ zijden van deze tidally locked manen, die altijd in dezelfde richting wijzen als waarin ze rond de planeet draaien, helderder zouden zijn dan de ‘leidende’ zijden, die altijd van de planeet af wijzen. Dit zou komen doordat de achterste zijden donkerder worden door straling van geladen deeltjes, zoals elektronen die vastzitten in de magnetosfeer van Uranus. In plaats daarvan vonden ze geen bewijs voor verduistering van de achterste zijden van de manen en duidelijk bewijs voor verduistering van de voorste zijden van de buitenste manen. Dit verraste het team en wijst erop dat de magnetosfeer van Uranus mogelijk niet veel interactie heeft met zijn grote manen, wat in tegenspraak is met bestaande gegevens die zijn verzameld op nabije-infrarode golflengten. Het scherpe ultraviolette zicht en de spectroscopische mogelijkheden van de Hubble-telescoop waren van cruciaal belang om het team in staat te stellen de oppervlakteomstandigheden op deze manen te onderzoeken en de verrassende ontdekking te doen.
De gecompliceerde magnetische omgeving van ‘vreemde’ Uranus
De vier manen in dit onderzoek - Ariel, Umbriel, Titania en Oberon - zijn tidally locked aan Uranus, zodat ze altijd dezelfde kant aan de planeet laten zien. De kant van de maan die naar de reisrichting is gericht, wordt het voorste halfrond genoemd, terwijl de kant die naar achteren is gericht het achterste halfrond wordt genoemd. De gedachte was dat geladen deeltjes die langs de magnetische veldlijnen gevangen zitten vooral de achterkant van de maan raken, waardoor die hemisfeer donkerder wordt. “Uranus is vreemd, dus het is altijd onzeker geweest in hoeverre het magnetische veld daadwerkelijk interageert met zijn satellieten,” legt hoofdonderzoeker Richard Cartwright van het Applied Physics Laboratory van de Johns Hopkins University uit. "Om te beginnen is Uranus 98 graden gekanteld ten opzichte van de ecliptica. Dit betekent dat Uranus dramatisch gekanteld is ten opzichte van het baanvlak van de planeten. Hij rolt heel langzaam op zijn kant rond de zon terwijl hij zijn baan van 84 aardjaren afwerkt.
"Toen de Voyager 2 voorbij vloog, was de magnetosfeer van Uranus ongeveer 59 graden gekanteld ten opzichte van het baanvlak van de satellieten. Er is dus een extra kanteling van het magnetische veld," legt Cartwright uit. Omdat Uranus en zijn magnetische veldlijnen sneller draaien dan de manen om de planeet draaien, vegen de magnetische veldlijnen voortdurend langs de manen. Als de magnetosfeer van Uranus in wisselwerking staat met zijn manen, zouden geladen deeltjes bij voorkeur het oppervlak van de achterste zijden moeten raken. Deze geladen deeltjes en de kosmische straling van ons melkwegstelsel zouden de achterste hemisferen van Ariel, Umbriel, Titania en Oberon donkerder moeten maken en mogelijk het kooldioxide genereren dat op deze manen is aangetroffen. Het team verwachtte dat, vooral voor de binnenste manen Ariel en Umbriel, de achterste hemisferen donkerder zouden zijn dan de voorste zijden in ultraviolette en zichtbare golflengten. Maar dat is niet wat ze vonden. In plaats daarvan zijn de voorste en achterste hemisferen van Ariel en Umbriel vrijwel even helder. De onderzoekers zagen echter wel een verschil tussen de hemisferen van de twee buitenste manen, Titania en Oberon - niet de manen die ze verwachtten.
Als insecten op een voorruit
Nog vreemder was dat het verschil in helderheid het tegenovergestelde was van wat ze verwachtten. De twee buitenste manen hebben donkerdere en rodere voorste hemisferen vergeleken met hun achterste hemisferen. Het team denkt dat stof van enkele onregelmatige satellieten van Uranus de voorste zijden van Titania en Oberon bedekt. Onregelmatige satellieten zijn natuurlijke lichamen met grote, excentrische en schuine banen ten opzichte van het equatoriale vlak van hun moederplaneet. Micrometeorieten slaan voortdurend in op de oppervlakken van de onregelmatige satellieten van Uranus, waardoor kleine stukjes materiaal in een baan rond de planeet worden geworpen. In de loop van miljoenen jaren beweegt dit stoffige materiaal zich in de richting van Uranus en kruist uiteindelijk de banen van Titania en Oberon. Deze buitenste manen vegen door het stof en pikken het voornamelijk op aan hun voorste hemisferen, die naar voren gericht zijn. Het is te vergelijken met insecten die de voorruit van je auto raken als je over de snelweg rijdt.
Dit materiaal zorgt ervoor dat Titania en Oberon donkerdere en rodere voorste hemisferen hebben. Deze buitenste manen schermen de binnenste manen Ariel en Umbriel effectief af van het stof, waardoor de hemisferen van de binnenste manen geen verschil in helderheid vertonen. “We zien hetzelfde gebeuren in het Saturnusstelsel en waarschijnlijk ook in het Jupiterstelsel,” zegt medeonderzoeker Bryan Holler van het Space Telescope Science Institute. “Dit is het eerste bewijs dat we zien van een soortgelijke materiaaluitwisseling tussen de Uraanse satellieten.” “Dus dat ondersteunt een andere verklaring,” zei Cartwright. "Dat is stof verzamelen. Ik had niet eens verwacht dat ik op die hypothese zou ingaan, maar je weet dat gegevens je altijd verrassen." Op basis van deze bevindingen vermoeden Cartwright en zijn team dat de magnetosfeer van Uranus vrij rustig kan zijn, of gecompliceerder dan eerder werd gedacht. Misschien vinden er wel interacties plaats tussen de manen en de magnetosfeer van Uranus, maar om de een of andere reden veroorzaken die geen asymmetrie in de voorste en achterste hemisfeer, zoals onderzoekers vermoedden. Het antwoord zal verder onderzoek vereisen naar het raadselachtige Uranus, zijn magnetosfeer en zijn manen.
Uniek ultraviolet zicht van Hubble
Om de helderheid van de vier grootste Uraanse manen te observeren, hadden de onderzoekers de unieke ultravioletcapaciteiten van de Hubble-telescoop nodig. Het is vanaf de grond niet mogelijk om doelen in ultraviolet licht waar te nemen vanwege de filterende effecten van de beschermende atmosfeer van de aarde. Geen enkele andere hedendaagse ruimtetelescoop heeft een vergelijkbaar ultraviolet zicht en scherpte. “De Hubble-telescoop is met zijn ultraviolet vermogen de enige faciliteit die onze hypothese kon testen”, aldus Christian Soto van het Space Telescope Science Institute, die een groot deel van de gegevensextractie en -analyse voor zijn rekening nam. Soto presenteerde de resultaten van dit onderzoek op 10 juni tijdens de 246e bijeenkomst van de American Astronomical Society in Anchorage, Alaska. Aanvullende gegevens van NASA's James Webb ruimtetelescoop zullen bijdragen aan een beter begrip van het Uraanse satellietsysteem en de interacties met de magnetosfeer van de planeet.
De Hubble-ruimtetelescoop is al meer dan drie decennia in bedrijf en doet nog steeds baanbrekende ontdekkingen die ons fundamentele begrip van het heelal vormgeven. Hubble is een project van internationale samenwerking tussen NASA en ESA (European Space Agency). NASA's Goddard Space Flight Center in Greenbelt, Maryland, beheert de telescoop en de missieoperaties. Lockheed Martin Space, gevestigd in Denver, ondersteunt ook de missieactiviteiten op Goddard. Het Space Telescope Science Institute in Baltimore, dat wordt beheerd door de Association of Universities for Research in Astronomy, voert de Hubble-wetenschapsactiviteiten uit voor NASA.
Bron: NASA/Hubble
