Uranus rappresenta un anomalo nell’ambito dei pianeti del Sistema Solare. A differenza della maggior parte degli altri pianeti, il cui asse di rotazione è perpendicolare al piano orbitale, Uranus presenta un’inclinazione estrema di 98 gradi. Il pianeta è sostanzialmente sdraiato su un lato, probabilmente a causa di una violenta collisione nel suo passato. Inoltre, ha un’orbita retrograda, contraria a quella degli altri pianeti.
Il gigante di ghiaccio presenta anche una relazione insolita con il Sole, che lo distingue ulteriormente dagli altri pianeti.
L’unicità di Uranus si estende alla sua parte più alta, nota come termósfera-corona. In questa regione, la temperatura supera i 500 gradi Celsius e le fonti di calore responsabili di tale temperatura continuano a confondere gli astronomi. La corona si estende fino a 50.000 km sopra la superficie, un’altra caratteristica che lo distingue dagli altri pianeti. Ancora più curioso è il fatto che la sua temperatura sia in diminuzione.
Quando la sonda Voyager 2 ha sorvolato Uranus nel 1986, ha registrato la temperatura della termósfera. Negli anni successivi, i telescopi hanno continuamente monitorato la temperatura di Uranus. Tutte queste misurazioni indicano che la parte alta dell’atmosfera del pianeta si sta raffreddando, con la temperatura che è diminuita della metà. Nessun altro pianeta ha mostrato queste stesse variazioni.
Uranus, come osservato dalla Voyager 2 della NASA nel 1986. Per Voyager 2, il gigante di ghiaccio appariva come una sfera senza particolari che rivelassero i suoi segreti. Credito: NASA/JPL
Gli scienziati hanno compreso che la termósfera di Uranus è uno strato tenue. Contiene un’ionosfera incorporata che aiuta gli astronomi a misurare la temperatura della termósfera. Si tratta di uno strato di ioni che separa l’atmosfera inferiore dalla magnetosfera del pianeta. Gli ioni H3+ nell’ionosfera raggiungono rapidamente l’equilibrio termico con i neutri circostanti. Gli ioni emettono fotoni nell’infrarosso vicino (NIR), consentendo agli astronomi di monitorare la temperatura della termósfera tramite telescopi a terra, dato che alcune lunghezze d’onda NIR riescono a penetrare nell’atmosfera terrestre. Così, si sa che la parte alta dell’atmosfera si sta raffreddando, mentre le osservazioni dell’atmosfera inferiore non mostrano alcun raffreddamento.
Questo raffreddamento è intrigante, e le cause di tale diminuzione di temperatura non sono attribuibili a effetti stagionali. Anche il noto ciclo solare di 11 anni del Sole, che osserva cambiamenti nel livello di energia del Sole, è stato escluso.
Una nuova ricerca pubblicata in Geophysical Review Letters offre una spiegazione per il cambiamento di temperatura. Il titolo è “Il potere del vento solare probabilmente governa la temperatura della termósfera di Uranus.” L’autore principale è Dr. Adam Masters, per il Dipartimento di Fisica al Imperial College.
Secondo Masters e i suoi colleghi, il vento solare è responsabile per il raffreddamento di Uranus. Il vento solare è un flusso di particelle cariche che proviene dallo strato più esterno del Sole, la corona. Si tratta di un plasma composto principalmente da elettroni e protoni, ma contiene anche nuclei atomici e ioni pesanti.
“Questo controllo apparentemente molto forte della parte alta dell’atmosfera di Uranus da parte del vento solare è qualcosa che non abbiamo mai osservato in altri pianeti del nostro Sistema Solare,” ha affermato Adams.
Sebbene il vento solare sia incessante, le sue proprietà cambiano gradualmente su scale temporali che corrispondono ai cambiamenti nell’atmosfera superiore di Uranus. A partire dal 1990, la pressione media del vento solare in uscita è diminuita lentamente ma significativamente. Questa diminuzione non si correla con il noto ciclo di 11 anni del Sole, ma si correla strettamente con la temperatura in cambiamento di Uranus.
Questa figura della ricerca mostra come, man mano che la pressione del vento solare diminuisce, la dimensione della magnetosfera di Uranus aumenta e la sua temperatura scende. Credito Immagini: Masters et al. 2024.
Questo ha suggerito ai ricercatori che, a differenza della Terra, la temperatura di Uranus non è controllata dai fotoni.
È un fatto ben noto che i fotoni provenienti dal Sole riscaldano la Terra. Questa è la base della vita. Anche se la magnetosfera del nostro pianeta protegge ampiamente la Terra dal vento solare, i fotoni non vengono fermati.
Uranus è molto più lontano dal Sole rispetto alla Terra, quasi 3 miliardi di km, mentre la Terra si trova a solo 228 milioni di km dal Sole. Il numero di fotoni che raggiungono Uranus non è sufficiente a riscaldare il pianeta. Invece, la diminuzione del vento solare consente alla magnetosfera di Uranus di espandersi.
Poiché la magnetosfera protegge Uranus dal vento solare, la sua espansione rende più difficile l’interazione tra il vento solare e il pianeta. L’energia fluisce attraverso lo spazio circostante, raggiungendo infine la termósfera e controllando la sua temperatura.
“Il potere cinetico in declino del vento solare, o la potenza totale del vento solare pressoché identica, dovrebbe significare un’indebolita fonte di riscaldamento della termósfera di Uranus, portando al declino osservato della temperatura nel lungo termine,” spiegano gli autori nel loro articolo.
Ciò implica che nei pianeti vicini come la Terra, la luce stellare controlla la temperatura della termósfera, mentre nei pianeti più distanti, è il vento solare a prevalere.
Questa scoperta potrebbe influenzare una futura missione proposta verso Uranus. Il “Planetary Science and Astrobiology Decadal Survey 2023-2032” ha identificato una missione verso Uranus come priorità assoluta, ma finora nessuna è stata approvata. Il concetto della missione è denominato Uranus Orbiter and Probe (UOP) e uno dei suoi obiettivi principali è studiare l’atmosfera del gigante di ghiaccio.
Questa immagine di una potenziale sonda verso Uranus proviene dal concetto di missione del “Decadal Survey 2023-2032: Journey to an Ice Giant System.” Credito Immagini: NASA
La missione si propone di affrontare il mistero del raffreddamento di Uranus, ma gli scienziati hanno avuto difficoltà a comprenderlo. Queste scoperte significano che gli obiettivi della missione possono essere aggiornati, e la domanda diventa come l’energia dal vento solare penetri nella magnetosfera insolita di Uranus.
Questo studio non soltanto chiarisce una domanda intrigante su Uranus, ma si estende anche agli esopianeti. Se questo raffreddamento da vento solare può avvenire qui, può avvenire altrove.
“Oltre il sistema solare, questa spiegazione per il raffreddamento della termósfera di Uranus implica che gli esopianeti in orbita attorno a stelle madri senza forti influenze locali (come nel caso di Giove) e con magnetosfere sufficientemente grandi subirebbero un’interazione prevalentemente elettrodinamica con la loro stella madre,” scrivono gli autori. Per questi esopianeti, il vento stellare governerà fortemente l’evoluzione termica dell’atmosfera superiore, non la radiazione stellare. Il vento stellare potrebbe anche generare certi tipi di aurore.
“Questa forte interazione stella-pianeta a Uranus potrebbe avere implicazioni per stabilire se pianeti diversi generano forti campi magnetici nei loro interni – un fattore importante nella ricerca di mondi abitabili al di fuori del nostro Sistema Solare,” si conclude.