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Is there an atmosphere around Titania, satellite of Uranus ?

1er mars 2002

On September 8, 2001, around 2h UT, the Hipparcos star #106829 (alias SAO 164538), of visible magnitude 7.2, was occulted by Titania, the largest of Uranus’ moons. This event was discovered independently by Jean Meeus and Claudio Martinez (Argentina), late 1999 and beginning of 2001, respectively. It was widely announced by IOTA (International Occultation Timing Association) at the beginning of 2001 and triggered an intense preparation among related countries (Figure 1). Bruno Sicardy and Thomas Widemann, with François Colas, Jean Lecacheux, Sylvain Pau and William Thuillot, from Observatoire de Paris, took this exceptional occasion to search for an atmosphere around Titania, and report today the results of their search.

The unusual brightness of the star allowed many astronomers, amateurs or professionals, to observe this very rare event, considering the very small angular diameter of Titania from Earth (0.11 arcsec). A rough estimate yields a recurrence period of the event every few millennia ! The observations were undertaken either visually with small telescopes, or by the recording of several images per second of the event on videotape or CCD. The occultation was successfully followed from Western Europe, low above the horizon, in the Northern Atlantic, the Caribbean, and the north of South America, where the occultation was visible near zenith (Figure 1). titania_f3l.jpg Figure 1. Cast shadow on Earth of star Hipparcos #106829 occulted by Titania. Titania’s shadow was cast on Earth’s night side at a ground velocity of 21,3 km s-1, for a maximum duration of approximately 74 s. The phenomenon was observed at low height angle from France, UK, Italy, Spain, Morocco, Portugal, and closer to zenith from the Caribbean (Barbados, Tobago, Aruba) and from Northern South-America (Ecuador, Venezuela). Each dot on trajectory center indicates the shadow center transit time in UT by 1-minute intervals. The shadow width equals Titania physical diameter, or 1580 km. Click on the figure to enlarge. titania_f5l.jpg Figure 2. Titania’s disk superimposed to various occultation chords of star Hipparcos #106829 on the night of September 8, 2001. The ellipse portion in dark solid line is Titania’s equator, dividing the southern (left) and northern hemisphere (right). The small square near the limb on the left indicates Titania’s south pole. The star immersion occurred on the right, in the northern hemisphere (the uranian system was in retrograde motion at the time of occultation). The emersion occurred to the left, near the satellite ’s south pole. Each parallel track corresponds to a terrestrial observing location where an observer recorded successfully the phenomenon. Click on the figure to enlarge. Titania was discovered in 1787 by William Herschel. It was named after the Queen of Fairies, Oberon’s wife, in William Shakespeare’s play A Midsummer Night’s Dream, written in 1597 (see below a painting by Frank Cardogan Cowper representing Titania’s sleep). http://www.emory.edu/ENGLISH/classe... Painting from Frank Cadogan Cowper Click on the figure to enlarge. This satellite, composed of 40-50% ice, has a diameter of 1580 km and orbits Uranus’ equatorial plane in a period of 8.7 days, at a distance of 436,000 km. It was also discovered by William Herschel in 1781. On the southern hemisphere portion observed in January 1986 by Voyager II (Figure 3), the surface is a mixture of cratered terrain and systems of interconnected valleys hundreds of kilometers long. Like Uranus, Titania’s south pole remained in sunlight for several decades while the northern hemisphere was dark, as the uranian system reached winter solstice in 1985. Approaching spring equinox (2006), gradual heating of regions which stood long in obscurity may produce a tenuous atmosphere through sublimation. The occultation measurement gives an upper limit in pressure for such an atmosphere. titania_f7l.jpg Figure 3. Titania, observed by the Voyager II probe in January 1986. With a diameter of 1580 km, it is the larger uranian satellite. It represents 60% of Triton’s size (and 16% of its mass), or 70% of Pluto’s size (26% of its mass), two bodies with a tenuous nitrogen (N2) atmosphere). But being closer to the Sun than those two bodies, Titania is also warmer, T 60-65K, instead of 40K (Grundy et al. 1999, Icarus 142, 536). This prevents a permanent N2 atmosphere, which would escape at such temperature. A water vapor (H2O) atmosphere would be on the contrary precipitated in ice form, because Titania is too cold. A methane (CH4) atmosphere is possible theoretically, while no indication of CH4 ice in IR spectra of Titania’s surface has been obtained, putting into question the source of such an atmosphere. However, a transient atmosphere, composed of N2, CO or NH3 may be considered, in light of the fact that sunlight is currently warming the northern hemisphere, parts of which remained in darkness for more than 40 years. Data obtained on September 8 allowed to establish an upper limit of 0.03 microbar for an atmosphere in local thermodynamical equilibrium near the surface. Click on the figure to enlarge. Data collected by Observatoire de Paris members, in Aruba (T. Widemann) and Ecuador (B. Sicardy, F. Colas, S. Pau) present the best signal-to-noise ratio, thanks to small angular distance of object to zenith, and to quality of instrumentation (CCD cameras of IOTA association, set up in fast acquisition mode by W. Beisker). Their teams’ mobility on the ground allowed for the choice of an optimal observing site only hours before the event. A first analysis of those results allows to : determine Titania’s O-C (observed position - calculated position) to a

Hipparcos star, with a precision better than 10 milli-arcsec (mas) ;

measure Titania’s diameter with an accuracy of about 1-km, and probably detect

geological features on the limb ; give a very small upper-limit for a possible Titania atmosphere (similar to

Pluto’s) : 3.10-8 bar ; directly measure the angular diameter of the occulted star, a K0 red giant

: 0.55 mas, at a distance of 170 pc given by the Hipparcos satellite. titania_f9l.jpg Figure 4. Detection limits for a planetary atmosphere around Titania. The figure shows the occultation data plotted as a function of radius (i.e. the distance to the center of Titania’s shadow), instead of time. We have used three data sets (two at Salinas, Ecuador and one at Aruba) to generate six occultation curves (corresponding to ingress and egress), which have been blended together and smoothed to a resolution of about 5 km. The theoretical curves (solid, dash-dotted and dotted) correspond to isothermal atmospheres composed of nitrogen N2 at hydrostatic equilibrium, with a scale height of H=47 km and temperature T=60 K, for three pressure values : 0 bar (solid), 0.03 microbar (dash-dotted), 0.1 microbar (dotted). This figure shows the existence of an upper limit of the order of 0.03 microbar for an atmosphere in equilibrium. Click on the figure to enlarge. A web site has been established at l’Observatoire de Paris to present the data obtained during this occultation, and provide information on the scientific results in the wake of this event. More general information can be found about Titania and the occultation phenomenon, as well as an extensive list of observations known up to the present time. titania_f11l.jpg

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Référence : These results will be published soon in refereed journals.

Contact : Bruno Sicardy (Observatoire de Paris (LESIA)

(bruno.sicardy obspm.fr) Thomas Widemann (Observatoire de Paris (LESIA) (thomas.widemann obspm.fr)

Dernière modification le 4 mars 2013

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Y-a-t-il une atmosphère autour de Titania, satellite d’Uranus ?

1er mars 2002

Le 8 septembre 2001 vers 2h TU, l’étoile du catalogue Hipparcos #106829 (alias SAO 164538), de magnitude visible 7.2, a été occultée par Titania. Cet événement, découvert indépendamment par Jean Meeus et par Claudio Martinez (Argentine) fin 1999 et début 2001, a été largement annoncé par l’IOTA (International Occultation Timing Association) au début de l’année 2001 et a suscité une intense préparation dans les différents pays concernés (Figure 1). Bruno Sicardy et Thomas Widemann, avec François Colas, Jean Lecacheux, Sylvain Pau et William Thuillot, de l’Observatoire de Paris, en ont profité pour rechercher une atmosphère autour de Titania, et reportent aujourd’hui les résultats de cette recherche.

L’éclat relativement élevé de l’étoile (7.2) a permis à de nombreux astronomes amateurs et professionnels d’observer conjointement ce phénomène très rare, compte-tenu du très petit diamètre angulaire de Titania sur le ciel (0.11 arcsec). On peut ainsi estimer qu’une telle occultation ne se produit qu’une fois tous les plusieurs millénaires. Les observations ont été faites soit visuellement avec de petits télescopes, soit en enregistrant des images sur support vidéo ou CCD, à raison de plusieurs images par seconde. Le phénomène a été suivi en Europe occidentale, bas sur l’horizon, en Atlantique Nord, aux Caraïbes, et au nord du continent sud-américain, où l’occultation était visible près du zénith (Figure 1). titania_f3l.jpg Figure 1. Le passage de l’ombre portée de l’étoile Hipparcos #106829 occultée par Titania. L’ombre a balayé la surface nocturne de la Terre à une vitesse de 21,3 km s-1, pour une durée maximum de 74 s environ. Le phénomène a pu être observé bas sur l’horizon en France, en Grande-Bretagne, en Italie, en Espagne, en Algérie, au Maroc, au Portugal, et au voisinage du zénith en mer des Caraïbes (îles Barbades, Tobago, Aruba), ainsi qu’au nord de l’Amérique du Sud, en Equateur et au Vénezuela. Chaque point au centre de la trajectoire indique l’heure de passage du centre de l’ombre en TU par intervalle de 1 minute. La largeur de celle-ci correspond au diamètre physique du satellite, soit 1580 km. Cliquer sur la figure pour l’agrandir. titania_f5l.jpg Figure 2. Le disque de Titania superposé aux différentes cordes d’occultation de l’étoile Hipparcos #106829 la nuit du 8 septembre 2001. La portion d’ellipse en trait sombre est l’équateur de Titania, séparant l’hémisphère sud (à gauche) de l’hémisphère nord (à droite). Le petit carré près du limbe sur la gauche indique le pôle sud de Titania. L’immersion a eu lieu à droite, dans l’hémisphère nord (le système d’Uranus était en mouvement rétrograde à l’époque de l’occultation) et l’émersion s’est effectuée à gauche, au voisinage du pôle sud. Chaque tracé parallèle de la figure correspond à l’emplacement d’une station d’observation terrestre qui a pu observer ou enregistrer le phénomène avec succès. Cliquer sur la figure pour l’agrandir. Titania fut découverte en 1787 par William Herschel. Elle porte le nom de la reine des fées, épouse d’Obéron, dans la pièce de William Shakespeare, le Songe d’une nuit d’été, écrite en 1597 (voir ci-dessous le tableau de Frank Cadogan Cowper représentant Titania endormie) http://www.emory.edu/ENGLISH/classe... Tableau de Frank Cadogan Cowper Cliquer sur la figure pour l’agrandir. Ce satellite, constitué de 40 à 50 % de glace, a un diamètre de 1580 km et circule en 8,7 jours dans le plan équatorial d’Uranus, à une distance de 436 000 km de la planète, également découverte par William Herschel en 1781. Sur la portion de l’hémisphère sud observée par la sonde Voyager II en janvier 1986 (Figure 3), la surface est constituée de terrains cratérisés, auxquels se juxtapose un système de vallées mesurant chacune une centaine de kilomètres de long. Comme Uranus, le pôle sud de Titania est resté éclairé plusieurs décennies tandis que l’hémisphère nord restait dans l’ombre, du fait du passage du système d’Uranus au solstice d’hiver en 1985. A l’approche de l’équinoxe de printemps (2006), le réchauffement progressif des régions restées longtemps dans l’obscurité est susceptible de produire par sublimation une atmosphère ténue pour laquelle la méthode de mesure par occultation permet d’établir une limite supérieure en pression. titania_f7l.jpg Figure 3. Le satellite Titania, observé par la sonde Voyager 2 en janvier 1986. Titania, avec un diamètre 1580 km, est le plus gros des satellites d’Uranus. Il représente 60% de la taille de Triton (et 16% de sa masse), ou encore 70% de la taille de Pluton (26% de sa masse), deux corps qui possèdent une atmosphère d’azote (N2). Cependant, étant plus proche du Soleil que Pluton et Triton, Titania est aussi plus chaud, T 60-65K, au lieu de 40K (Grundy et al. 1999, Icarus 142, 536). Ceci rend la présence d’une atmosphère permanente de N2 improbable, car trop volatile. Une atmosphère de vapeur d’eau serait au contraire précipitée sous forme de glace, car Titania est trop froid. Une atmosphère de méthane (CH4) est théoriquement possible. Cependant, il n’y a pas d’indication de présence de CH4 dans les spectres IR de la surface du satellite, ce qui rend la source de cette atmosphère problématique. Cependant, une atmosphère transitoire, constituée de N2, de CO ou NH3 est tout à fait envisageable, dans la mesure où le Soleil commence actuellement à éclairer l’hémisphère nord du satellite, qui a été plongé dans l’obscurité depuis plus de 40 ans.Les données obtenues le 8 septembre ont permis d’établir une limite supérieure de 0.03 microbar pour une atmosphère en équilibre thermodynamique local au voisinage de la surface. Cliquer sur la figure pour l’agrandir. Les données recueillies par les membres de l’Observatoire de Paris à Aruba (T. Widemann) et en Equateur (B. Sicardy, F. Colas, S. Pau) présentent les meilleurs rapports signal sur bruit, grâce à la proximité de l’objet du zénith, à la qualité de l’instrumentation (caméras CCD rapides de l’association IOTA, configurées en mode d’acquisition rapide par W. Beisker). Enfin, grâce à la mobilité de leurs équipes sur le terrain, ils ont pu choisir de manière optimale les sites d’observation quelques heures seulement avant l’événement. Les premières analyses de ces résultats ont permis notamment de : préciser le O-C (position observée - position calculée) de Titania par rapport à une étoile du catalogue Hipparcos, avec une précision de moins de 10 milli-secondes d’arc (mas) retrouver le rayon du satellite avec une précision de l’ordre du km, et détecter sans doute du relief sur le limbe du satellite (Figure 2) donner une limite supérieure très faible pour une atmosphère éventuelle (similaire à celle de Pluton) de Titania : 3.10-8 bar (Figure 4) ; mesurer directement le diamètre angulaire de l’étoile occultée (une géante rouge K0) : 0.55 mas, pour une distance de 170 pc établie par le satellite Hipparcos. titania_f9l.jpg Figure 4. Limites de détection d’une atmosphère planétaire autour de Titania. La figure ci-dessus représente en grisé le flux normalisé de l’étoile Hipparcos #106829, exprimé en fonction de la distance au centre du satellite. Ce flux résulte de l’addition des observations effectuées à Salinas (Equateur) et à Aruba (ex. Antilles Néerlandaises). En trait plein, ce que l’on observerait en absence d’atmosphère (0 bar). En trait mixte, l’effet théorique sur le signal de l’étoile d’une atmosphère isotherme de 0.03 microbar, constituée d’azote N2 à l’équilibre hydrostatique, avec une hauteur d’échelle H = 47 km et une température T = 60 K. En trait pointillé, l’effet théorique d’une telle atmosphère pour un niveau de pression de 0.1 bar. Cette figure montre qu’il existe une limite supérieure de l’ordre de 0.03 microbar à l’existence d’une atmosphère en équilibre à la surface de Titania. Cliquer sur la figure pour l’agrandir. Un site internet a été établi à l’Observatoire de Paris dans le but de présenter les résultats obtenus lors de cette occultation, et de fournir des informations sur les résultats scientifiques déjà obtenus grâce à cet événement exceptionnel. Des informations plus générales sur Titania et sur le phénomène d’occultation sont également fournies, ainsi que le recensement détaillé des toutes les observations connues. titania_f11l.jpg

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Référence : Ces résultats seront publiés prochainement dans des revues à comité de lecture.

Contact : Bruno Sicardy (Observatoire de Paris (LESIA) (bruno.sicardy obspm.fr) Thomas Widemann (Observatoire de Paris (LESIA) (thomas.widemann obspm.fr)

Dernière modification le 22 février 2013