Неразгаданная тайна Сатурна
Вы можете думать, что знаете Сатурн. Его легендарные кольца — самые большие в Солнечной системе, а его туманно-желтая поверхность загадочна и мгновенно узнаваема. Это вторая по величине планета, наименее плотная и шестая от Солнца.
И все же Сатурн — планета, которая сбивает с толку ученых. Под его темной атмосферой скрывается огромная тайна, найденная зондом CASSINI; тайна, о которой у научного сообщества до сих пор нет единого мнения. Сатурн ведет себя не так, как утверждают наши традиционные модели, от его температуры до его магнитосферы и продолжительности его дней.
Что происходит с Сатурном? И каковы наши лучшие попытки объяснить эти загадочные явления? В этой статье, более чем через 5 лет после завершения миссии CASSINI, мы собираемся исследовать странные вопросы, поднятые данными CASSINI о Сатурне.
Исследования Сатурна
Зонд CASSINI прибыл к газовому гиганту 1 июля 2004 года. Это был не первый зонд, прибывший к Сатурну — 3 других уже совершали облет. Однако он был самым тщательным, поскольку, в отличие от своих предшественников, CASSINI оставался вокруг планеты в течение 13 лет, прежде чем в конечном итоге у него закончилось топливо и он был преднамеренно врезан в атмосферу Сатурна.
За это время он собрал огромное количество данных, сделав 453 048 изображений, а также бесчисленное количество показаний различных спектрометров, магнитометров и другого оборудования. За это время он собрал информацию о кольцах Сатурна, его многочисленных спутниках и атмосфере.
Он позволил получить полное представление о магнитном поле Сатурна и даже сделал лучшие на сегодняшний день изображения таинственного шестиугольного шторма Сатурна на его северном полюсе. Каждый из краев этого урагана шириной 29 000 км может удобно уместить Землю внутри, и, насколько мы можем судить, остается неподвижным на своем местоположении, перемещаясь вместе с вращением планеты; в отличие от остальных клубящихся облаков Сатурна, движимых ветрами со скоростью до 1800 км/ч. Этот шторм сам по себе является странным, бросая вызов нашему здравому смыслу и лучшим объяснениям ученых относительно того, как такой шторм мог образоваться (хотя есть некоторые лабораторные эксперименты, которые создали похожий шестиугольный шторм в гораздо меньших масштабах).
Не так легко как кажется
Но по мере того, как за годы, прошедшие после окончания его миссии, начали анализироваться горы данных CASSINI, стало появляться больше загадок. Все началось с довольно безобидного вопроса: сколько длится день на Сатурне?
Хотя мы наблюдаем за Сатурном в нашем небе тысячи лет, у ученых пока нет однозначного ответа. В конце концов, это было не так просто, как посмотреть на планету и увидеть, сколько времени требуется ее каменному ядру, чтобы вращаться. Плотный облачный покров Сатурна скрывает любые ориентиры, которые могут существовать на любой твердой поверхности внизу, и эти облака движутся к ядру с разной скоростью из-за сильного ветра.
Сами кольца вращаются вокруг Сатурна с разной скоростью, поэтому они не решают этот вопрос — вы не можете смотреть на их скорость, и надеяться, что это одно и то же. В конце концов, большинство лун этого не делают, так что кольца ничем не отличаются.
Довольно хитроумно, но у ученых есть методы определения вращения газового гиганта по его магнитному полю, и была надежда, что этот метод можно будет использовать на Сатурне. Планеты с магнитными полями производят их за счет динамо-эффекта. Поскольку планета вращается, жидкий металл в ядре вращается и смещается, и это колоссальное движение молекул создает массивные потоки энергии, которые, в свою очередь, создают магнитные поля. Одной из особенностей этого является то, что благодаря этому вращению полюс этого магнитного поля всегда смещен от оси вращения самой планеты. Если бы они выстроились в линию, магнитное поле не просуществовало бы долго.
Итак, все, что вам нужно сделать, это обнаружить магнитные поля вокруг планеты — что CASSINI мог бы сделать — и наблюдать, как магнитный полюс смещается по кругу вокруг истинной оси планеты. Как только магнитный полюс совершит один оборот, наступит ваш день.
Только вот Сатурн, видимо, играет не по правилам, так как его магнитный полюс практически идеально выровнен с осью вращения, с точностью менее 0,1 градуса. И несмотря на теорию динамо, утверждающую, что это невозможно, магнитное поле Сатурна живет и процветает. Его магнитный момент в 580 раз мощнее, чем у Земли, и он чрезвычайно влияет на систему Сатурна в целом.
Ученые не знают, как возникает это магнитное поле, так как это невозможно по теории динамо, но никакой другой способ создания такого поля не доказан. Либо в ядре Сатурна действует планетарное динамо, либо в атмосфере происходит какой-то другой эффект, искривляющий силовые линии магнитного поля, чтобы они идеально совпадали с осью вращения, либо мы наблюдаем совершенно новый метод создания магнитного поля.
Неразгаданные тайны
Итак, мы вернулись к чертежной доске для решения дня Сатурна. К счастью, радиация оказалась более полезной. Сатурн — электрически живая система. Заряженные ионы перемещаются между слоями в его атмосфере и даже между его кольцами и ионосферой. Ученые заметили, что Сатурн излучал радиоволны в результате воздействия всех магнитных полей, и интенсивность этих радиоволн возрастала и уменьшалась.
Фактически, это, казалось, отражало то, что вы могли бы ожидать увидеть в результате вращения планеты — более высокие уровни радиации будут появляться каждые 11 часов или около того. В результате ученые с некоторой уверенностью пришли к выводу, что это длина светового дня Сатурна. Их первоначальная оценка, основанная на данных «Вояджера», составляла 10 часов 39 минут и 23 секунды. Была надежда, что CASSINI сможет повысить точность этой цифры.
Первоначально CASSINI сделал это. Но затем это стало действительно странным, потому что в течение 13 лет изучения Сатурна CASSINI это число начало меняться. В течение года оно изменялось примерно на 1 процент, иногда повышаясь, а иногда падая. Это почти означало, что сама планета изменяет скорость своего вращения; иногда ускоряется, а иногда замедляется. Чтобы было ясно, такая массивная планета, как Сатурн, не должна этого делать.
Таким образом, ученые пришли к выводу, что этого не происходит, и какой-то эффект должен снова мутить воды вокруг Сатурна. Какой-то аспект атмосферы вызывал сдвиги в полях, из-за чего излучение колебалось во времени, скрывая истинное вращение планеты за маскирующим мерцанием.
Еще одним ключевым следствием магнитного поля планеты являются полярные сияния, сияющие на полюсах Сатурна. Но в то время как на Земле наши полярные сияния являются результатом взаимодействия солнечного ветра с нашей атмосферой, считается, что это не объясняет полярные сияния на Сатурне.
CASSINI обнаружил, что по крайней мере некоторые из них произошли независимо от того, что делал солнечный ветер в то время, а это означает, что полярные сияния Сатурна не имеют солнечного происхождения. Внутри Сатурна должно происходить что-то странное. К тому же Сатурн жарче, чем должно быть. Он излучает в космос примерно в два раза больше, чем получает от Солнца.
И хотя некоторые из них могут быть просто гравитационным сжатием планеты, остальное нужно было объяснить каким-то другим способом. В конечном счете, все это нуждалось в каком-то объединяющем объяснении.
Странная атмосфера
И что удивительно, ключ ко всему этому может лежать в газовой атмосфере Сатурна. Сатурн — газовый гигант. Он почти полностью состоит из водорода и гелия с примесью некоторых других микроэлементов. Не все это газ, так как большая масса Сатурна означает, что чем глубже вы входите в его атмосферу, тем сильнее жар и давление, которым вы подвергаетесь.
Считается, что это давление заставляет газообразный водород становиться жидким металлом. Некоторые ученые предполагают, что этот жидкий водород или, возможно, даже водород, сжатый настолько плотно, что становится алмазом, стекает дождем в глубины Сатурна, и возникающее при этом трение объясняет часть необычного тепла Сатурна.
Но остальное исходит от полярных сияний. Хотя они до конца не изучены, считается, что они являются продуктом электрически заряженных частиц, поступающих на Сатурн от его колец и спутников. Каким бы ни был их источник, эти полярные сияния могут производить достаточно тепла, чтобы согреть верхние слои атмосферы планеты.
Такие высокие температуры создают другие эффекты. Где теплые фронты встречаются с холодными, образуются сильные ветры. Предполагается, что эти ветры переносят заряженные ионы в верхних слоях атмосферы Сатурна, и именно эти электрически заряженные ветры искажают данные об излучении Сатурна, вызывая их расхождения.
Возможно, такое движение электрических токов могло бы также объяснить, почему магнитные поля Сатурна не там, где должны быть. Это может быть вызвано тем, что проводящий слой в облаках Сатурна движется с другой скоростью, чем другие, создавая собственные поля. П
При всем этом должно быть ясно, что многие из этих ответов не имеют окончательного доказательства. Ученые просматривают данные, предоставленные CASSINI, в надежде на дальнейшие выводы. Если их не будет, то в конечном итоге потребуется еще одна миссия на Сатурн, чтобы найти ответы на эти загадочные вопросы.
А как же продолжительность дня Сатурна?
К счастью, это одна из загадок, на которую есть ответ. И оказалось, что разгадка все-таки кроется в кольцах. Вместо того чтобы исследовать электрическое и магнитное воздействие Сатурна на его кольца, ученые поняли, что Сатурн также будет притягивать их своей гравитацией. Это довольно очевидно, но более проницательным было то, что Сатурн не притягивал их равномерно. Сатурн не идеально круглый шар. Любое изменение его формы приводит к изменению его гравитационного поля.
Кольца Сатурна были идеальным холстом для наблюдения за такой изменчивостью. Поскольку Сатурн притягивал свои кольца с возрастающей и убывающей силой, в определенных местах колец мы могли обнаружить рябь. Ученые начали искать эти ряби и обнаружили их. Измерив расстояние между ними, наконец стало возможным вычислить продолжительность дня Сатурна. Они были недалеко.
Это было 10 часов 33 минуты и 38 секунд. И на этот раз ученые совершенно уверены, что они правы. Так хоть эта загадка разрешилась. И все же другие тайны Сатурна все еще сохраняются. Следующая миссия к Сатурну начнется в 2027 году с NASA Dragonfly, хотя она будет больше сосредоточена на изучении Титана, крупнейшего спутника Сатурна.
Титан является наиболее похожим на Землю объектом в Солнечной системе, так как считается, что это единственное место, где есть атмосфера, наполненная азотом, подобная нашей (хотя и без кислорода), а также циклы дождей и жидкие озера на его поверхности (хотя это метановые озера). а не вода). Поэтому понятно, почему ученые хотят взглянуть на это.
Тем не менее, это означает, что должно пройти некоторое время, прежде чем мы сможем найти ответы на самые глубокие тайны Сатурна. Ветры, которые могут оказаться источником жизненной силы системы, гудят и текут через ее атмосферу. Его хрупкий баланс магнитных полей и гравитации взаимодействует с его кольцами, удерживая их идеально выровненными.
Кольца Сатурна считаются удивительно молодыми. Сатурну может быть более 4 миллиардов лет, но есть свидетельства того, что кольца могли образоваться только за последние 100 миллионов лет. И они медленно стекают обратно в атмосферу Сатурна, так что еще через 100 миллионов лет они могут исчезнуть. Это печально для меня, но я также чувствую себя странно удачливым.