JWST-3D-kaart onthult magnetische aurora's van Uranus

Voor de eerste keer heeft een internationaal team van astronomen onder leiding van Northumbria University een driedimensionale kaart gemaakt van de bovenste lagen van de atmosfeer van Uranus. Met behulp van de hooggevoelige instrumenten van de James Webb Space Telescope (JWST) zijn onderzoekers erin geslaagd de complexe structuur van de ionosfeer van de ijsreus te visualiseren, waarbij werd onthuld hoe het unieke magnetische veld spectaculaire infrarode aurora's aandrijft. Deze doorbraak, gepubliceerd op 19 februari 2026 in Geophysical Research Letters, biedt het meest gedetailleerde beeld tot nu toe van de energieoverdracht binnen de atmosfeer van de planeet en bevestigt een mysterieuze afkoelingstrend die wetenschappers al meer dan dertig jaar voor raadsels stelt.

Het onderzoek, geleid door promovendus Paola Tiranti, maakte gebruik van de Near-Infrared Spectrograph (NIRSpec) op de Webb-telescoop om Uranus gedurende bijna een volledige rotatie van 15 uur te observeren. Door de zwakke infrarode gloed van H3+-moleculen te detecteren, bracht het team de atmosfeer in kaart tot 5.000 kilometer boven het wolkendek. Deze studie markeert een aanzienlijke sprong voorwaarts ten opzichte van eerdere tweedimensionale momentopnamen, waardoor wetenschappers nu kunnen traceren hoe energie verticaal door de atmosfeer beweegt. De bevindingen vertegenwoordigen een mijlpaal in de planetaire wetenschap en bieden een nieuw kader voor het begrijpen van de energiebalans van ijsreuzen, zowel binnen ons zonnestelsel als rond verre sterren.

Waarom is het magnetisch veld van Uranus ongewoon en hoe beïnvloedt het de aurora's?

Het magnetisch veld van Uranus is ongebruikelijk omdat het ongeveer 60 graden gekanteld is ten opzichte van de rotatieas en aanzienlijk verschoven is ten opzichte van het middelpunt van de planeet. Deze scheve uitlijning zorgt ervoor dat de magnetosfeer chaotisch tuimelt terwijl de planeet roteert, waardoor geladen deeltjes de atmosfeer in worden gestuurd. Dit creëert complexe, verschuivende infrarode aurora's die niet samenvallen met de geografische polen.

In tegenstelling tot de Aarde, waar het magnetisch veld relatief in lijn ligt met de rotatieas, heeft Uranus een axiale kanteling van 98 graden, waardoor de planeet in feite op zijn zij draait. Hoofdauteur Paola Tiranti merkte op dat de gevoeligheid van de Webb-telescoop het team in staat stelde om voor het eerst "de invloed van het scheve magnetische veld" in drie dimensies te zien. De waarnemingen detecteerden twee verschillende, heldere aurorabanden nabij de magnetische polen. Tussen deze banden identificeerden onderzoekers een unieke afname in emissie en ionendichtheid, een kenmerk dat waarschijnlijk wordt veroorzaakt door de specifieke geometrie van de magnetische veldlijnen die de deeltjes door de bovenste lagen van de atmosfeer leiden.

Hoe is de bovenste atmosfeer van Uranus de afgelopen 30 jaar afgekoeld?

De bovenste atmosfeer van Uranus vertoont sinds het begin van de jaren 90 een consistente afkoelingstrend, met huidige metingen die een gemiddelde temperatuur van ongeveer 426 kelvin (150 graden Celsius) registreren. Deze langdurige daling houdt aan ondanks de seizoensveranderingen op de planeet, wat suggereert dat interne atmosferische circulatie of complexe ionosferische chemie een dominante rol speelt bij het reguleren van de thermische toestand van de ijsreus.

De metingen van het team bevestigen dat de afkoelingstrend die door grondtelescopen en eerdere ruimtesondes werd waargenomen, is doorgezet tot in 2026. De data van de JWST lieten zien dat de temperaturen nu aanzienlijk lager zijn dan die aan het eind van de 20e eeuw. Dit fenomeen is bijzonder verrassend gezien de afstand van Uranus tot de Zon, aangezien traditionele modellen voor zonneverwarming deze verschuivingen niet volledig kunnen verklaren. Wetenschappers geloven dat het ontrafelen van het mechanisme achter deze afkoeling essentieel is om te begrijpen hoe reuzenplaneten hun temperatuur over periodes van tientallen jaren reguleren.

Wat onthullen de nieuwe metingen over de ionendichtheid in de atmosfeer van Uranus?

De nieuwe metingen onthullen dat de ionendichtheid in de atmosfeer van Uranus een maximum bereikt op ongeveer 1.000 kilometer boven de wolkentoppen, terwijl de atmosferische temperaturen veel hoger pieken, tussen 3.000 en 4.000 kilometer. De kartering identificeerde ook "donkere" regio's met een lage ionendichtheid tussen de aurorabanden, vergelijkbaar met structuren die eerder bij Jupiter zijn waargenomen.

Deze bevindingen werden mogelijk gemaakt door General Observer-programma 5073, geleid door Dr. Henrik Melin van Northumbria University. Door gebruik te maken van de Integral Field Unit van de telescoop, was het team in staat de verticale structuur van de ionosfeer te isoleren. Het onderzoek benadrukt dat de dichtheid van ionen geen uniform verloop volgt; in plaats daarvan wordt deze sterk beïnvloed door de magnetische omgeving van de planeet. Paola Tiranti legde uit dat het traceren van deze verticale structuur een cruciale stap is in het karakteriseren van de atmosferische dynamica van reuzenplaneten buiten ons zonnestelsel, waar vergelijkbare magnetische anomalieën kunnen bestaan.

Implicaties voor de energiebalans van ijsreuzen

Het begrijpen van de energiebalans van Uranus heeft bredere implicaties voor het vakgebied van de exoplanetaire wetenschap. Aangezien ijsreuzen tot de meest voorkomende soorten planeten in het sterrenstelsel behoren, dient de 3D-kaart van de onderzoekers van Northumbria University als een "gouden standaard" voor wat men van vergelijkbare werelden kan verwachten. De studie suggereert dat aurorale verhitting en interacties met het magnetisch veld de belangrijkste drijfveren zijn van atmosferisch gedrag, en mogelijk zwaarder wegen dan de invloed van zonnestraling voor planeten die zich op grote afstand van hun moederster bevinden.

De gegevens bieden ook een kritische context voor toekomstige verkenningsmissies. Momenteel evalueren ruimtevaartorganisaties de Uranus Orbiter and Probe-missie, die bedoeld is om het binnenste en de atmosfeer van de planeet in situ te bestuderen. De bevindingen van de JWST helpen bij het verfijnen van de instrumenten en missieparameters die nodig zijn om de ionosfeer van dichtbij te bestuderen. Door de specifieke hoogtes te onthullen waar de ionendichtheid en temperatuur pieken, stelt het onderzoek ingenieurs in staat om de atmosferische weerstand en de stralingsomgeving die een toekomstige sonde zou tegenkomen, beter te voorspellen.

Een vergelijkende blik op planetaire aurora's

Hoewel de aurora's op Uranus worden aangedreven door het scheve magnetische veld, vertonen ze fundamentele overeenkomsten met aurora-activiteit elders in het zonnestelsel. Op de Aarde is de aurora-activiteit momenteel hoog, met een Kp-index van 5 die duidt op matige (G1) geomagnetische stormactiviteit. Tijdens dergelijke perioden zijn aurora's zichtbaar op breedtegraden tot 56,3 graden, inclusief regio's zoals:

• Fairbanks, Alaska (VS)
• Reykjavik, IJsland
• Tromsø, Noorwegen
• Stockholm, Zweden
• Helsinki, Finland

Op Uranus vinden deze "lichtshows" echter plaats in het infrarode spectrum en zijn ze veel uitgestrekter, waarbij ze duizenden kilometers de ruimte in reiken. De JWST heeft onlangs ook vergelijkbare verschijnselen vastgelegd op Jupiter en Neptunus, wat suggereert dat aurora-activiteit een universeel kenmerk is van gemagnetiseerde planeten, hoewel de specifieke visuele manifestatie sterk afhangt van de chemische samenstelling en magnetische oriëntatie van de planeet.

De toekomst van onderzoek naar ijsreuzen

Het succes van dit 3D-mappingproject luidt een nieuw tijdperk in voor de onderzoeksgroep Solar and Space Physics van Northumbria University. Toekomstige studies zullen zich waarschijnlijk richten op de volgende stappen in het onderzoek naar Uranus: bepalen of de 30-jarige afkoelingstrend cyclisch is of een permanente verschuiving betreft. Astronomen zijn van plan de James Webb Space Telescope te gebruiken voor vervolgwaarnemingen tijdens verschillende punten in de 84-jarige omloopbaan van de planeet, om te zien hoe de veranderende seizoenen de 3D-structuur van de ionosfeer beïnvloeden.

Als het meest vooraanstaande observatorium voor ruimtewetenschap blijft Webb mysteries in onze eigen achtertuin oplossen terwijl het kijkt naar de oorsprong van het universum. Deze studie, ondersteund door NASA, de ESA en de CSA, onderstreept het belang van internationale samenwerking bij het aanpakken van de meest complexe vragen in de planetaire wetenschap. Met de voltooiing van de eerste 3D-kaart van Uranus is de wetenschappelijke gemeenschap een stap dichter bij het begrijpen van de "mysterieuze structuren" van de reuzen die zich aan de rand van ons zonnestelsel bevinden.