Astronomia 4: URANO

URANO

Scoperta	13 marzo 1781
Scopritore	William Herschel
Classificazione	Gigante gassoso
Parametri orbitali
(All'epoca J2000)
Semiasse maggiore	2 870 972 220 km 19,19126393 UA[1]
Perielio	2 735 555 035 km 18,28605596 UA[1]
Afelio	3 006 389 405 km 20,09647190 UA[1]
Circonf. orbitale	18 029 000 000 km 120,515 UA[1]
Periodo orbitale	84,07 anni
Periodo sinodico	369,65 giorni[2]
Velocità orbitale	6,49 km/s[2] (min) 6,81 km/s[2] (media) 7,11 km/s[2] (max)
Inclinazione sull'eclittica	0,76986°
Inclinazione rispetto all'equat. del Sole	6,48°
Eccentricità	0,04716771[1]
Longitudine del nodo ascendente	74,22988°
Argom. del perielio	96,73436°
Satelliti	27
Anelli	13
Dati fisici
Diametro equat.	51 118 km
Diametro polare	49 946 km
Schiacciamento	0,0229
Superficie	8,084 × 1015 m²
Volume	6,834 × 1022 m³
Massa	8,6832 × 1025 kg
Densità media	1,318 × 103 kg/m³
Acceleraz. di gravità in superficie	8,69 m/s² (0,886 g)
Velocità di fuga	21 290 m/s
Periodo di rotazione	0,71833 giorni (17 h 14 min 24 s) (retrograda)
Velocità di rotazione (all'equatore)	2 590 m/s
Inclinazione assiale	97,77°
A.R. polo nord	77,31° (5 h 9 min 15 s)
Declinazione	15,175°
Temperatura alla sommità delle nubi	55 K (media)
Temperatura superficiale	59 K (min) 68 K (media)
Pressione atm.	1200 hPa (al livello delle nubi)
Albedo	0,65
Dati osservativi
Magnitudine apparente da Terra	5,9 - 5,32[2]

Urano è il settimo pianeta del sistema solare in ordine di distanza dal Sole, il terzo per diametro e il quarto per massa. Il suo simbolo astronomico Unicode è . Porta il nome della divinità greca del cielo, Urano (Οὐρανός in greco antico), padre di Crono (Saturno) e nonno di Zeus (Giove). Sebbene sia visibile anche ad occhio nudo come gli altri cinque pianeti noti fin dall'antichità, non fu mai riconosciuto come tale a causa della sua bassa luminosità e della sua orbita particolarmente lenta; venne scoperto infatti soltanto il 13 marzo 1781 da William Herschel, diventando così il primo pianeta ad essere stato scoperto tramite un telescopio. Una curiosità riguardo alla sua scoperta è che essa giunse del tutto inaspettata: i pianeti visibili ad occhio nudo (fino a Saturno) erano conosciuti da millenni, e nessuno sospettava l'esistenza di altri pianeti, fino alla scoperta, più che altro per caso, di Herschel che notò come una particolare stellina sembrava spostarsi. Da quel momento in poi, nessuno fu più sicuro del reale numero di pianeti del nostro sistema solare.

La composizione chimica di Urano è simile a quella di Nettuno ed entrambi hanno una composizione differente rispetto a quella dei giganti gassosi più grandi Giove e Saturno; per questa ragione, gli astronomi talvolta preferiscono riferirsi a questi due pianeti trattandoli come una classe separata, i "giganti ghiacciati". L'atmosfera del pianeta, sebbene sia simile a quella di Giove e Saturno per la presenza abbondante di idrogeno ed elio, contiene una proporzione elevata di "ghiacci", come l'acqua, l'ammoniaca e il metano, assieme a tracce di idrocarburi; è anche l'atmosfera più fredda del sistema solare, con una temperatura minima che può scendere fino a 49 K (−224 °C). Possiede una complessa struttura di nubi ben stratificata, in cui si pensa che l'acqua si trovi negli strati inferiori e il metano in quelli più in quota. L'interno del pianeta al contrario sarebbe composto principalmente di ghiacci e rocce.

Una delle caratteristiche più insolite del pianeta è l'orientamento del suo asse di rotazione. Tutti gli altri pianeti hanno il proprio asse quasi perpendicolare al piano dell'orbita, mentre quello di Urano è quasi parallelo. Ruota quindi mantenendo uno dei suoi poli verso il Sole per metà del periodo di rivoluzione con conseguente estremizzazione delle fasi stagionali.^[6] Inoltre, poiché l'asse è inclinato di poco più di 90°, la rotazione è tecnicamente retrograda: Urano ruota nel verso opposto rispetto a quello di tutti gli altri pianeti del sistema solare (eccetto Venere), anche se vista l'eccezionalità dell'inclinazione la rotazione retrograda è solo una nota minore. Il periodo della sua rivoluzione attorno al sole è di circa 84 anni terrestri e quindi ogni 42 anni cambia il polo esposto al sole, che ha una temperatura superiore rispetto a quella dell'equatore. La sua orbita giace in pratica sul piano dell'eclittica (inclinazione di 0,7°).

Come gli altri pianeti giganti, Urano possiede un sistema di anelli planetari, una magnetosfera e numerosi satelliti; visti da Terra, a causa dell'inclinazione del pianeta, i suoi anelli possono talvolta apparire come un sistema concentrico che circonda il pianeta come fossero anelli di un bersaglio e le sue lune girargli attorno come fossero lancette di un orologio, sebbene nel 2007 e 2008 gli anelli apparivano di taglio. Nel 1986 la sonda Voyager 2 mostrò Urano come un pianeta senza alcun segno distintivo sulla sua superficie, come bande e tempeste, tipiche invece degli altri pianeti gassosi; tuttavia, le osservazioni condotte dalla Terra hanno mostrato delle evidenze di cambiamenti legati alle stagioni e un aumento dell'attività climatica, come il pianeta si è avvicinato all'equinozio. La velocità dei venti su Urano può raggiungere i 250 metri al secondo, pari a ben 900 km/h.

Il pianeta manifesta fluttuazioni nella luminosità, ben documentate, determinate sia da cambiamenti fisici dell'atmosfera del pianeta, sia da considerazioni geometriche e prospettiche. La luminosità di Urano è influenzata dalla sua distanza dal Sole, dalla distanza dalla Terra e dalla particolare vista che offre al nostro pianeta: Urano appare leggermente più grande e più luminoso quando mostra le regioni polari alla Terra. Inoltre è stata individuata una correlazione tra l'attività solare e la luminosità del pianeta: durante i periodi di intensa attività solare, le fluttuazioni nella luminosità del pianeta sono più pronunciate.

Tra il 1995 ed il 2006 la magnitudine apparente di Urano è variata fluttuando tra +5,5 e +6,0, ponendolo giusto al di sopra del limite per la visibilità ad occhio nudo, intorno +6,5. All'opposizione, è visibile come una debole stella quando il cielo è scuro e può essere osservato anche in ambiente urbano usando un binocolo. Dalla terra ha un diametro compreso tra 3,4 e i 3,7 secondi d'arco. Con un telescopio a 100 ingrandimenti si riesce ad intravedere la forma di un disco, fino ad arrivare a 500× dove raggiunge le dimensioni angolari della Luna. Anche usando grossi telescopi non può essere visto nessun dettaglio del suo disco. In ogni modo studi all'infrarosso della sua atmosfera mediante l'utilizzo di ottiche adattive e del Telescopio spaziale Hubble hanno riportato dati interessanti nei vari anni dopo il passaggio della sonda Voyager 2.

L'osservazione dei satelliti del pianeta è difficoltosa. Oberon e Titania possono essere individuati con un telescopio da 8'', in un cielo particolarmente buio. Aperture di 12-14 '' e 16 '' dovrebbero permettere l'individuazione di Ariel ed Umbriel rispettivamente. Miranda può essere osservata solo con grandi telescopi.

L'atmosfera è spessa 7600 km ed è composta da idrogeno (83%), elio (15%), metano (2%) e con tracce di acqua ed ammoniaca. Nel 1986 la sonda spaziale Voyager 2 rilevò nubi trasportate da correnti d'aria di velocità compresa tra i 100 e i 600 km/h. Nel 1998 il telescopio spaziale Hubble ha fotografato, a differenti altitudini, circa 20 formazioni nuvolose tra le più luminose presenti nel sistema solare esterno. Le nubi sono probabilmente formate da cristalli di metano che condensano come bolle calde di gas risalenti dalle profondità di Urano. La parte sottostante, più dell'80% della massa del pianeta, è formata da un liquido composto principalmente da materiali "ghiacciati" di acqua, metano ed ammoniaca, mentre la parte centrale è formata da materiale più denso.

Il colore ciano del pianeta è dovuto alla presenza di metano nell'atmosfera, che assorbe la luce rossa e riflette quella blu. La temperatura della superficie delle nuvole che ricoprono Urano è di circa 55 K (-218 °C o -360 °F); Urano è talmente distante dal Sole che la differenza di temperatura tra l'estate e l'inverno è quasi nulla.

Urano è composto principalmente di rocce e vari tipi di ghiaccio, con solo circa il 15% di idrogeno e una piccola frazione di elio (questo in contrasto con Giove e Saturno che invece sono composti principalmente da idrogeno). Urano (come Nettuno) è in molti modi simile alla parte interna di Giove e Saturno, senza però la massiccia presenza di idrogeno metallico liquido che i due pianeti giganti posseggono grazie alle pressioni enormi che esercitano sulle loro parti interne. Urano, di massa più piccola, non può generare una pressione sufficiente. Sembra inoltre che Urano non abbia un nucleo roccioso, ma invece il materiale che lo compone sembra essere più o meno distribuito in modo uniforme.

La principale particolarità di Urano sta nell'inclinazione del suo asse che si trova inclinato di 98° sul piano dell'orbita. Si può pertanto affermare che l'asse di rotazione di Urano giace quasi sul suo piano orbitale. Di conseguenza, uno dei due poli vedrà il Sole per metà dell'orbita, e per la successiva metà dell'orbita cadrà nella zona in ombra. Nel tratto intermedio all'inversione dei due poli rispetto al Sole, si verifica la situazione in cui il Sole sorge e tramonta intorno all'equatore normalmente.

Quando il Voyager 2 visitò il pianeta nel 1986, il polo sud di Urano era diretto verso il Sole. Da notare che l'assegnazione di questo polo come polo sud è attualmente in discussione. Urano può essere descritto come pianeta che ha un'inclinazione dell'asse leggermente maggiore di 90° o come pianeta che ha un'inclinazione leggermente inferiore a 90° e una rotazione retrograda. Queste due descrizioni sono esattamente equivalenti come descrizione fisica di un pianeta, ma il risultato è che la definizione di Polo Nord e Polo Sud è una l'opposta dell'altra.

Un risultato di questo strano orientamento è che le regioni polari di Urano ricevono una grande quantità di energia dal Sole in maniera maggiore rispetto alle regioni prossime all'equatore. Tuttavia Urano è più caldo all'equatore che ai poli, anche se il meccanismo responsabile di ciò non è attualmente conosciuto. È sconosciuta anche la ragione per cui l'asse di rotazione di Urano è così inclinato. Per spiegare quest'ultimo fatto è stata presentata un'ipotesi che si basa su una possibile collisione di Urano, durante le fasi di formazione, con un altro protopianeta, con risultato finale questa strana inclinazione dell'asse.

Sembra anche che l'estrema inclinazione dell'asse di rotazione di Urano causi delle variazioni estreme nelle stagioni per quanto riguarda il tempo meteorologico. Durante il viaggio del Voyager 2 le nubi di Urano erano estremamente deboli e miti, mentre osservazioni più recenti (2005) fatte tramite il telescopio spaziale Hubble hanno rilevato una presenza molto più accentuata e turbolenta di allora, quando l'inclinazione dell'asse stava portando l'equatore nella direzione perpendicolare al Sole (tale allineamento si è avuto nel 2007).

Il campo magnetico di Urano è particolare, in quanto non ha il suo centro nel nucleo del pianeta ed è inclinato di almeno 60° rispetto all'asse di rotazione. Probabilmente è generato dal movimento a profondità relativamente superficiali all'interno del pianeta. Nettuno ha un campo magnetico simile e quindi si pensa che questa stranezza non sia dovuta alla strana inclinazione dell'asse di Urano. La magnetosfera è attorcigliata dalla rotazione del pianeta in una spirale retrostante il pianeta stesso. La sorgente del campo magnetico è sconosciuta (2007); attualmente non si ritiene più vera la supposizione dell'esistenza, tra il nucleo del pianeta e l'atmosfera, di un oceano super-pressurizzato composto da acqua ed ammoniaca che avrebbe potuto generare una conduzione elettrica.

Urano possiede un sistema di anelli appena percettibile, composto da materia scura e polverizzata fino a 10 km di diametro. Il sistema di anelli fu scoperto il 10 marzo 1977 da James L. Elliot, Edward W. Dunham e Douglas J. Mink grazie all'osservatorio volante Kuiper Airborne Observatory. La scoperta fu inaspettata: gli astronomi avevano predisposto l'aereo appositamente per studiare un fenomeno molto raro: l'occultazione di una stella da parte di Urano, con l'intento di poter studiare la sua atmosfera, che avrebbe filtrato i raggi della stella, prima che questa scomparisse dietro il pianeta. Il C141 trasportava un telescopio di 90 cm e un fotometro fotoelettrico molto sensibile, capace di misurare le più piccole variazioni di luminosità. Quando i ricercatori analizzarono le loro osservazioni scoprirono che la stella era scomparsa brevemente dalla vista cinque volte prima e dopo l'occultamento da parte del pianeta. Dopo ripetuti controlli, nel dubbio di un difetto nello strumento, conclusero che intorno ad Urano doveva esserci un sistema di anelli analoghi a quelli di Saturno. Tale sistema di anelli venne rilevato direttamente quando la sonda spaziale Voyager 2 passò nei pressi di Urano nel 1986.

Urano possiede due sistemi di anelli. Il sistema più interno è formato da undici sottili anelli planetari, mentre quello più esterno è formato da due anelli.

Nel dicembre 2005 il telescopio spaziale Hubble ha fotografato due nuovi anelli, il più largo dei quali ha un diametro due volte più grande degli anelli precedentemente conosciuti.^[20] I due anelli sono così lontani dal pianeta che sono stati chiamati il "secondo sistema di anelli" di Urano. Gli scienziati che hanno effettuato lo studio ipotizzano che l'anello più esterno venga continuamente alimentato dal satellite Mab, scoperto nel 2005 e dal diametro di circa 20 km, che orbita all'interno di tale anello.

Il pianeta Urano possiede un complesso sistema di satelliti naturali; quelli scoperti fino ad oggi (2011) sono ventisette.
Diversamente dalle altre lune dei pianeti del sistema solare i cui nomi sono tratti da personaggi della mitologia greca, i nomi dei satelliti uraniani provengono da opere dei poeti inglesi William Shakespeare ed Alexander Pope.

Fra il 1994 al dicembre 2005 molte orbite dei satelliti di Urano sono variate, come è stato possibile desumere dal confronto dei dati raccolti mediante il telescopio spaziale Hubble con le osservazioni del programma Voyager. Sembra che un processo casuale causi un continuo scambio di energia e momento angolare tra le lune. Secondo i calcoli le lune di Urano dovrebbero arrivare ad una collisione ogni pochi milioni di anni, un tempo straordinariamente breve rispetto ai 4,5 miliardi di anni di vita del sistema solare. Il sistema di satelliti di Urano si dimostra così molto giovane e instabile; gli scienziati pensano di utilizzarlo come modello per studiare la formazione ed il mantenimento di un sistema planetario.

I satelliti di Urano possono essere a grandi linee distinti in due gruppi, i satelliti regolari e gli irregolari, a seconda del tipo di orbita e della loro origine.

I satelliti regolari di Urano si distinguono per avere orbite quasi circolari e relativamente piccole (rispetto al campo gravitazionale del pianeta) e in aggiunta sono situati molto vicino al piano equatoriale del pianeta.

I cinque satelliti principali - Miranda, Ariel, Umbriel, Titania e Oberon - fanno tutti parte del gruppo dei satelliti regolari; il loro periodo di rotazione è pari periodo orbitale (similmente a quando accade per la Luna con la Terra, cioè, essi rivolgono sempre lo stesso emisfero verso la superficie di Urano, secondo un moto di rotazione sincrona).

Il gruppo dei satelliti regolari comprende anche 13 lune minori, ovvero Cordelia, Ofelia, Bianca, Cressida, Desdemona, Giulietta, Porzia, Rosalinda, Cupido, Belinda, Perdita, Puck e Mab. Si ritiene che tutti i satelliti regolari, che complessivamente sono diciotto, si siano formati mediante il tradizionale processo di accrescimento di dischi protoplanetari orbitanti intorno ad Urano, analogamente ai principali pianeti del sistema solare.