Уран — планета, атмосферу якої довго вивчали здебільшки побічно: за даними наземних телескопів і одного прольоту "Вояджера-2" у 1986 році. Тепер міжнародна команда астрономів вперше побудувала об'ємну карту верхніх шарів атмосфери цього льодяного гіганта, використавши інструмент NIRSpec телескопа Джеймс Вебб.

Дослідження очолила Паола Тіранті з Нортумбрійського університету у Великій Британії. Команда спостерігала Уран майже повний оберт навколо власної осі — 15 годин — і зафіксувала слабке світіння молекул на висотах до 5000 км над хмарами. Це та частина атмосфери, яку називають іоносферою: там гази іонізуються й активно взаємодіють з магнітним полем планети.

Температура і густота іонів на різних висотах

Дані NIRSpec дозволили простежити, як змінюються температура й концентрація заряджених частинок залежно від висоти. Виявилося, що максимальна температура — близько 426 К (приблизно 150°C) — спостерігається на висотах від 3000 до 4000 км. А найбільша густина іонів фіксується нижче, на позначці приблизно 1000 км.

Дослідники також помітили, що ці параметри неоднаково розподілені по довготі планети — тобто картина різниться залежно від того, яка ділянка атмосфери повернута до спостерігача. Такі відмінності пов'язують зі складною геометрією магнітного поля Урана.

«Вперше ми змогли побачити верхню атмосферу Урана у трьох вимірах, — зазначила Паола Тіранті. — Завдяки чутливості Вебба ми простежуємо, як енергія рухається вгору крізь атмосферу планети, і навіть бачимо вплив її асиметричного магнітного поля».

Атмосфера, що продовжує охолоджуватися

Ще один важливий результат стосується довгострокової тенденції. Виміряна Веббом середня температура виявилася нижчою за всі попередні значення, отримані наземними телескопами та космічними апаратами.

Це підтверджує: атмосфера Урана продовжує охолоджуватися — процес, який фіксують ще з початку 1990-х років. Причини такого тривалого охолодження поки залишаються предметом дослідження, але нові дані Вебба дають найточніший на сьогодні знімок цього процесу.

Полярні сяйва вздовж нахиленого магнітного поля

Окрім температурного профілю, спостереження показали два яскравих полярні сяйва поблизу магнітних полюсів Урана. Разом із ними в частині ділянки між двома сяйвами виявили помітне ослаблення випромінювання й густини іонів — особливість, яку пов'язують зі змінами в структурі силових ліній магнітного поля.

Подібні темні зони раніше спостерігали на Юпітері, де геометрія магнітного поля також визначає, як заряджені частинки рухаються крізь верхні шари атмосфери.

Магнітне поле Урана — одне з найдивакуватіших у Сонячній системі: воно нахилене й зміщене відносно осі обертання планети. Через це полярні сяйва не залишаються прив'язаними до фіксованих точок, а описують складні траєкторії по поверхні.

«Магнітосфера Урана — одна з найдивніших у Сонячній системі, — додала Тіранті. — Вона нахилена й зміщена відносно осі обертання планети, тож її сяйва рухаються поверхнею складними шляхами. Вебб показав нам, наскільки глибоко ці ефекти проникають в атмосферу. Розкриваючи вертикальну структуру Урана в такій деталізації, Вебб допомагає зрозуміти енергетичний баланс льодяних гігантів. Це важливий крок до опису гігантських планет за межами Сонячної системи».

Дослідження базується на спостереженнях за програмою JWST General Observer 5073 (керівник програми — Г. Мелін з Нортумбрійського університету). Дані отримали за допомогою інтегрального польового блоку NIRSpec 19 січня 2025 року, спостерігаючи Уран протягом 15 годин. Результати опубліковані в журналі Geophysical Research Letters.