Avlägset belägna Uranus och Neptunus – isjättarna i vårt solsystem – är lika mystiska som de är avlägsna. Strax efter lanseringen 2021, NASA:s rymdteleskop James Webb kommer att ändra på det genom att låsa upp hemligheterna i atmosfären på båda planeterna.

De kalla och avlägsna jätteplaneterna Uranus och Neptunus har smeknamnen "isjättarna" eftersom deras inredning skiljer sig från Jupiter och Saturnus. som är rikare på väte och helium, och är kända som "gasjättarna". Isjättarna är också mycket mindre än sina gasformiga kusiner, är mellanstor i storlek mellan jordiska planeter och gasjättarna. De representerar den minst utforskade kategorin av planeter i vårt solsystem. Forskare som använder Webb planerar att studera cirkulationsmönstren, Uranus och Neptunus kemi och väder på ett sätt som bara Webb kan.

"Det viktigaste som Webb kan göra det är mycket, mycket svårt att åstadkomma från någon annan anläggning är att kartlägga deras atmosfäriska temperatur och kemiska struktur, " förklarade studiens ledare, Leigh Fletcher, en docent i planetvetenskap vid University of Leicester i Storbritannien. "Vi tror att isjättarnas väder och klimat kommer att ha en fundamentalt annorlunda karaktär jämfört med gasjättarna. Det beror delvis på att de är så långt borta från solen, de är mindre i storlek och roterar långsammare på sina axlar, men också för att blandningen av gaser och mängden atmosfärisk blandning är mycket annorlunda jämfört med Jupiter och Saturnus."

Alla gaser i de övre atmosfärerna i Uranus och Neptunus har unika kemiska fingeravtryck som Webb kan upptäcka. Avgörande, Webb kan skilja en kemikalie från en annan. Om dessa kemikalier produceras av solljus som interagerar med atmosfären, eller om de omfördelas från plats till plats av storskaliga cirkulationsmönster, Webb kommer att kunna se det.

Dessa studier kommer att genomföras genom ett program med garanterade tidsobservationer (GTO) av solsystemet som leds av Heidi Hammel, en planetforskare och Webb Interdisciplinary Scientist. Hon är också vicepresident för vetenskap vid Association of Universities for Research in Astronomy (AURA) i Washington, D.C. Hammels program kommer att demonstrera Webbs förmåga att observera solsystemobjekt och utöva några av Webbs specifika tekniker för objekt som är ljusa och/eller rör sig på himlen.

Uranus:Den lutande planeten

Till skillnad från de andra planeterna i vårt solsystem, Uranus – tillsammans med dess ringar och månar – tippas på sidan, roterar i ungefär en 90-graders vinkel från planet för sin omloppsbana. Detta gör att planeten ser ut att rulla som en boll runt solen. Den där konstiga orienteringen – som kan vara resultatet av en gigantisk kollision med en annan massiv protoplanet tidigt i solsystemets bildande – ger upphov till extrema årstider på Uranus.

När NASA:s rymdfarkost Voyager 2 flög förbi Uranus 1986, en pol pekade direkt mot solen. "Oavsett hur mycket Uranus skulle snurra, Hammel förklarade, "den ena halvan var i fullständigt solljus hela tiden, och den andra hälften var i totalt mörker. Det är det galnaste du kan föreställa dig."

En besvikelse, Voyager 2 såg bara en slät planet med biljardboll täckt av dis, med bara en knapp handfull moln. Men när Hubble såg Uranus i början av 2000-talet, planeten hade färdats en fjärdedel av vägen runt i sin bana. Now the equator was pointed at the Sun, and the entire planet was illuminated over the course of a Uranian day.

"Theory told us nothing would change, " said Hammel, "But the reality was that Uranus started sprouting up all kinds of bright clouds, and a dark spot was discovered by Hubble. The clouds seemed to be changing dramatically in response to the immediate change in sunlight as the planet traveled around the Sun."

As the planet continues its slow orbital trek, it will point its other pole at the Sun in 2028.

Webb will give insight into the powerful seasonal forces driving the formation of its clouds and weather, and how this is changing with time. It will help determine how energy flows and is transported through the Uranian atmosphere. Scientists want to watch Uranus throughout Webb's life, to build up a timeline of how the atmosphere responds to the extreme seasons. That will help them understand why this planet's atmosphere seems to go through periods of intense activity punctuated by moments of calm.

Neptune:A World of Supersonic Winds

Neptune is a dark, cold world, yet it is whipped by supersonic winds that can reach up 1, 500 miles per hour. More than 30 times as far from the Sun as Earth, Neptune is the only planet in our solar system not visible to the naked eye. Its existence was predicted by mathematics before its discovery in 1846. In 2011, Neptune completed its first 165-year orbit since its discovery.

Like Uranus, this ice giant's very deep atmosphere is made of a thick soup of water, ammoniak, hydrogen sulfide and methane over an unknown and inaccessible interior. The accessible upper layers of the atmosphere are made of hydrogen, helium and methane. As with Uranus, the methane gives Neptune its blue color, but some still-mysterious atmospheric chemistry makes Neptune's blue a bit more striking than that of Uranus.

"It's the same question here:How does energy flow and how is it transported through a planetary atmosphere?" explained Fletcher. "Men i det här fallet, unlike Uranus, the planet has a strong internal heat source. That heat source generates some of the most powerful winds and the most short-lived atmospheric vortices and cloud features of anywhere in the solar system. If we look at Neptune from night to night, its face is always shifting and changing as these clouds are stretched and pulled and manipulated by the underlying wind field."

Following the 1989 Voyager 2 flyby of Neptune, scientists discovered a bright, hot vortex—a storm—at the planet's south pole. Because the temperature there is higher than everywhere else in the atmosphere, this region is likely associated with some unique chemistry. Webb's sensitivity will allow scientists to understand the unusual chemical environment within that polar vortex.

Just the Beginning

Fletcher advises to be prepared for seeing phenomena on Uranus and Neptune that are totally unlike what we've witnessed in the past. "Webb really has the capability to see the ice giants in a whole new light. But to understand the continual atmospheric processes that are shaping these giant planets, you really need more than just a couple of samples, " he said. "So we compare Jupiter to Saturn to Uranus to Neptune, and by that, we build up a wider picture of how atmospheres work in general. This is the beginning of understanding how these worlds are changing with time."

Hammel added, "We now know of hundreds of exoplanets—planets around other stars—of the size of our local ice giants. Uranus and Neptune provide us ground truth for studies of these newly discovered worlds."

Rymdteleskopet James Webb kommer att vara världens främsta rymdforskningsobservatorium när det lanseras 2021. Webb kommer att lösa mysterier i vårt solsystem, se bortom till avlägsna världar runt andra stjärnor, och undersöka de mystiska strukturerna och ursprunget till vårt universum och vår plats i det. Webb är ett internationellt program som leds av NASA med sina partners, ESA (European Space Agency) och Canadian Space Agency.