Por qué Urano y Neptuno tienen colores diferentes

Neptuno y Urano tienen mucho en común -tienen masas, tamaños y composiciones atmosféricas similares- pero su apariencia es notablemente diferente. En las longitudes de onda visibles, Neptuno tiene un color claramente más azul, mientras que Urano tiene un tono pálido de cian. Los astrónomos tienen ahora una explicación de por qué los dos planetas tienen colores diferentes.

Una nueva investigación sugiere que una capa de neblina concentrada que existe en ambos planetas es más gruesa en Urano que una capa similar en Neptuno y «blanquea» la apariencia de Urano más que la de Neptuno [1]. Si no hubiera neblina en las atmósferas de Neptuno y Urano, ambos se verían casi igual de azules [2].

Esta conclusión proviene de un modelo [3] que un equipo internacional dirigido por Patrick Irwin, catedrático de Física Planetaria de la Universidad de Oxford, desarrolló para describir las capas de aerosol en las atmósferas de Neptuno y Urano [4]. Las investigaciones anteriores sobre las atmósferas superiores de estos planetas se habían centrado en el aspecto de la atmósfera sólo en determinadas longitudes de onda. Sin embargo, este nuevo modelo, que consiste en múltiples capas atmosféricas, coincide con las observaciones de ambos planetas en una amplia gama de longitudes de onda. El nuevo modelo también incluye partículas de neblina dentro de las capas más profundas que anteriormente se creía que sólo contenían nubes de hielos de metano y sulfuro de hidrógeno.

«Este es el primer modelo que se ajusta simultáneamente a las observaciones de la luz solar reflejada desde el ultravioleta hasta las longitudes de onda del infrarrojo cercano», explicó Irwin, que es el autor principal de un artículo que presenta este resultado en la revista Journal of Geophysical Research: Planets. «También es el primero en explicar la diferencia de color visible entre Urano y Neptuno».

El modelo del equipo consiste en tres capas de aerosoles a diferentes alturas [5]. La capa clave que afecta a los colores es la capa intermedia, que es una capa de partículas de neblina (denominada en el documento capa de Aerosol-2) que es más gruesa en Urano que en Neptuno. El equipo sospecha que, en ambos planetas, el hielo de metano se condensa en las partículas de esta capa, arrastrando las partículas hacia el interior de la atmósfera en una lluvia de nieve de metano. Dado que Neptuno tiene una atmósfera más activa y turbulenta que Urano, el equipo cree que la atmósfera de Neptuno es más eficiente a la hora de agitar las partículas de metano en la capa de neblina y producir esta nieve. Esto elimina más bruma y mantiene la capa de bruma de Neptuno más delgada que en Urano, lo que significa que el color azul de Neptuno se ve más fuerte.

«Esperábamos que el desarrollo de este modelo nos ayudara a entender las nubes y brumas en las atmósferas de los gigantes de hielo», comentó Mike Wong, astrónomo de la Universidad de California en Berkeley y miembro del equipo que está detrás de este resultado. «¡Explicar la diferencia de color entre Urano y Neptuno fue un plus inesperado!».

Para crear este modelo, el equipo de Irwin analizó un conjunto de observaciones de los planetas que abarcaban las longitudes de onda ultravioleta, visible e infrarroja cercana (de 0,3 a 25 micrómetros) tomadas con el Espectrómetro de Campo Integral del Infrarrojo Cercano (NIFS) en el telescopio Gemini North, cerca de la cima de Maunakea, en Hawai, que forma parte del Observatorio Gemini internacional, un programa del NOIRLab de la NSF, así como datos de archivo de la Instalación del Telescopio Infrarrojo de la NASA, también situada en Hawai, y del Telescopio Espacial Hubble de la NASA/ESA.

El instrumento NIFS de Gemini North fue particularmente importante para este resultado, ya que es capaz de proporcionar espectros -medidas de la luminosidad de un objeto en diferentes longitudes de onda- para cada punto de su campo de visión. Esto proporcionó al equipo mediciones detalladas del grado de reflexión de las atmósferas de ambos planetas tanto en el disco completo del planeta como en un rango de longitudes de onda del infrarrojo cercano.

«Los observatorios Gemini siguen aportando nuevos conocimientos sobre la naturaleza de nuestros vecinos planetarios», dijo Martin Still, responsable del programa Gemini en la National Science Foundation. «En este experimento, Gemini Norte proporcionó un componente dentro de un conjunto de instalaciones terrestres y espaciales críticas para la detección y caracterización de las brumas atmosféricas».

El modelo también ayuda a explicar las manchas oscuras que son ocasionalmente visibles en Neptuno y menos comúnmente detectadas en Urano. Aunque los astrónomos ya eran conscientes de la presencia de manchas oscuras en las atmósferas de ambos planetas, no sabían qué capa de aerosol causaba estas manchas oscuras ni por qué los aerosoles de esas capas eran menos reflectantes. La investigación del equipo arroja luz sobre estas cuestiones al demostrar que un oscurecimiento de la capa más profunda de su modelo produciría manchas oscuras similares a las observadas en Neptuno y quizá en Urano.

Notas

[1] Este efecto de blanqueamiento es similar a la forma en que las nubes en las atmósferas de los exoplanetas opacan o «aplanan» las características en los espectros de los exoplanetas.

[2] Los colores rojos de la luz solar dispersados por la bruma y las moléculas de aire son más absorbidos por las moléculas de metano en la atmósfera de los planetas. Este proceso, conocido como dispersión Rayleigh, es lo que hace que los cielos sean azules aquí en la Tierra (aunque en la atmósfera terrestre la luz solar es dispersada principalmente por las moléculas de nitrógeno y no por las de hidrógeno). La dispersión de Rayleigh se produce sobre todo en las longitudes de onda más cortas y azules.

[3] Un aerosol es una suspensión de gotas o partículas finas en un gas. Los ejemplos más comunes en la Tierra son la niebla, el hollín, el humo y el vaho. En Neptuno y Urano, las partículas producidas por la interacción de la luz solar con los elementos de la atmósfera (reacciones fotoquímicas) son las responsables de las brumas de aerosol en las atmósferas de estos planetas.

[4] Un modelo científico es una herramienta computacional utilizada por los científicos para probar predicciones sobre un fenómeno que sería imposible de realizar en el mundo real.

[5] La capa más profunda (denominada en el documento capa Aerosol-1) es gruesa y está compuesta por una mezcla de hielo de sulfuro de hidrógeno y partículas producidas por la interacción de las atmósferas de los planetas con la luz solar. La capa superior es una capa extendida de neblina (la capa Aerosol-3) similar a la capa media pero más tenue. En Neptuno, también se forman grandes partículas de hielo de metano por encima de esta capa.