För mer än 230 år sedan upptäckte astronomen William Herschel planeten Uranus och två av dess månar. Med hjälp av Herschel Space Observatory, en grupp astronomer under ledning av Örs H. Detre från Max Planck Institute for Astronomy har nu lyckats bestämma fysikaliska egenskaper hos Uranus fem huvudmånar. Den uppmätta infraröda strålningen, som genereras av att solen värmer deras ytor, antyder att dessa månar liknar dvärgplaneter som Pluto. Teamet utvecklade en ny analysteknik som extraherade de svaga signalerna från månarna bredvid Uranus, som är mer än tusen gånger ljusare. Studien publicerades idag i tidskriften Astronomi &Astrofysik .

För att utforska de yttre delarna av solsystemet, rymdsonder som Voyager 1 och 2, Cassini-Huygens och New Horizons skickades på långa expeditioner. Nu en tysk-ungersk forskargrupp, ledd av Örs H. Detre från Max Planck Institute for Astronomy (MPIA) i Heidelberg, visar att med lämplig teknik och uppfinningsrikedom, intressanta resultat kan också uppnås med observationer på långt håll.

Forskarna använde data från Herschel Space Observatory, som sattes in mellan 2009 och 2013 och i vars utveckling och drift MPIA också var väsentligt involverad. Jämfört med sina föregångare som täckte ett liknande spektralområde, observationerna av detta teleskop var betydligt skarpare. Den fick sitt namn efter astronomen William Herschel, som hittade infraröd strålning år 1800. Några år tidigare, han upptäckte också planeten Uranus och två av dess månar (Titania och Oberon), som nu har utforskats mer i detalj tillsammans med tre andra månar (Miranda, Ariel och Umbriel).

"Faktiskt, vi utförde observationerna för att mäta inverkan av mycket ljusa infraröda källor som Uranus på kameradetektorn, " förklarar medförfattaren Ulrich Klaas, som ledde arbetsgruppen för PACS-kameran vid Herschel Space Observatory vid MPIA som bilderna togs med. "Vi upptäckte månarna bara av en slump som ytterligare noder i planetens extremt ljusa signal." PACS-kameran, som utvecklades under ledning av Max Planck Institute for Extraterrestrial Physics (MPE) i Garching, var känslig för våglängder mellan 70 och 160 µm. Detta är mer än hundra gånger större än våglängden för synligt ljus. Som ett resultat, bilderna från det lika stora rymdteleskopet Hubble är ungefär hundra gånger skarpare.

Kalla föremål strålar mycket starkt i detta spektralområde, som Uranus och dess fem huvudmånar, som – uppvärmd av solen – når temperaturer mellan cirka 60 och 80 K (–213 till –193 °C).

"Tidpunkten för observationen var också en lyckoträff, " förklarar Thomas Müller från MPE. Uranus rotationsaxel, och därmed också månarnas omloppsplan, är ovanligt lutande mot sin bana runt solen. Medan Uranus kretsar runt solen i flera decennier, det är främst antingen norra eller södra halvklotet som är upplyst av solen. "Under observationerna, dock, läget var så gynnsamt att ekvatorialregionerna gynnades av solinstrålningen. Detta gjorde det möjligt för oss att mäta hur väl värmen hålls kvar i en yta när den rör sig till nattsidan på grund av månens rotation. Detta lärde oss mycket om materialets natur, " förklarar Müller, som beräknade modellerna för denna studie. Från detta härledde han månarnas termiska och fysikaliska egenskaper.

När rymdsonden Voyager 2 passerade Uranus 1986, konstellationen var mycket mindre gynnsam. De vetenskapliga instrumenten kunde bara fånga sydpolområdena i Uranus och månarna.

Müller fann att dessa ytor lagrar värme oväntat bra och kyls ner relativt långsamt. Astronomer känner till detta beteende från kompakta föremål med en grov, isig yta. Det är därför som forskarna antar att dessa månar är himlakroppar som liknar dvärgplaneterna i utkanten av solsystemet, som Pluto eller Haumea. Oberoende studier av några av de yttre, oregelbundna uraniska månar, som också är baserade på observationer med PACS/Herschel, indikerar att de har olika termiska egenskaper. Dessa månar visar egenskaper hos de mindre och löst bundna transneptuniska objekten, som ligger i en zon bortom planeten Neptunus. "Detta skulle också passa med spekulationerna om ursprunget till de oregelbundna månarna, " tillägger Müller. "På grund av deras kaotiska banor, det antas att de tillfångatogs av Uran-systemet först vid ett senare tillfälle."

Dock, de fem huvudmånarna förbises nästan. Särskilt, mycket ljusa föremål som Uranus genererar starka artefakter i PACS/Herschel-data, vilket gör att en del av det infraröda ljuset i bilderna fördelas över stora ytor. Detta märks knappast när man observerar svaga himmelska föremål. Med Uranus, dock, det är ännu mer uttalat. "Månarna, som är mellan 500 och 7400 gånger svagare, befinner sig på så litet avstånd från Uranus att de smälter samman med de lika ljusa artefakterna. Bara de ljusaste månarna, Titania och Oberon, sticker ut lite från den omgivande bländningen, Medförfattaren Gábor Marton från Konkoly Observatory i Budapest beskriver utmaningen.

Denna oavsiktliga upptäckt sporrade Örs H. Detre att göra månarna mer synliga så att deras ljusstyrka kunde mätas tillförlitligt. "I liknande fall, som sökandet efter exoplaneter, vi använder koronagrafer för att maskera deras ljusa centrala stjärna, " Detre förklarar. "Herschel hade inte en sådan enhet. Istället, vi drog fördel av den enastående fotometriska stabiliteten hos PACS-instrumentet." Baserat på denna stabilitet och efter att ha beräknat månarnas exakta positioner vid tidpunkten för observationerna, han utvecklade en metod som gjorde att han kunde ta bort Uranus från data. "Vi blev alla förvånade när fyra månar tydligt dök upp på bilderna, och vi kunde till och med upptäcka Miranda, den minsta och innersta av de fem största uraniska månarna, " avslutar Detre.

"Resultatet visar att vi inte alltid behöver utarbetade planetariska rymduppdrag för att få nya insikter om solsystemet, " medförfattare Hendrik Linz från MPIA påpekar. "Dessutom, den nya algoritmen skulle kunna tillämpas på ytterligare observationer som har samlats in i ett stort antal i det elektroniska dataarkivet från Europeiska rymdorganisationen ESA. Vem vet vilken överraskning som fortfarande väntar på oss där?"