เหตุใดยูเรนัสและเนปจูนจึงมีเฉดสีที่ต่างกัน

 

ซ้าย:  ภาพยูเรนัสจากกล้องฮับเบิลเพื่อวันที่ 25 ตุลาคม 2021 นำหมวกคลุมขั้วเหนือ(northern polar hood) สว่างของดาวเคราะห์มาให้เห็นอย่างชัดเจน ขวา: ภาพเนปจูนจากกล้องฮับเบิลเมื่อวันที่ 7 กันยายน 2021 แสดงรายละเอียดจุดมืดและซีกโลกเหนือเนปจูนที่มืดลง

     ขณะนี้ นักดาราศาสตร์อาจจะทราบแล้วว่าเพราะเหตุใด ยูเรนัสและเนปจูน จึงมีสีที่แตกต่างกัน ด้วยการสำรวจจากกล้องโทรทรรศน์อวกาศฮับเบิล เช่นเดียวกับจากกล้องโทรทรรศน์เจมิไนเหนือและ NASA Infrared Telescope Facility นักวิจัยได้พัฒนาแบบจำลองชั้นบรรยากาศชิ้นหนึ่งซึ่งสอดคล้องกับการสำรวจดาวเคราะห์ทั้งสอง แบบจำลองเผยให้เห็นว่า หมอก(haze) บนยูเรนัสที่มีมากมายสะสมในชั้นบรรยากาศที่นิ่งสนิทของดาวเคราะห์ และทำให้มันมีโทนสีที่อ่อนกว่าเนปจูน

     เนปจูนและยูเรนัสมีความคล้ายกันมาก พวกมันมีมวล, ขนาด และองค์ประกอบในชั้นบรรยากาศที่เหมือนกัน แต่ลักษณะปรากฏของทั้งสองกลับแตกต่างกันอย่างเห็นได้ชัด ในช่วงความยาวคลื่นที่ตาเห็นได้ เนปจูนจะมีสีครามสด(azure) ในขณะที่ยูเรนัสมีสีฟ้าอมเขียว(cyan) ขณะนี้นักดาราศาสตร์มีคำอธิบายว่าเพราะเหตุใดดาวเคราะห์ทั้งสองจึงมีสีที่แตกต่างกัน

      งานวิจัยใหม่บอกว่า มีชั้นของหมอกที่หนาที่มีบนดาวเคราะห์ทั้งสอง แต่บนยูเรนัสจะหนาทึบกว่าบนเนปจูน ดังนั้นจึงเหมือน "ทาแป้ง” ให้กับยูเรนัสมากกว่าเนปจูน ถ้าไม่มีหมอกบนชั้นบรรยากาศยูเรนัสและเนปจูน ทั้งสองดวงก็น่าจะดูเป็นสีฟ้าในเฉดเดียวกันอันเป็นผลจากแสงสีฟ้าที่กระเจิงออกจากชั้นบรรยากาศของดาวเคราะห์ทั้งสอง

ยูเรนัสมีดวงจันทร์ 27 ดวงและวงแหวนที่พบแล้ว 13 วง เนปจูนมีวงแหวนเพียง 5 วง และดวงจันทร์ 14 ดวง แต่ดวงที่มีชื่อเสียงที่สุดก็คือ ไทรตอน(Triton)

     ข้อสรุปนี้มาจากแบบจำลองที่ทีมนานาชาติซึ่งนำโดย Patrick Irwin ศาสตราจารย์ด้านฟิสิกส์ดาวเคราะห์ ที่มหาวิทยาลัยออกฟอร์ด ได้พัฒนาขึ้นเพื่ออธิบายชั้นแอโรซอล(aerosol) ในชั้นบรรยากาศยูเรนัสและเนปจูน การสำรวจชั้นบรรยากาศส่วนบนของดาวเคราะห์ทั้งสองก่อนหน้านี้ มุ่งเป้าไปที่ลักษณะของชั้นบรรยากาศในช่วงความยาวคลื่นที่จำเพาะเท่านั้น อย่างไรก็ตาม แบบจำลองใหม่ประกอบด้วยชั้นในชั้นบรรยากาศมากมาย และสอดคล้องกับการสำรวจจากดาวเคราะห์ทั้งสอง ในช่วงความยาวคลื่นที่กว้าง แบบจำลองใหม่ยังรวมอนุภาคหมอกภายในเบื้องลึก ที่เคยคิดกันว่ามีแต่เพียงเมฆน้ำแข็งของมีเธนและไฮโดรเจนซัลไฟด์เท่านั้น

      นี่เป็นแบบจำลองงานใหม่ที่สอดคล้องการสำรวจแสงอาทิตย์ที่สะท้อนจากช่วงความยาวคลื่นอุลตราไวโอเลตจนถึงอินฟราเรดใกล้ ในทีเดียว Irwin ซึ่งเป็นผู้เขียนนำรายงานนี้ อธิบาย รายงานผลสรุปเผยแพร่ใน Journal of Geophysical Research: Planets วันที่ 23 พฤษภาคม ยังเป็นครั้งแรกที่ได้อธิบายความแตกต่างในช่วงตาเห็นระหว่างยูเรนัสและเนปจูนด้วย

     ก่อนหน้านี้ นักวิทยาศาสตร์บอกว่าเป็นมีเธนของเนปจูนที่ทำให้เนปจูนมีสีเข้ม เมื่อก๊าซดูดกลืนแสงสีแดงและสะท้อนแสงสีฟ้าออกมา แต่นักวิทยาศาสตร์ก็ต้องจนมุมว่าเกิดอะไรขึ้นบนยูเรนัส จากที่ยูเรนัสมีมีเธนในสัดส่วนสูงกว่า(2.3% โดยมวลในชั้นบรรยากาศ เทียบกับเนปจูนที่ 1.9%)

ยูเรนัสและเนปจูนมีความคล้ายคลึงในหลายประการ ทั้งขนาด และองค์ประกอบชั้นบรรยากาศ แต่สิ่งที่แตกต่างอย่างเด่นชัดก็คือ การโคจรรอบดวงอาทิตย์ ซึ่งยูเรนัสหมุนโดยกลิ้งไปข้างๆ 

      แบบจำลองของทีมมุ่งเป้าไปที่แอโรซอลหรืออนุภาคที่แขวนลอยในชั้นบรรยากาศ โดยบอกว่ามีแอโรซอล 3 ชั้นในระดับความสูงที่แตกต่างกัน ชั้นหลักที่ส่งผลต่อสีก็คือ ชั้นกลาง ซึ่งเป็นชั้นของอนุภาคหมอก(ในรายงานระบุว่าเป็น ชั้นแอโรซอล-2) ซึ่งบนยูเรนัสหนากว่าที่เนปจูน ทีมสงสัยว่า บนดาวเคราะห์ทั้งสอง มีเธนแข็งได้ควบแน่นกลายเป็นอนุภาคในชั้นนี้ ดึงอนุภาคให้จมลึกลงไปในชั้นบรรยากาศในรูปของละอองหิมะมีเธน

     เนื่องจากชั้นบรรยากาศเนปจูนปั่นป่วนและมีกิจกรรมมากกว่าชั้นบรรยากาศยูเรนัส ทีมเชื่อว่าชั้นบรรยากาศเนปจูนจึงมีประสิทธิภาพในการกวนอนุภาคมีเธนให้ลอยขึ้นมาสู่ชั้นหมอกนี้ และสร้างหิมะมีเธน ซึ่งจะกำจัดหมอกออกไปได้มากกว่าและทำให้หมอกของเนปจูนเบาบางกว่าบนยูเรนัส ผลที่ได้ก็คือ สีฟ้าของเนปจูนจะเข้มกว่า

     เราหวังว่าการพัฒนาแบบจำลองนี้น่าจะช่วยเราให้เข้าใจเมฆและหมอกในชั้นบรรยากาศดาวเคราะห์น้ำแข็งยักษ์ได้ Mike Wong นักดาราศาสตร์ที่มหาวิทยาลัยคาลิฟอร์เนีย เบิร์กลีย์ และสมาชิกทีมเบื้องหลังผลสรุปนี้ ให้ความเห็น การอธิบายความแตกต่างของสีระหว่างยูเรนัสและเนปจูนกลับเป็นโบนัสที่คาดไม่ถึง

แผนภาพแสดงชั้นของแอโรซอล 3 ชั้นในชั้นบรรยากาศของยูเรนัส และเนปจูนตามที่ทีมทำแบบจำลองไว้ ระดับความสูงของไดอะแกรมนี้ความดันเหนือ 10 บาร์ แอโรซอลชั้นลึกที่สุด(Aerosol-1) นั้นหนาแน่นและประกอบด้วยสารผสมระหว่างไฮโดรเจนซัลไฟด์แข็งและอนุภาคที่เกิดจากปฏิสัมพันธ์ของชั้นบรรยากาศดาวเคราะห์กับแสงอาทิตย์ ชั้นหลักที่ส่งผลต่อสีก็คือชั้นกลาง ซึ่งเป็นชั้นของอนุภาคหมอก(haze; ระบุในรายงานเป็น aerosol-2) ซึ่งบนยูเรนัสหนากว่าบนเนปจูน ทีมสงสัยว่ามีเธนแข็งได้ควบรวมกลายเป็นอนุภาคในชั้นหมอกนี้ และดึงอนุภาคให้จมลึกลงไปในชั้นบรรยากาศเป็นหิมะมีเธน เนื่องจากชั้นบรรยากาศเนปจูนมีพลวัตและความปั่นป่วนมากกว่า ทีมเชื่อว่าชั้นบรรยากาศเนปจูนจึงปั่นอนุภาคมีเธนขึ้นสู่ชั้นหมอกได้มีประสิทธิภาพสูงกว่า และสร้างหิมะได้มากกว่า ซึ่งจะช่วยขจัดหมอกออกไปได้ทำให้ชั้นหมอกของเนปจูนบางกว่าบนยูเรนัส สีฟ้าของเนปจูนจึงดูเข้มกว่า เหนือชั้นหมอกเป็นชั้นหมอกเบาบาง(aerosol-3) ซึ่งคล้ายกับชั้นกลางแต่เบาบางกว่ามาก บนเนปจูนอนุภาคมีเธนแข็งขนาดใหญ่ก็ก่อตัวเหนือชั้นนี้ด้วย

     เพื่อสร้างแบบจำลองนี้ ทีมวิเคราะห์ข้อมูลในคลังหลายปีจากกล้องฮับเบิล ข้อมูลสเปคตรัมที่ได้จาก STIS(Space Telescope Imaging Spectrograph) ของฮับเบิล ครอบคลุมช่วงความยาวคลื่นที่กว้างตั้งแต่อุลตราไวโอเลตผ่านช่วงตาเห็นและอินฟราเรด เมื่อรวมกับข้อมูลจากกล้องโทรทรรศน์ภาคพื้นดิน ทั้งการสำรวจใหม่จากกล้องเจมิไนเหนือ และข้อมูลในคลังของ Infrared Telescope Facility ซึ่งอยู่ที่ฮาวายทั้งสองแห่ง

     ไม่เพียงแต่ทีมจะสามารถตรวจสอบสเปคตรัมดาวเคราะห์ได้ แต่ยังใช้ภาพบางส่วนของฮับเบิลที่ถ่ายด้วยกล้องมุมกว้าง 3(WFC3) ของฮับเบิล ฮับเบิลได้ให้ภาพพายุในชั้นบรรยากาศที่เรียกว่า จุดมืด(dark spots) ซึ่งพบเห็นได้บ่อยบนเนปจูนและพบได้น้อยกว่าบนยูเรนัส ไม่เป็นที่ทราบอย่างแน่ชัดว่าชั้นในชั้นบรรยากาศส่วนใดที่เป็นสาเหตุของจุดมืด หรือเพราะเหตุใด แอโรซอลในชั้นเหล่านั้นจึงสะท้อนแสงได้น้อยลงจนทำให้ฮับเบิลได้เห็นพวกมัน แบบจำลองของทีมอธิบายสิ่งที่ทำให้จุดมีสีคล้ำ และเพราะเหตุใด พวกมันจึงตรวจจับบนยูเรนัสได้ง่ายกว่าบนเนปจูน

ภาพยูเรนัสในช่วงอินฟราเรด(1.6 และ 2.2 ไมครอน) ถ่ายเมื่อวันที่ 6 สิงหาคม 2014 แสดงพายุขนาดใหญ่มากลูกหนึ่งบนดาวเคราะห์

      ผู้เขียนคิดว่าชั้นแอโรซอลในชั้นที่ลึกที่สุดในแบบจำลองมีสีคล้ำลง น่าจะสร้างจุดมืดที่คล้ายกับที่เห็นบนเนปจูนและบางทีอาจจะบนยูเรนัสด้วย ด้วยภาพรายละเอียดจากฮับเบิล พวกเขาสามารถตรวจสอบและยืนยันสมมุติฐาน ในความเป็นจริง ภาพที่ได้จากแบบจำลองนั้นสอดคล้องพอดีกับภาพดาวเคราะห์ทั้งสองที่ได้จาก WFC3 พอดี โดยสร้างจุดมืดให้เห็นในช่วงความยาวคลื่นเดียวกัน ชั้นแอโรซอล-2 บนยูเรนัสเดียวกันนี้ ยังเป็นสามารถให้มีสีที่อ่อนกว่าด้วย เมื่อชั้นที่หนาพรางจุดดำเหล่านั้นได้มากกว่าที่เนปจูน

     นักวิทยาศาสตร์น่าจะยังต้องพึ่งพาข้อมูลจากภาคพื้นดินและฮับเบิลต่อไป เพื่อศึกษาพิภพน้ำแข็งยักษ์ทั้งสอง เนื่องจากยังไม่มียานใดที่มีกำหนดบินไปไกลขนาดนั้นอีก แม้ว่าการสำรวจของประชาคมวิทยาศาสตร์ดาวเคราะห์จะแนะว่า ปฏิบัติการสู่ยูเรนัสน่าจะเป็นปฏิบัติการวิทยาศาสตร์ดาวเคราะห์ขนาดใหญ่(flagship) ที่มีความสำคัญสูงสุด และน่าจะส่งออกได้ในทศวรรษ 2030

พายุที่พบในชั้นบรรยากาศเนปจูนในปี 2016 โดยกล้องฮับเบิล

แหล่งข่าว esahubble.org : Hubble helps explain why Uranus and Neptune are different colors
                astronomy.com : why are Uranus and Neptune different colors?
                spaceref.com : Gemini North telescope helps explain why Uranus and Neptune are different colors