Уран и Нептун – самые удалённые от Солнца планеты. Их называют «ледяными гигантами», они существенно отличаются по составу от Юпитера и Сатурна, известных как «газовые гиганты», которые богаче водородом и гелием. Размер ледяных гигантов существенно меньше, чем у их газовых «двоюродных братьев». Они занимают промежуточное положение между планетами земного типа и газовыми гигантами. Ледяные гиганты - самая малоизученная категория планет в нашей солнечной системе. С помощью телескопа «Уэбб», учёные планируют изучать циркуляцию атмосферы, химический состав и погодные условия на Уране и Нептуне.
«То, что может сделать «Уэбб», очень трудно сделать с помощью любого другого приспособления, - пояснил руководитель исследований Ли Флетчер, доцент кафедры планетологии в Университете Лестера в Соединенном Королевстве. – Главным образом, это карта температур и химической структуры атмосферы. Мы думаем, что погода и климат ледяных гигантов будут иметь принципиально иной характер, нежели у газовых гигантов. Отчасти потому, что они так далеко от Солнца, меньше по размеру и медленнее вращаются вокруг своей оси, но также потому, что смесь газов и состав атмосферы очень отличается от Юпитера и Сатурна "
Все газы в верхних слоях атмосферы Урана и Нептуна имеют уникальные химические «отпечатки», которые «Уэбб» может определить, отличить одно химическое вещество от другого. Если эти химические вещества вырабатываются в результате взаимодействия солнечного света с атмосферой, или если они перемещаются с места на место согласно крупномасштабным схемам циркуляции, это можно будет увидеть.
Эти исследования будут проводиться в рамках программы Guaranteed Time Observations (GTO) Солнечной системы, которую возглавляет Хайди Хаммель, ученый-планетолог и междисциплинарный ученый обсерватории «Уэбб». Она также является вице-президентом по науке в Ассоциации университетов по исследованию астрономии (AURA) в Вашингтоне, округ Колумбия. Программа Хэммел продемонстрирует возможности «Уэбба» для наблюдения за объектами солнечной системы и применения некоторых специфических методов наблюдения за яркими и / или движущимися по небу объектами.
Уран отличается от других планет в нашей солнечной системе, тем, что ось его вращения очень сильно наклонена к плоскости орбиты. Плоскость вращения вокруг своей оси пересекается с плоскостью орбиты под углом почти 90 градусов. Он практически лежит на боку и как мячик катается вокруг Солнца вместе со всеми своими кольцами и лунами. Эта странная ориентация – скорее всего результат гигантского столкновения с другой массивной протопланетой в начале формирования солнечной системы. Из-за этого с временами года здесь всё очень экстремально.
Когда космический корабль НАСА Voyager 2 пролетел над Ураном в 1986 году, один из полюсов указывал пр\ямо на Солнце, так что смены дня и ночи не происходило. «Как бы уран не вращался, - объяснила Хаммель, - одна половина всегда была освещена Солнцем, а другая всегда находилась в полной темноте. Это самая безумная вещь, которую вы можете себе представить».
К разочарованию исследователей, «Вояджер-2» увидел только гладкую как бильярдный шар планету, подёрнутую лёгкой дымкой, с небольшими пятнышками облаков. Но когда Хаббл наблюдал за Ураном в начале 2000-х годов, планета прошла четверть пути вокруг своей орбиты. Теперь экватор был направлен на Солнце, и в течение уранианских суток планета успевала подставить под освещения все свои бока.
«Теоретически ничего не должно было измениться, - сказала Хаммель, - но в действительности на Уране начали разрастаться всевозможные яркие облака, и Хаббл обнаружил темное пятно. Облака, казалось, резко менялись в ответ на немедленные изменения в солнечном освещении, когда планета путешествовала вокруг Солнца ".
Эти снимки космического телескопа «Хаббл» показывают разные образы Урана. Слева, на снимке, сделанном 2005 году видна кольцевая система. Плоскость вращения пересекается с плоскостью орбиты под углом примерно 90 градусов. На снимке Хаббла, сделанном всего год спустя, видна полосчатая структура и таинственный темный шторм.
Планета продолжает свой медленный орбитальный путь и направит другой полюс на Солнце в 2028 году.
«Уэбб» даст информацию о мощных сезонных силах, формирующих облака и погоду на Уране, и о том, какие изменения происходят со временем, поможет установить, как движется и передаётся энергия в атмосфере Урана. Ученые собираются наблюдать Уран, пока существует «Уэбб», чтобы построить график того, как атмосфера реагирует на смену времени года. Атмосфера планеты, по всей видимости, проходит периоды интенсивной активности, перемежающейся моментами спокойствия. Регулярные наблюдения в течение длительного периода помогут объяснить это явление.
Нептун - темный, холодный мир, но он пронизан ветрами, которые мчаться со сверхзвуковой скоростью (до 1500 миль в час). Нептун находится в 30 раз дальше от Солнца, чем Земля, и является единственной планетой в нашей солнечной системе, невидимой невооруженным глазом. Его существование было вычислено с помощью математической модели до того, как его удалось разглядеть в 1846 году. В 2011 году Нептун завершил свой первый с момента открытия полный оборот вокруг Солнца. На это ушло 165 лет.
Как и на Уране, глубокие слои атмосферы Нептуна представляют собой густой суп из воды, аммиака, сероводорода и метана. Что находится ниже, никому не известно. Доступные верхние слои атмосферы состоят из водорода, гелия и метана. Как и в случае с Ураном, метан придает Нептуну синий цвет, но некоторые все еще загадочные химические свойства атмосферы делают оттенок Нептуна немного более ярким, чем у Урана.
«Здесь тот же вопрос: как перетекает энергия и как она переносится в планетарной атмосфере? - объясняет Флетчер. - Но, в отличие от Урана, на Нептуне есть сильный внутренний источник тепла. Этот источник тепла генерирует более мощные ветры, более недолговечные атмосферные вихри и облачные структуры, чем где бы то ни было в Солнечной системе. Если наблюдать Нептун из ночи в ночь, то видно, как его облик постоянно меняется, поскольку облака растягиваются под влиянием нижележащим атмосферных фронтов».
После того как в 1989 году Voyager 2 пролетел Нептун,ученые обнаружили яркий, горячий вихрь - шторм - на южном полюсе планеты. Поскольку температура там выше, чем где-либо еще в атмосфере планеты, эта область, вероятно, обладает какими-то уникальными химическими особенностями. Чувствительность «Уэбба» позволит ученым понять, что за необычная химическая среда внутри этого полярного вихря.
Флетчер советует готовиться к тому, что на Уране и Нептуне обнаружатся явления, которые совершенно не похожи на те, что мы наблюдали в прошлом. «У «Уэбба» действительно есть возможность видеть ледяные гиганты в совершенно новом свете. Но чтобы понять непрерывные атмосферные процессы, которые формируют эти гигантские планеты, вам нужно нечто большее, чем просто пара образцов, - сказал он. -Таким образом, мы сравниваем Юпитер с Сатурном, Уран и Нептун, и благодаря этому мы строим более широкую картину того, как атмосфера работает в целом. Это начало понимания того, как эти миры меняются со временем».
Хаммель добавила: «Теперь мы знаем о сотнях экзопланет вокруг других звезд размером с наших местных ледяных гигантов. Уран и Нептун предоставляют нам базу для изучения этих недавно открытых миров».
Космический телескоп «Джеймса Уэбб» начнёт свою работу в качестве научной космической обсерватории в 2021 году. Он будет разгадывать загадки Солнечной системе, заглядывать в далекие миры вокруг иных звезд и исследовать таинственные структуры космоса, изучать проблемы происхождения Вселенной и нашего места в ней. Это международная программа, возглавляемая НАСА с ее партнерами, Европейским космическим агентством (ESA) и Канадским космическим агентством.
