Urano y Neptuno vistos por los telescopios espaciales Hubble y JWST

Urano y Neptuno, los gigantes de hielo, son los planetas que peor conocemos en nuestro Sistema Solar. Solo han recibido la visita de una sonda espacial, la Voyager 2 en 1986 y 1989, respectivamente. Sin embargo, sí han podido ser observados por varios telescopios espaciales y terrestres muy potentes. Recientemente, el equipo del veterano telescopio espacial Hubble (HST) ha publicado nuevos resultados de la observación de Urano por parte del espectrógrafo STIS (Space Telescope Imaging Spectrograph). Menos atractivos que las imágenes de las cámaras, los espectros ofrecen no obstante información fundamental sobre la composición atmosférica del planeta.

El instrumento STIS se instaló en el Hubble en 1997 durante la segunda misión de mantenimiento del transbordador espacial. Dejó de funcionar en 2004, pero fue reparado durante la cuarta y última misión de mantenimiento en 2009. STIS ha observado Urano en 2002, 2012, 2015 y 2022, en visible e infrarrojo. La atmósfera de Urano y Neptuno, como la de Júpiter y Saturno, está formada principalmente por hidrógeno y helio, pero también contiene metano. A pesar de que la cantidad de metano en las atmósferas de los dos gigantes de hielo no supera el 2%, es una proporción muy superior a la de Júpiter y Saturno. Esto explica por qué ambos planetas presentan un color azulado, pues el metano absorbe las longitudes de onda más rojizas. En estas dos décadas, STIS ha confirmado que en los polos de Urano apenas hay metano, a diferencia de Júpiter y Saturno, donde el este compuesto se distribuye uniformemente por la atmósfera.

Aunque se pensaba que esta podía ser una característica estacional propia de uno de los dos polos, algo muy plausible en un mundo cuyo eje de rotación está inclinado cerca de 98º, STIS ha demostrado que no es el caso y que ambas regiones polares tienen poco metano al mismo tiempo. Este resultado, descubierto primero en 2012 y confirmado después, es sorprendente porque el polo sur de Urano destaca por la ausencia de nubes, mientras que en el polo norte se han observado numerosas nubes. Las nubes son una muestra de actividad convectiva y, por tanto, uno esperaría que la composición atmosférica fuese más homogénea en esa zona. De igual modo, las regiones árticas y antárticas de Urano presentan diferencias en la cantidad de neblina y aerosoles presentes. La ausencia polar de metano podría deberse a unas células atmosféricas que movieran el aire cargado de metano desde el ecuador a las regiones polares. Allí el metano se condensaría en hielo o gotas líquidas y descendería hasta profundidades donde no es detectable antes de volver a pasar a estado gaseoso.

Observar los dos polos de Urano no es tarea fácil en un mundo con un «eje tumbado» que tiene un periodo de traslación de 84 años terrestres, es decir, en el que cada estación dura 21 años. La Voyager 2 solo pudo ver el polo sur de Urano y actualmente solo somos capaces de contemplar el polo norte, pues el solsticio de verano del hemisferio norte tendrá lugar en 2030. En estas últimas dos décadas el Hubble ha visto cómo el hemisferio sur se oscurecía al adentrarse en el invierno, mientras que el norte brillaba cada vez más, no solo por la mayor insolación, sino por el aumento en la presencia de aerosoles. Los aerosoles se forman por la interacción de la luz ultravioleta del Sol con la atmósfera, creando moléculas orgánicas complejas a partir de metano, amoniaco y otros compuestos.

Otro descubrimiento reciente de los gigantes de hielo gracias a telescopios espaciales ha sido la primera detección de auroras en Neptuno. En este caso, el descubrimiento ha sido gracias al telescopio espacial James Webb (JWST). Ya en 1989 la Voyager 2 detectó indirectamente la presencia de auroras en el planeta más lejano del Sistema Solar, pero no pudo confirmar su existencia. Ahora ya podemos decir con firmeza que los cuatro planetas exteriores tienen todos ellos auroras. Eso sí, las auroras neptunianas son extremadamente débiles y solo han podido verse en infrarrojo gracias a la gran sensibilidad del JWST. La emisión detectada proviene del ion H₃⁺ o hidrógeno triatómico. Mucho menos conocido que el ion H⁺ —que es en realidad un solo protón—, el hidrógeno triatómico es el ion molecular dominante en la atmósfera de los cuatro planetas gigantes y forma la mayor parte de la ionosfera de estos mundos. La presencia de este ion molecular en Júpiter fue confirmada en 1989 y en 1993 se detectó en Saturno y Urano, pero hasta la fecha no se había podido observar en Neptuno.

El JWST observó Neptuno en junio de 2023 con el espectrógrafo NIRSpec (Near-Infrared Spectrograph), confirmando la presencia del hidrógeno triatómico y las auroras. Como las auroras en el resto de planetas gigantes y la Tierra, estas se producen al chocar las partículas del viento solar con las capas altas de la atmósfera al ser dirigidas y concentradas por el campo magnético del planeta. Sin embargo, las auroras en Urano y Neptuno son muy diferentes de las de Júpiter, Saturno o la Tierra, todos estos mundos que poseen una intensa magnetosfera dipolar. En los gigantes de hielo el campo magnético no se genera a gran profundidad, por lo que su magnetosfera presenta una característica multipolaridad difícil de estudiar. La componente dipolar del campo magnético de Neptuno presenta además un eje inclinado 47º con respecto al eje de rotación y descentrado con respecto al centro del planeta. Por este motivo, la aurora neptuniana no se encuentra alrededor de los polos, sino en latitudes medias y no forma un óvalo definido, sino que se halla distribuida en una superficie irregular. De paso, el JWST ha demostrado que la temperatura de la alta atmósfera de Neptuno es la mitad de la medida por la Voyager 2 en 1989 (de 750 kelvin a 350 K), algo que explica la debilidad de las auroras de Neptuno y su difícil detección.

El campo magnético de Urano y Neptuno se origina en los movimientos del «manto» interno rico en sustancias iónicas disueltas en agua, que rodea al núcleo de hielos y rocas. Esto explica que la magnetosfera esté descentrada y posea una inclinación inusual. Por contra en Júpiter y Saturno el campo magnético se origina por la capa interna de hidrógeno metálico, situada a gran profundidad (en la Tierra la magnetosfera se origina por las corrientes de convección —ojo, no por la rotación— del hierro y níquel fundido en el núcleo externo). Estas observaciones de Urano y Neptuno nos demuestran, primero, lo importante que sigue siendo el Hubble para la ciencia planetaria y, segundo, la imperiosa necesidad de explorar estos dos mundos desde cerca mediante una misión espacial.

Referencias:

• NASA’s Webb Captures Neptune’s Auroras For First Time
• Discovery of H+3 and infrared aurorae at Neptune with JWST
• 20-Year Hubble Study of Uranus Yields New Atmospheric Insights
• 20 years of Uranus observations

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