Mengapa Tompok Gelap Neptun Muncul dan Hilang?

Apabila Voyager 2 melintasi Neptun pada 1989, imejnya menunjukkan satu ciri besar yang dinamakan Tompok Gelap Besar. Bentuknya mengingatkan ahli astronomi kepada Tompok Merah Besar Musytari. Namun apabila Hubble Space Telescope memeriksa Neptun beberapa tahun kemudian, tompok besar itu sudah tiada, dan tompok gelap lain kemudian muncul dan lenyap pula.

Tompok seperti ini dikaitkan dengan sistem berputar di dalam atmosfera yang dinamakan vorteks gelap. Persoalannya ialah mengapa ia kelihatan gelap, dan bagaimana kita boleh mengetahuinya dari jauh.

Bukan satu Tompok Gelap yang kekal

Nama Tompok Gelap Besar boleh memberi gambaran seolah-olah Neptun mempunyai satu ribut kekal seperti Tompok Merah Besar Musytari, tetapi pemerhatian menunjukkan keadaan sebenar berbeza. Voyager 2 melihat dua ciri gelap di hemisfera selatan Neptun pada 1989. Apabila Hubble memerhatikan planet itu pada 1994, kedua-duanya sudah hilang, lalu Hubble mengesan tompok baharu di hemisfera utara. Sejak 1993, Hubble telah memerhatikan beberapa vorteks gelap sementara yang muncul pada latitud berlainan.

Satu tompok yang ditemui pada 2015 pula dapat diperhatikan ketika ia mengecil. Paksi panjangnya berkurang daripada kira-kira 5,000 km kepada 3,700 km dalam tempoh pemerhatian sekitar dua tahun. Kajian berdasarkan pemerhatian Hubble menganggarkan bahawa secara purata, satu tompok gelap baharu muncul setiap empat hingga enam tahun. Tompok yang dikaji mempunyai anggaran jangka hayat sekurang-kurangnya satu hingga dua tahun dan tidak melebihi sekitar enam tahun, walaupun tempoh sebenar berbeza antara vorteks. Jadi tompok gelap Neptun merujuk kepada satu kelas fenomena atmosfera, bukan satu objek yang hidup sejak 1989.

Vorteks dalam atmosfera

Tompok-tompok ini berkait dengan vorteks antisiklon, iaitu sistem berputar bertekanan tinggi. Putaran Neptun menghasilkan kesan Coriolis yang membantu mengekalkan struktur berputar pada latitud tertentu. Vorteks juga mempengaruhi udara di sekelilingnya. Apabila aliran udara dialihkan ke atas di sekitar vorteks, gas boleh menyejuk sehingga metana memeluwap dan membentuk kristal ais, lalu menghasilkan awan putih cerah yang kadangkala kelihatan berhampiran tompok gelap.

NASA membandingkan proses ini secara longgar dengan awan yang terbentuk apabila udara di Bumi dipaksa naik merentasi gunung, walaupun Neptun tidak mempunyai gunung pepejal pada aras awan tersebut. Awan putih itu dan tompok gelap bukan benda yang sama: awan cerah ialah tindak balas atmosfera di sekitar sistem vorteks.

Mengapa tompok itu kelihatan gelap?

Soalan ini lebih sukar daripada mengenal pasti vorteks. Penjelasan lama yang munasabah ialah tompok gelap mungkin kawasan dengan awan yang lebih nipis atau terbuka, seolah-olah tingkap yang membolehkan kita melihat lapisan atmosfera lebih dalam dan lebih gelap. Pemerhatian spektrum yang jauh lebih terperinci kemudian menguji idea tersebut.

Pada 2019, pasukan yang diketuai Patrick Irwin menggunakan instrumen MUSE pada Very Large Telescope milik European Southern Observatory untuk memerhatikan vorteks NDS-2018. MUSE mengukur cahaya pantulan Neptun pada ratusan hingga ribuan saluran panjang gelombang, membolehkan penyelidik membandingkan bagaimana tompok itu kelihatan pada warna berbeza. Hasilnya menunjukkan tompok itu tidak dapat diterangkan hanya sebagai ruang kosong dalam lapisan awan.

Model terbaik menunjukkan zarah pada lapisan aerosol dalam sekitar tekanan 5 bar menjadi kurang memantulkan cahaya pada panjang gelombang pendek, khususnya bahagian biru-hijau spektrum. Lapisan itu dipercayai berkaitan campuran jerebu fotokimia dan ais hidrogen sulfida. Dengan kata lain, kita melihat zarah yang menjadi lebih gelap, bukan semata-mata melihat melalui sebuah lubang.

Gelap bergantung pada warna cahaya

Satu objek tidak semestinya sama gelap pada semua panjang gelombang. Tompok NDS-2018 sangat ketara pada panjang gelombang lebih pendek tetapi menjadi jauh kurang jelas pada panjang gelombang merah dan inframerah dekat, dan analisis spektrum mendapati penggelapan utama berlaku di bawah kira-kira 700 nanometer. Ini penting kerana panjang gelombang berlainan menembusi atmosfera ke kedalaman berlainan.

Dengan membandingkan cahaya pada banyak panjang gelombang, ahli astronomi dapat menganggar lapisan tekanan tempat perubahan berlaku. Kaedah ini membawa mereka kepada lapisan aerosol sekitar 5 bar, iaitu jauh lebih dalam daripada jerebu yang membentuk rupa luar Neptun.

Bagaimanakah tompok itu boleh hilang?

Vorteks Neptun bukan struktur pepejal. Ia wujud selagi keadaan dinamik atmosfera dapat mengekalkan peredarannya. Pemerhatian Hubble terhadap satu vorteks yang ditemui pada 2018 menunjukkan sistem itu bergerak ke arah selatan menuju khatulistiwa. Model meramalkan bahawa vorteks yang menghampiri khatulistiwa akan kehilangan sokongan daripada kesan Coriolis yang semakin lemah lalu berpecah. Namun vorteks tersebut mengejutkan penyelidik: sekitar 2020, ia berubah arah dan kembali bergerak ke utara.

Pada masa yang hampir sama, satu tompok gelap lebih kecil muncul berhampirannya dan kemudian hilang. Penyelidik mencadangkan ciri kecil itu mungkin serpihan vorteks utama yang terpisah, tetapi pemerhatian tidak cukup untuk memastikan hubungan tersebut.

Bagaimanakah kita tahu mengapa tompok itu gelap?