Osservare Urano e Nettuno

Introduzione

Il nostro sistema solare ospita quattro pianeti giganti. Di questi quattro corpi celesti i più massicci e vicini al Sole, Giove e Saturno, sono costantemente monitorati da professionisti e amatori mentre i più piccoli e distanti, Urano e Nettuno, sono quasi del tutto trascurati. La ragione di questo stato di fatto risiede nella grande distanza che separa questi pianeti dalla Terra, non certo nella loro mancanza d'interesse come oggetto di studio.

Il monitoraggio delle atmosfere d'Urano e Nettuno richiede strumenti con un buon diametro, ma anche i non-professionisti possono portare il loro contributo allo studio del Sistema Solare esterno, a patto di condurre osservazioni sufficientemente prolungate nel tempo. Questo articolo vuole essere un'introduzione all'osservazione amatoriale d'Urano e Nettuno.

Urano

Tab.1 - Parametri osservativi di Urano

Urano è un pianeta con un diametro equatoriale di 51 118 km e una massa 14.5 volte quella della Terra. Visto dalla Terra, alla distanza minima di 18 UA, splende come una stellina di magnitudine +6, di colore blu-verde e mostra un disco con un diametro apparente di soli 3.87 secondi d'arco: 465 volte minore del diametro apparente della Luna piena. Il periodo orbitale del pianeta è di 84 anni e della scoperta ha compiuto solo 2.6 orbite, per questo è poco noto il ciclo stagionale. La caratteristica di Urano è di avere l'asse di rotazione inclinato di 82° sul piano orbitale (92° se non si segue la convenzione dell'International Astronomical Union). Questo implica che anche le regioni polari possono essere esposte al Sole per lunghi, relativamente al periodo orbitale, intervalli di tempo: circa 20 anni.

Parametro fisico	Valore	Rapporto Urano/Terra
Massa (1024 kg)	86.832	14.536
Volume (1010 km3)	6,833	63.08
Raggio (a 1 bar) (km)
Equatoriale	25,559	4.007
Polare	24,973	3.929
Schiacciamento	0.02293	6.84
Densità media (kg/m3)	1,270	0.230
Gravità (eq., 1 bar) (m/s2)	8.69	0.889
Velocità di fuga (km/s)	21.3	1.903
Albedo di Bond	0.300	0.980
Albedo visuale geometrico	0.51	1.390
Temperatura di corpo nero (K)	58.2	0.229
Numero di satelliti	21	-

Tab.2 - Principali parametri fisici di Urano e confronto con gli equivalenti terrestri

L'atmosfera

Il principale componente rivelabile da Terra è l'idrogeno molecolare (H₂), seguito dell'elio (H_e). Sia H₂ sia H_e trasmettono la radiazione visibile e sono incolore, l'assorbimento è nella parte ultravioletta dello spettro. Il caratteristico colore blu-verde di Urano è dovuto al metano (CH₄), che è il terzo componente, per importanza, dell'atmosfera. Il CH₄ assorbe nel rosso e riflette il blu, da qui il colore del disco. Nell'atmosfera di Urano il rapporto fra la massa dell'H_e e quella dell'H₂ è pari a 0.26 ±0.05, mentre quello di Nettuno è 0.32 ±0.05 (dati Voyager 2). Questo rapporto è vicino a quello solare (0.28 ±0.01) e induce a pensare che per Urano e Nettuno non siano all'opera meccanismi di impoverimento dell'H_e attivi su Giove e Saturno.

Il bilancio energetico dei pianeti giganti

Urano è l'unico dei quattro pianeti gassosi a non emettere nell'infrarosso una quantità di energia superiore a quella che riceve dal Sole. Per Giove, Saturno e Nettuno l'energia emessa è circa il doppio di quella ricevuta. Urano, alla distanza media di 19.191 UA dal Sole riceve 3.712 W/m ². Di questi solo lo 0.704 ±0.049 è assorbita dal pianeta, cioè 2.613 W/m². Questa energia assorbita viene riemessa principalmente nell'infrarosso e, a causa dell'elevata velocità di rotazione, su tutto l'angolo solido di 4 pigreco steradianti. Quindi l'energia emessa è 0.653 W/m². Dalle misure del Voyager 2 la densità di flusso emesso risulta di 0.68 ±0.01 W/m², praticamente coincidente con il solo contributo solare. Per Nettuno il contributo solare alla densità di flusso in uscita è di 0.27 ±0.03 W/m², mentre quello misurato è di 0.70 W/m², ben 2.6 volte superiore.

Il rapporto fra il flusso totale emesso e il solo contributo solare è noto come bilancio energetico di un pianeta. In Tab.3 riporto quello dei quattro giganti del Sistema Solare.

Pianeta	Temperatura (K)	Bilancio energetico	Albedo
Giove	124.4± 0.3	1.67± 0.09	0.34± 0.03
Saturno	95± 0.4	1.78± 0.09	0.34± 0.03
Urano	59.1± 0.3	1.06± 0.08	0.30± 0.05
Nettuno	59.3± 0.8	2.61± 0.28	0.29± 0.07

Tab.3 - Bilancio energetico dei pianeti giganti del Sistema Solare.

L'assenza di un'emissione infrarossa significativa, oltre il contributo solare, non implica necessariamente l'assenza di una sorgente di energia interna per Urano. Secondo le ipotesi correnti l'energia emessa in eccesso dai giganti gassosi è dovuta al processo di contrazione gravitazionale dei loro nuclei. Non c'è ragione di pensare che per Urano non sia la stessa cosa, tuttavia è possibile che all'interno del pianeta esista uno strato isolante che impedisca al nucleo di raffreddarsi.

I venti e le nubi

Dove b è la latitudine planetocentrica. Non è ancora ben chiaro quale sia la sorgente energetica che alimenta i venti di Urano.

In un pianeta le nubi sono il risultato della condensazione di componenti gassosi posti a quote più basse. Le bolle di gas caldo che risalgono dall'interno del pianeta, generate dal raffreddamento del nucleo,  possono raggiungere livelli dove la temperatura è bassa al punto tale che condensano in cristalli di ghiaccio formando una nube. I composti ghiacciati sono pesanti e ricadono verso l'interno sciogliendosi e andando a formare una nuova bolla di gas in risalita. Per la Terra il composto responsabile della formazione delle nubi è l'acqua (H₂O). Per Urano sono metano (CH ₄), ammoniaca (NH₃) e acqua (H₂O). Su Giove e Saturno le nubi si organizzano in bande parallele all'equatore per l'elevata velocità di rotazione. A causa della temperatura troppo elevata il metano non condensa e le nubi visibili sono di ammoniaca. Su Urano la temperatura è minore, le nubi si formano, anche di metano, ma a livelli profondi nell'atmosfera e risultano scarsamente visibili dalla Terra.

Il campo magnetico, satelliti e anelli

1-All'interno del pianeta deve esistere una regione fluida

Prima del Voyager c'erano solo indicazioni indirette e non conclusive sull'esistenza di un campo magnetico di Urano. Dopo la missione la risposta è stata affermativa e i dati sul campo magnetico di Urano si devono interamente alle misure del Voyager 2. L'asse del dipolo magnetico del pianeta è inclinato di ben 58.6° rispetto all'asse di rotazione e il centro del dipolo dista 0.3 raggi di Urano dal centro del pianeta verso l'emisfero nord. Per confronto l'asse del dipolo magnetico terrestre è inclinato di soli 11.4° ed è decentrato di 1/14 del raggio terrestre. Il periodo di rotazione siderale del dipolo, e quindi dell'interno di Urano, è di 17.24 ore. La velocità dei venti atmosferici, così come per tutti gli altri pianeti giganti, si misura rispetto a questo periodo di rotazione.

Le fasce di radiazione di Urano sono dominate da atomi di idrogeno, mancano ioni più pesanti, probabilmente assorbiti dalle superfici dei satelliti. Le fasce sono intense al punto tale che in soli 100 000 anni possono decomporre una superficie di metano ghiacciato rendendola scura grazie alla formazione di una pellicola di carbonio. Molto probabilmente è questo il motivo della bassa albedo di satelliti ed anelli.

Il Voyager 2 ha ottenuto immagini ad alta risoluzione dei cinque maggiori satelliti di Urano, Miranda, Ariel, Umbriel, Titania e Oberon, scoprendone un'altra decina. Le cinque lune maggiori sono conglomerati di ghiaccio e roccia. Le loro superfici mostrano sia tracce di un'intensa craterizzazione da impatto che di un'attività geologica interna. Tutti i nove, sottili, anelli scoperti da terra nel 1977 sono stati fotografati, così come ne sono stati scoperti dei nuovi. Non mi soffermo su satelliti e anelli, chi vuole approfondire può consultare la bibliografia.

Osservazioni delle bande di Urano

Tuttavia le bande atmosferiche di Urano sono state viste da molti osservatori del passato ed è possibile che la loro visibilità sia ciclica, con il periodo migliore di osservazione coincidente con la piena illuminazione delle regioni equatoriali, come succederà nel 2007. Recenti osservazioni spettroscopiche del telescopio spaziale (HST), indicano che le nubi di metano ghiacciato nell'atmosfera di Urano sono più trasparenti ora del 1986. Nel 1998 l'HST ha osservato un numero di nubi superiore a quelle viste durante l'intera storia di osservazioni del pianeta. Non è chiaro se questi nuovi dettagli atmosferici rappresentino una variazione stagionale o se si rendono visibili solo perché è cambiato l'angolo di vista rispetto al 1986. In questo periodo l'emisfero nord di Urano sta ricevendo la luce del Sole dopo decenni di oscurità e questo potrebbe avere delle conseguenze sui processi atmosferici del pianeta. Tutto questo consente di nutrire un cauto ottimismo sulla visibilità delle bande nel 2007 e, in ogni caso, è un motivo in più per avviare un monitoraggio sistematico del pianeta.

Osservatori dell'ALPO hanno ottenuto dei risultati interessanti già con piccoli telescopi. Ad esempio è rimarchevole l'osservazione contemporanea ma indipendente dell'8 gennaio 1955 di Ranck e Abbey, rispettivamente con telescopi di apertura 4" e 6": in questo caso non solo hanno osservato dettagli su Urano ma addirittura, in parte, gli stessi. Molto interessante anche l'osservazione di S.J. O'Meara del 15 settembre 1981: utilizzando il 9" dell'osservatorio di Harvard osservò una nube chiara sul disco del pianeta e stimò il periodo di rotazione in 16.4h, valore vicino a quello trovato dal Voyager 2.

Fig1 - In alto. Osservazioni di Urano di S.J. O'Meara eseguite con il rifrattore da 9 pollici dell'Harvard College Observatory. A sinistra il 23 luglio 1976 a destra il 15 settembre 1981. In basso. Osservazione simultanea di Urano dell'8 gennaio 1955. A sinistra O.C.Ranck con un rifrattore da 4 pollici a 240X, a destra B.Abbey con un Newton da 6 pollici a 300X (da Dobbins, Parker, Capen, Observing and Photographing the Solar System, p.115, Willmann-Bell, 1992).

Nettuno

Tab.4 - Parametri osservativi di Nettuno

A parte l'eccesso di emissione infrarossa di Nettuno la composizione e la dinamica dell'atmosfera è simile a quella di Urano. Va osservato però che, nonostante la maggiore distanza dal Sole, l'attività atmosferica di Nettuno appare maggiore o comunque più evidente, di quella di Urano. Una delle scoperte più interessanti del Voyager 2 è stata la Grande Macchia Scura (Great Dark Spot, GDS), una struttura anticiclonica simile alla Macchia Rossa (MR) di Giove. La GDS, ora scomparsa secondo le osservazioni del telescopio spaziale, si trovava a 22° di latitudine sud come MR ma era di forma e dimensioni più variabili rispetto a quest'ultima. Numerose sono state le strutture nuvolose, simili ai cirri terrestri, osservate nell'alta atmosfera di Nettuno. La maggior parte dei venti spirano in senso opposto alla rotazione del pianeta, arrivando a velocità di 300 m/s, secondi solo a quelli di Saturno che, alle latitudini equatoriali, possono arrivare anche a 500 m/s.
 

Parametro fisico	Valore	Rapporto Nettuno/Terra
Massa (1024 kg)	102.43	17.147
Volume (1010 km3)	6,254	57.74
Raggio (a 1 bar) (km)
Equatoriale	24,764	3.883
Polare	24,341	3.829
Schiacciamento	0.01708	5.10
Densità media (kg/m3)	1,638	0.297
Gravità (eq., 1 bar) (m/s2)	11.00	1.12
Velocità di fuga (km/s)	23.5	2.10
Albedo di Bond	0.290	0.95
Albedo visuale geometrico	0.41	1.12
Temperatura di corpo nero (K)	46.6	0.183
Numero di satelliti	8	-

Tab.5 - Principali parametri fisici di Nettuno e confronto con gli equivalenti terrestri

Il campo magnetico, satelliti e anelli

Osservazioni delle bande di Nettuno

Fig2 - Nettuno disegnato da Thomass Cragg nell'aprile 1953 con il riflettore da 60 pollici di Monte Wilson (da Sky & Telescope, n.5, p.486, 1989).

Fig3 - Nettuno disegnato da Charles C. Capen nell'aprile del 1950 con un riflettore da 12.5 pollici di apertura (da Sky & Telescope, n.5, p.486, 1989).

Come osservare Urano & Nettuno

Ci sono due possibili strade da percorrere per cominciare a dare il proprio contributo: l'osservazione di dettagli sul disco e la misura della magnitudine dei due pianeti.

Disegni del disco

L'opposizione coincide, con buona approssimazione, con il momento di minima distanza dalla Terra (che cade il 14 agosto) e quindi è il periodo migliore per le osservazioni. Per rintracciare Urano in cielo è necessario usare una mappa stellare con indicate le stelle almeno fino alla sesta grandezza.

Durante il transito in meridiano l'altezza sull'orizzonte sarà di circa 30°. La latitudine del punto sub-terrestre di Urano è attualmente di -30° (Urano mostra il polo sud alla Terra), mentre il valore dell'angolo di posizione dell'asse di rotazione uscente dal polo nord del pianeta è di 261° (da nord verso est). Nel 2007 il pianeta presenterà alla Terra (e al Sole), le sue regioni equatoriali ed è probabile che, mano a mano che si avvicina questa data, l'attività atmosferica del pianeta aumenti fino a raggiungere livelli apprezzabili da Terra, magari sotto forma di bande parallele all'equatore.

Gli ingrandimenti per l'osservazione visuale partono dai 300X in su, con un'apertura del telescopio di almeno 15 cm, meglio se lo strumento è un rifrattore per massimizzare il contrasto. Di solito quello che si riesce a vedere è un piccolo disco con il centro più luminoso dei bordi. L'oscuramento al bordo, causato dalla densa atmosfera di Urano, è molto pronunciato ed è difficile capire quando il disco è a fuoco o meno. Per questo motivo è bene iniziare ad osservare dopo avere accuratamente messo a fuoco su una stella sufficientemente luminosa. La durata minima di una sessione osservativa è di 2h, non perché i dettagli sul disco siano molti ma perché è raro avere qualche istante di seeing veramente ottimo indispensabile per scorgere qualcosa sul pianeta.

Per il disegno è sufficiente tracciare su un foglio di carta un disco di 5 cm di diametro. Bisogna indicare la direzione del nord e dell'ovest, il luogo di osservazione, il tipo di strumento e gli ingrandimenti utilizzati, la data, l'ora di inizio e di fine osservazione (in tempo universale), le condizioni di seeing (nella scala di Antoniadi), eventuali filtri usati. Se necessario aggiungere commenti sull'aspetto del pianeta.

Nettuno nel 2001 è in opposizione il 20 luglio, la magnitudine è +7.8 mentre il diametro apparente è di 2.3 secondi d'arco. L'altezza massima sull'orizzonte è di circa 27°. Valgono gli stessi consigli validi per Urano con l'avvertenza che qui il diametro apparente del disco è ancora più piccolo e l'osservazione è ancora più difficile. L'ingrandimento minimo parte da 500X in su.

Naturalmente le osservazioni su Urano e Nettuno possono essere condotte mediante l'impiego di camere CCD. Le riprese dovrebbero essere concentrate in un intervallo di tempo di pochi minuti per evitare che la veloce rotazione dei due pianeti sposti eventuali dettagli presenti sul disco. Dopo avere acquisito un buon numero di immagini si sceglieranno le migliori che andranno sommate digitalmente in modo da attenuare il rumore di fondo e massimizzare il segnale. Per avere l'orientamento dell'immagine rispetto alle direzioni nord ed est sarà sufficiente riprendere, con un'esposizione di qualche decina di secondi, anche i satelliti principali di Urano e Nettuno.  Dalla posizione dei satelliti si può risalire alle direzioni nord ed est. Chiaramente, l'immagine con i satelliti va ripresa senza spostare nulla nell'apparato impiegato per riprendere il disco.

Le osservazioni del disco acquistano particolare valore se, oltre a riportare dei dettagli, sono confermate da altri osservatori indipendenti. La probabilità di avere due osservazioni contemporanee aumenta al crescere del numero degli osservatori e questo è un altro buon motivo per osservare Urano e Nettuno.

Stime di magnitudine

Per la stima visuale della magnitudine si può procedere così. Si trovano due stelle di confronto di magnitudini A e B, rispettivamente una più luminosa e l'altra più debole del pianeta. Le stelle vanno scelte a poca distanza dal pianeta, in modo da avere le stesse condizioni di altezza sull'orizzonte e trasparenza atmosferica. Si stima la differenza di magnitudine con la stella più brillante in gradini, G, larghi un decimo della differenza di luminosità fra le due stelle di confronto. A questo punto, la magnitudine del pianeta è data da:

Per raggiungere una maggiore precisione conviene mediare i valori calcolati su più coppie di stelle diverse. Misure più precise possono esser fatte mediante l'impiego di fotografie, camere CCD e fotometri.

Fig4 - Mappa del campo stellare di Urano per la stima della magnitudine del pianeta. La stella più luminosa è la Delta Capricorni. I numeri vicino alle stelle indicano la magnitudine visuale apparente. È riportata la traiettoria del pianeta dal luglio al settembre 2001. Il nord è in alto e l'est a sinistra. Cliccare sull'immagine per ingrandirla. Mappa ottenuta con Alpha Centaure.

Fig5 - Mappa del campo stellare di Nettuno per la stima della magnitudine del pianeta. La stella più luminosa è la 15 Capricorni. I numeri vicino alle stelle indicano la magnitudine visuale apparente. È riportata la traiettoria del pianeta dal luglio al settembre 2001. Il nord è in alto e l'est a sinistra. Cliccare sull'immagine per ingrandirla. Mappa ottenuta con Alpha Centaure.

Una volta eseguita la stima (o la misura), la magnitudine osservata va ridotta alle condizioni di opposizione media del pianeta, così da togliere alla curva di luce gli effetti spuri dovuti alle variazioni della distanza pianeta-Sole e pianeta-Terra. La nuova magnitudine sarà data da:

Dove d, r e a sono rispettivamente la distanza Sole-pianeta, Terra-pianeta e il semiasse maggiore dell'orbita del pianeta.

Analizzando le curve di luce planetarie utilizzando la trasformata di Fourier discreta si trovano periodi spuri e loro armoniche imputabili a:

1-Rotazione siderale della Terra (0.9973 giorni)

Per Urano esiste anche una modulazione con periodo di 44 anni dovuta alla variazione dell'area presentata alla Terra a causa dell'elevato schiacciamento polare: quando il pianeta presenta i poli la luminosità è massima, mentre è minima quando mostra l'equatore.

Le osservazioni raccolte fino ad ora su Urano indicano una variazione fisica della luminosità con un'ampiezza di 0.3 magnitudini in un periodo di 8.4 anni, mentre per Nettuno l'ampiezza è di 0.36 magnitudini e il periodo di 21 anni.

Fig6 - Curve di luce di Urano e Nettuno secondo W. Becker (1949) (da P. Tempesti, Le variazioni di luminosità dei pianeti, Coelum, luglio-agosto 1950).

Al momento manca una correlazione certa fra le variazioni intrinseche di magnitudine dei due pianeti e il ciclo di attività solare.

Conclusioni

Bibliografia

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