Odkryto, że pierścienie Saturna ogrzewają jego atmosferę
Saturn to planeta łatwo rozpoznawalna dzięki bogatemu systemowi pierścieni, który można dostrzec nawet przez mały teleskop. Kosmiczny Teleskop Hubble’a odkrył, że lodowe cząsteczki pierścieni Saturna spadają na atmosferę planety, powodując podgrzewanie jej górnych warstw.
Aby dojść do tego wniosku, trzeba było zebrać 40 lat obserwacji Saturna, pochodzących z czterech misji NASA. Obserwacje Kosmicznego Teleskopu Hubble’a zostały wykorzystane do połączenia wszystkich dowodów, zebranych w świetle ultrafioletowym.
Sekret pierścieni Saturna w pewnym sensie ukrywał się na widoku przez 40 lat. Trzeba było wnikliwości astronoma weterana, aby w ciągu roku przeanalizował dane, wykorzystując obserwacje Saturna pochodzące z Kosmicznego Teleskopu Hubble’a i sondy Cassini, a nawet z sond kosmicznych Voyager 1 i 2 oraz misji International Ultraviolet Explorer. Odkrył, że rozległy system pierścieni Saturna podgrzewa górną atmosferę olbrzymiej planety. Zjawisko to nigdy wcześniej nie było obserwowane w Układzie Słonecznym. Jest to nieoczekiwana interakcja pomiędzy Saturnem i jego pierścieniami, która potencjalnie może dostarczyć narzędzi do przewidywania, czy planety wokół innych gwiazd również mają rozbudowane systemy pierścieniowe podobne do Saturna.
Znakiem rozpoznawczym jest nadmiar promieniowania ultrafioletowego, widocznego jako linia widmowa gorącego wodoru w atmosferze Saturna. Wzrost promieniowania oznacza, że coś zanieczyszcza i ogrzewa górną atmosferę z zewnątrz. Najbardziej realnym wyjaśnieniem tego zjawiska ogrzewania są lodowe cząstki pierścienia padające na atmosferę Saturna. Może to być spowodowane uderzeniem mikrometeorytów, bombardowaniem cząstkami wiatru słonecznego, słonecznym promieniowaniem ultrafioletowym lub siłami elektromagnetycznymi zbierającymi elektrycznie naładowany pył. Wszystko to dzieje się pod wpływem pola grawitacyjnego Saturna wciągającego cząstki w głąb planety. Gdy należąca do NASA sonda Cassini zanurzyła się w atmosferze Saturna pod koniec swojej misji w 2017 roku, zbadała składniki atmosfery i potwierdziła, że wiele cząstek wpada do niej z pierścieni.
– Choć powolny rozpad pierścieni jest dobrze znany, jego wpływ na atomowy wodór planety jest zaskoczeniem. Od sondy Cassini wiedzieliśmy już o wpływie pierścieni. Nie wiedzieliśmy jednak nic o zawartości wodoru atomowego – powiedział Lotfi Ben-Jaffel z Instytutu Astrofizyki w Paryżu i Lunar & Planetary Laboratory, University of Arizona, autor pracy opublikowanej 30 marca 2023 w „Planetary Science Journal”.
Cząstki pierścienia kaskadowo wpadające do atmosfery na określonych szerokościach geograficznych planety modyfikują górne warstwy atmosfery, zmieniając ich skład. W ten sposób pojawiają się procesy kolizyjne z gazami atmosferycznymi, które prawdopodobnie ogrzewają atmosferę na określonej wysokości.
Wniosek Ben-Jaffela wymagał zestawienia razem archiwalnych obserwacji w świetle ultrafioletowym (UV) z czterech misji kosmicznych, które badały Saturna. Obejmuje to obserwacje z dwóch sond NASA Voyager, które przeleciały obok Saturna w latach 80-tych i zmierzyły nadmiar UV. Wówczas astronomowie odrzucili te pomiary, uznając je za szum w detektorach. Misja Cassini, która dotarła do Saturna w 2004 roku, również zebrała dane dotyczące UV w atmosferze (przez kilka lat). Dodatkowe dane pochodziły z Hubble’a oraz z misji International Ultraviolet Explorer, która wystartowała w 1978 roku i była efektem międzynarodowej współpracy NASA, ESA oraz brytyjskiego Science and Engineering Research Council. Pozostawało jednak pytanie, czy wszystkie te dane mogą być złudne, czy też odzwierciedlają prawdziwe zjawisko na Saturnie.
Kluczem do złożenia układanki była decyzja Ben-Jaffela o wykorzystaniu pomiarów ze spektrografu STIS (Space Telescope Imaging Spectrograph) Kosmicznego Teleskopu Hubble’a. Jego precyzyjne obserwacje Saturna zostały wykorzystane do kalibracji archiwalnych danych UV ze wszystkich czterech misji kosmicznych, które obserwowały Saturna. Porównał obserwacje UV Saturna wykonane przez STIS do rozkładu światła z wielu misji kosmicznych i instrumentów. Kiedy wszystko zostało skalibrowane, zobaczył wyraźnie, że widma są spójne we wszystkich misjach. Było to możliwe, ponieważ miał ten sam punkt odniesienia – Hubble’a, dotyczący tempa przekazywania energii z atmosfery, mierzonego przez dziesięciolecia.
Cztery dekady danych o UV obejmują wiele cykli słonecznych i pomagają astronomom badać sezonowe efekty Słońca na Saturnie. Zbierając wszystkie różnorodne dane razem i kalibrując je, Ben-Jaffel odkrył, że nie ma żadnej różnicy w poziomie promieniowania UV. W każdej chwili, w każdej pozycji na planecie, możemy śledzić poziom promieniowania UV. To wskazuje na stały „deszcz lodowy” padający z pierścieni Saturna jako najlepsze wyjaśnienie.
Naukowcy są dopiero na początku badania tego zjawiska. Ostatecznie chcieliby otrzymać dane, które pomogłyby uzyskać informacje o atmosferach na odległych światach. Jednym z celów tego badania jest sprawdzenie, jak można te wyniki zastosować do planet krążących wokół innych gwiazd i poszukiwania „egzopierścieni”.
Opracowano na podstawie:
Hubble finds Saturn's rings heating its atmosphere
