Lewitujący pył podróżuje karuzelą po gigantycznym pierścieniu Saturna

To zdjęcie Saturna zostało wykonane przez należący do NASA Kosmiczny Teleskop Hubble’a 22 października 2023 roku, kiedy planeta z pierścieniami znajdowała się około 1300 milionów kilometrów od Ziemi. Niezwykle ostra wizja Hubble’a ujawnia zjawisko zwane szprychami pierścieniowymi. Szprychy Saturna to elementy przejściowe, które obracają się wraz z pierścieniami. Ich upiorny wygląd utrzymuje się tylko przez dwa lub trzy obroty wokół Saturna. W okresach aktywności świeżo utworzone szprychy stale uzupełniają wzór. W 1981 roku należąca do NASA sonda Voyager 2 po raz pierwszy sfotografowała szprychy pierścienia. Należący do NASA orbiter Cassini również dostrzegł szprychy podczas swojej 13-letniej misji, która zakończyła się w 2017 roku.

Hubble kontynuuje coroczne obserwacje Saturna, podczas gdy szprychy pojawiają się i znikają. Cykl ten został uchwycony w ramach programu Hubble’a Outer Planets Atmphers Legacy ( OPAL ), który rozpoczął się prawie dziesięć lat temu i ma na celu coroczne monitorowanie zmian pogody na wszystkich czterech planetach zewnętrznych będących gazowymi olbrzymami. Wyraźne zdjęcia Hubble’a pokazują, że częstotliwość pojawiania się szprych zależy od pory roku i po raz pierwszy pojawiły się w danych OPAL w 2021 r., ale tylko po porannej (lewej) stronie pierścieni. Długoterminowe monitorowanie pokazuje, że zarówno liczba, jak i kontrast szprych zmieniają się w zależności od pór roku na Saturnie. Saturn jest nachylony wokół własnej osi podobnie jak Ziemia, a pory roku trwają około siedmiu lat.

Zmierzamy w stronę równonocy Saturna, kiedy spodziewalibyśmy się maksymalnej aktywności szprych, z większą częstotliwością i ciemniejszymi szprychami pojawiającymi się w ciągu najbliższych kilku lat.powiedziała główna naukowiec programu OPAL, Amy Simon z Centrum Lotów Kosmicznych Goddarda NASA w Greenbelt w stanie Maryland.

W tym roku te efemeryczne struktury pojawiają się jednocześnie po obu stronach planety, krążąc wokół gigantycznego świata. Chociaż wyglądają na małe w porównaniu z Saturnem, ich długość i szerokość może przekraczać średnicę Ziemi!

Wiodąca teoria głosi, że szprychy są powiązane z potężnym polem magnetycznym Saturna i podlegają pewnego rodzaju interakcji Słońca z polem magnetycznym, które wytwarza szprychy.powiedział Simon.

Kiedy zbliża się równonoc na Saturnie, planeta i jej pierścienie są mniej odchylone od Słońca. W tej konfiguracji wiatr słoneczny może silniej oddziaływać na ogromne pole magnetyczne Saturna, wzmacniając powstawanie szprych.

Planetolodzy uważają, że siły elektrostatyczne powstałe w wyniku tej interakcji lewitują pył lub lód nad pierścieniem, tworząc szprychy, chociaż po kilkudziesięciu latach żadna teoria nie przewiduje doskonale szprych. Dalsze obserwacje Hubble’a mogą ostatecznie pomóc w rozwiązaniu zagadki.

Zderzające się księżyce mogły stworzyć pierścienie Saturna

Gdybyśmy mogli cofnąć zegar o miliardy lat, zobaczylibyśmy nasz Układ Słoneczny takim, jakim był kiedyś. Planetozymale i inne skaliste ciała nieustannie zderzały się ze sobą, a nowe obiekty łączyły się z gruzów. Asteroidy spadały na planety i ich księżyce. Gazowe olbrzymy migrowały i przyczyniały się do chaosu, niszcząc relacje grawitacyjne i tworząc nowe.

Kiedy natura upchnie wystarczająco dużo obiektów na wystarczająco małej przestrzeni, rodzi kolizje. Nowe badania mówią, że to właśnie stało się na Saturnie i stworzyło dramatyczne pierścienie planety.

Badania noszą tytuł “A Recent Impact Origin of Saturn’s Rings and Mid-sized Moons” i zostały opublikowane w The Astrophysical Journal. Głównym autorem jest Luis Todorow, pracownik naukowy w School of Physics and Astronomy na Uniwersytecie w Glasgow.

Pierścienie Saturna są tak ikoniczne, że nawet dzieci w wieku szkolnym mogą je zidentyfikować. Astronomowie zastanawiali się nad nimi przez długi czas, próbując dowiedzieć się, jak powstały i kiedy. Wiemy, że są one w większości zbudowane z lodu, ale konsensus co do ich powstania był trudny do osiągnięcia. To badanie, przeprowadzone przez NASA i jej partnerów, mówi, że kolizja między dwoma lodowymi księżycami jest odpowiedzialna, a szczątki wciąż krążą wokół planety. Nie musimy cofać zegara zbyt daleko, aby znaleźć wpływ, który identyfikują badania. Miało to miejsce zaledwie kilkaset milionów lat temu, może nawet niedawno. Zespół badawczy twierdzi, że został wywołany przez “niestabilność rezonansową w poprzednim systemie satelitarnym”.

Badania opierają się na szczegółowych symulacjach Saturna i jego układu księżyców (ma 146 potwierdzonych satelitów) i pierścieni. Misja Cassini NASA położyła podwaliny pod te badania. Sonda spędziła ponad dziesięć lat w systemie Saturna. Jednym z jego głównych odkryć było to, że pierścienie i księżyce gazowego olbrzyma nie są zbyt stare pod względem astronomicznym. Większe są prawdopodobnie stare, a ich powierzchnie pokryte kraterami są wskazówką co do ich wieku. Ale niektóre z mniejszych księżyców planety są prawdopodobnie znacznie młodsze.

Odległość księżyca od jego planety odgrywa w tym rolę. Grawitacyjna walka między planetą a jej księżycem ma tendencję do odpychania księżyców. Księżyc Ziemi cofa się każdego roku o niewielką, ale wymierną ilość. Niektóre badania pokazują, że gdyby księżyce najbliższe pierścieniom Saturna były stare, zostałyby już odepchnięte. Skoro wciąż tam są, muszą być młodzi. Ale nie jest tak wycięty i suchy, ponieważ mniejsze wewnętrzne księżyce również mają powierzchnie pokryte kraterami.

Intrygi dodaje nasza fascynacja lodowatymi księżycami. Księżyc Saturna, Enceladus, a także inne księżyce, takie jak Europa Jowisza, zawierają rozległe oceany pod lodowymi skorupami. Są głównym celem w poszukiwaniu życia, więc ich historia ma duże znaczenie. Jeśli dwa z nich zderzyły się, tworząc pierścienie Saturna, co to wszystko oznacza?

Jest tak wiele rzeczy, których wciąż nie wiemy o systemie Saturna, w tym o jego księżycach, w których znajdują się środowiska, które mogą być odpowiednie dla życia. Ekscytujące jest więc wykorzystanie dużych symulacji, takich jak te, aby szczegółowo zbadać, w jaki sposób mogły ewoluować.powiedział Jacob Kegerreis, naukowiec z NASA Ames Research Center i jeden ze współautorów artykułu.

Istnieje wiele badań nad pierścieniami Saturna. Jedno z badań z 2022 roku sugerowało, że między Japetem a Tytanem znajdował się dodatkowy księżyc. Obecność księżyca pomogła systemowi Saturna utworzyć rezonans z Neptunem, co spowodowało nachylenie Saturna. Gdy system stał się bardziej zdestabilizowany, księżyc otarł się o Saturna, potężna grawitacja planety rozerwała go na kawałki, a szczątki utworzyły lodowe pierścienie, jednocześnie wyrzucając Saturna z rezonansu. Dowody te potwierdzają młody wiek pierścieni Saturna, być może mający zaledwie 100 milionów lat. Te nowe badania są w tym samym duchu, ale zamiast pojedynczego księżyca rozerwanego przez Saturna, dwa księżyce doświadczają uderzenia z dużą prędkością, które niszczy je obydwa.

Naukowcy przeprowadzili symulacje za pomocą potężnego Distributed Research przy użyciu superkomputerowego obiektu Advanced Computing (DiRAC) w Instytucie Kosmologii Obliczeniowej Uniwersytetu Durham w Wielkiej Brytanii. Jest poświęcony fizyce cząstek elementarnych, astronomii i kosmologii. Zespół wykorzystał potężny komputer do modelowania kolizji między prekursorskimi księżycami w systemie Saturna.

Limit Roche’a reguluje kluczową część relacji między planetą a jej księżycami. Jest to minimalna odległość, jaką księżyc może zbliżyć się do swojej planety bez rozerwania przez grawitację planety. Pierścienie Saturna znajdują się wewnątrz Granicy Roche’a, a poza tą granicą planety mogą powstawać z gruzu. Tak więc szczątki poza granicą Roche’a nie przetrwałyby długo, ponieważ materia prawdopodobnie połączyłaby się w nowie.

Tak się stało, zgodnie z tymi badaniami. Starożytna kolizja dwóch księżyców stworzyła deszcz szczątków wewnątrz Granicy Roche’a Saturna. Potężna grawitacja masywnej planety uniemożliwiła odłamkom uformowanie się w nów, więc szczątki uformowały się w pierścienie. Zespół wykonał prawie 200 symulowanych kolizji, każda o różnych masach, prędkościach i kątach uderzenia. W szerokim zakresie scenariuszy materia osiadła w pierścieniach wokół Saturna, wewnątrz jego granicy Roche’a.

Ten scenariusz naturalnie prowadzi do bogatych w lód pierścieni. Kiedy lodowe księżyce progenitorowe zderzają się ze sobą, skała w jądrach zderzających się ciał jest rozpraszana mniej szeroko niż leżący nad nimi lód. powiedział Vincent Eke, profesor nadzwyczajny na Wydziale Fizyki / Instytutu Kosmologii Obliczeniowej na Uniwersytecie w Durham i współautor artykułu.

Jest to mocny punkt badania. Lodowe księżyce nadal mają skaliste jądra, a inne scenariusze nie mogą wyjaśnić, dlaczego w pierścieniach Saturna prawie nie ma skał. Symulacje pokazują, że tylko znikoma ilość skał z kolizji znajduje drogę do wnętrza granicy Roche’a, która pasuje do lodowej natury pierścieni Saturna.

To byłby chaotyczny proces, który rozgrywał się z czasem. Badanie pokazuje, że w wyniku kolizji powstało wiele szczątków i że uderzyłoby to w inne księżyce, co mogło doprowadzić do kolizyjnych kaskad.

“Co więcej, więcej niż masa Mimasa materii – a nawet więcej niż masa Enceladusa w niektórych przypadkach – jest umieszczana na orbitach przecinających się z dzisiejszymi Mimasami, Enceladusem i Tetydą (i Tytanem), ułatwiając możliwość kolizyjnej kaskady w celu dalszego rozprowadzania materii w całym systemie” – czytamy w artykule.

Wszystko we Wszechświecie jest w ruchu, a każdy obiekt wywiera siłę grawitacyjną na inne obiekty. W naszym Układzie Słonecznym dominuje masa Słońca. Tak więc, mimo że Saturn znajduje się prawie 1,5 miliarda km (932 miliony mil) od Słońca, grawitacja gwiazdy nadal wpływa na rzeczy. Oddziaływanie grawitacyjne Słońca w tej odległości jest niewielkie, ale może gromadzić się w rezonansach orbitalnych. W końcu rzeczy mogą ulec destabilizacji, a księżyce są wypychane ze swoich kołowych orbit na wydłużone i nachylone orbity. Saturn jest bogaty w księżyce, więc to tylko kwestia czasu, aż ich orbity się przetną, a to spowoduje zderzenie z dużą prędkością i wynikającą z tego chmurę głównie lodowych szczątków.

Księżyc Saturna, Rhea, ma nam coś do powiedzenia na temat tego scenariusza kolizji. Jest to drugi co do wielkości księżyc Saturna, a jego orbita jest znacząca. Jest tuż poza punktem, w którym te rezonanse orbitalne mogłyby na to wpłynąć. Ponieważ księżyce mają tendencję do oddalania się od swoich planet, Rhea powinna była ostatnio przekroczyć próg eksmisji rezonansowej. To namieszałoby w jego orbicie, ale jego orbita jest okrągła i płaska. Potwierdza to niedawne powstanie Księżyca.

Ale jeśli Rhea powstała niedawno, zaciemnia niektóre z naszych myśli o lodowym księżycu Saturna, Enceladusie, i jego potencjale do życia. Ile lat ma Enceladus? Czy powstał zaledwie kilkaset milionów lat temu, może nawet niedawno? Jeśli tak, to nie jest to wystarczająco dużo czasu, aby życie się pojawiło, o ile je rozumiemy.

Saturn i jego pierścienie i księżyce to fascynujący system. Działa tak wiele czynników, że naukowcy mają trudności z wymyśleniem ostatecznych wyjaśnień. Misja Cassini pokazała nam, że pierścienie są prawdopodobnie znacznie młodsze niż sądzono, mają od 10 do 100 milionów lat. Te symulacje potwierdzają ten pomysł, choć nie są rozstrzygające.

Doszliśmy do wniosku, że uderzenie dwóch zdestabilizowanych lodowych księżyców jest obiecującym scenariuszem dla niedawnego powstania lub odmłodzenia pierścieni Saturna i ponownego akrecji księżyców średniej wielkości.mówią naukowcy w swoim podsumowaniu.

Potrzebne są jednak dalsze badania, zanim będziemy mogli wykluczyć inne scenariusze.

Burze na Saturnie mogą mieć skutki, które trwają setki lat

Wielka Czerwona Plama Jowisza to burza, która szalała przez setki lat. Po raz pierwszy zaobserwował ją Gian Domenico Cassini w 1665 roku i od tego czasu jest obserwowana nieprzerwanie. Nawet jeśli burza Cassini nie jest tą, którą widzimy dzisiaj, obecna czerwona plama istnieje od prawie dwóch stuleci. Podczas gdy wielkie burze pojawiają się od czasu do czasu na Saturnie i innych planetach gazowych, nie mają one siły przetrwania wielkiej burzy Jowisza. A przynajmniej tak nam się wydawało.

Plama Jowisza jest widoczna ze względu na jej głębokie czerwone zabarwienie, które wyróżnia się na tle bladego zabarwienia planety w świetle widzialnym. Nadal nie znamy pochodzenia jego zabarwienia, ale wiemy, że burza przyciąga cząsteczki z głębi atmosfery Jowisza. Światło ultrafioletowe oddziałujące z tymi cząsteczkami może tworzyć czerwonawo-brązowe tholiny, takie jakie widzimy w atmosferze Tytana. Bez jej kontrastowego wyglądu moglibyśmy nie odkryć czerwonej plamy aż do czasów bardziej współczesnych.

Saturn ma również od czasu do czasu wielkie burze. Ostatnio pojawiła się podczas misji Cassini-Huygens, kiedy smuga bieli przebiła atmosferę Saturna i została nazwana Wielką Białą Plamą. Podobne miejsce zostało zaobserwowane przez Kosmiczny Teleskop Hubble’a w 1994 roku. Obserwacje białych burz na Saturnie odnotowano już w 1876 roku. Uważano, że są to oddzielne burze, ponieważ obserwowano je na różnych szerokościach geograficznych. Burze pojawiają się co 20-30 lat, a każda burza trwa tylko kilka lat. Ale nowe badanie opublikowane w Science Advances pokazuje, że te burze trwają znacznie dłużej.

Zdjęcie radiowe Saturna wykonane w 2015 roku pokazujące pasma burzowe. Źródło: R. J. Sault i I. de Pater

Zamiast obserwować Saturna w widmie widzialnym, zespół przyjrzał się obserwacjom radiowym uchwyconym przez Very Large Array. Górna atmosfera Saturna jest w dużej mierze przezroczysta dla światła radiowego, więc pozwala astronomom zajrzeć znacznie głębiej w atmosferę Saturna. Zespół odkrył zakłócenia w głębokich warstwach atmosfery Saturna, szczególnie poprzez obfitość amoniaku, który jest kluczowym składnikiem Wielkich Białych Plam. Zakłócenia te występują na szerokościach geograficznych korelujących z pojawieniem się przeszłych burz. Oznacza to, że okresowe wielkie burze Saturna poruszają atmosferę planety przez dziesięciolecia. Zespół odkrył nawet pasmo zakłóceń, które nie pasuje do znanych obserwacji i prawdopodobnie pochodzi z burzy sprzed 1876 roku. Wygląda na to, że pozostałości burz Saturna mogą utrzymywać się przez wieki.

Dalsze obserwacje prawdopodobnie ujawnią wskazówki dotyczące tego, w jaki sposób te burze powstają na Saturnie. Następna wielka burza może pojawić się za kilka lat, a dzięki radioastronomii powinniśmy być w stanie zaobserwować, jak głębokie warstwy Saturna powodują burze na powierzchni planety.

Webb obserwuje zaskakująco duży pióropusz pary wodnej wyrzucany z księżyca Saturna, Enceladusa

Enceladus – maleńki, lodowaty księżyc Saturna – jest jednym z najbardziej intrygujących obiektów w poszukiwaniu oznak życia poza naszą planetą.

Pod skorupą lodu leży globalny ocean słonej wody. Dżety, dostarczane przez ten ocean, tryskają z powierzchni Księżyca i zasilają cały system Saturna. Długo oczekiwane pierwsze spojrzenie Kosmicznego Teleskopu Jamesa Webba na ten oceaniczny świat już ujawnia oszałamiające nowe szczegóły dotyczące Księżyca – w tym pióropusz pary wodnej, który wyrzuca ponad 20 razy większy od samego Księżyca.

Pióropusz pary wodnej z księżyca Saturna Enceladusa rozciągający się na ponad 10 000 kilometrów – został wykryty przez naukowców za pomocą Kosmicznego Teleskopu Jamesa Webba. Nie tylko po raz pierwszy taka emisja wody została zaobserwowana na tak dużej odległości, ale Webb po raz pierwszy daje naukowcom bezpośredni wgląd w to, jak ta emisja zasila zaopatrzenie w wodę dla całego systemu Saturna i jego pierścieni.

Enceladus, oceaniczny świat o wielkości około czterech procent Ziemi, o średnicy zaledwie 500 km, jest jednym z najbardziej ekscytujących celów naukowych w naszym Układzie Słonecznym w poszukiwaniu życia poza Ziemią. Pomiędzy lodową zewnętrzną skorupą księżyca a jego skalistym jądrem znajduje się globalny rezerwuar słonej wody. Wulkany podobne do gejzerów wyrzucają strumienie cząstek lodu, pary wodnej i organicznych chemikaliów ze szczelin na powierzchni księżyca, nieformalnie zwanych “tygrysimi paskami”.

Wcześniej obserwatoria miały Mapowane odrzutowce setki mil z powierzchni księżyca, ale wyjątkowa wrażliwość Webba ujawnia nową historię.

Kiedy patrzyłem na dane, na początku myślałem, że muszę się mylić. To było tak szokujące, aby wykryć pióropusz wody ponad 20 razy większy od księżyca. Pióropusz wody rozciąga się daleko poza obszar uwalniania na biegunie południowym.powiedział główny autor Geronimo Villanueva z NASA Goddard Space Flight Center w Greenbelt w stanie Maryland.

Długość pióropusza nie była jedyną cechą, która zaintrygowała badaczy. Szybkość, z jaką para wodna tryska, około 300 litrów na sekundę, jest również szczególnie imponująca. W tym tempie możesz napełnić basen olimpijski w ciągu zaledwie kilku godzin. Dla porównania, zrobienie tego z wężem ogrodowym na Ziemi zajęłoby ponad 2 tygodnie.

Orbiter Cassini spędził ponad dekadę badając system Saturna i nie tylko po raz pierwszy sfotografował pióropusze Enceladusa, ale przeleciał przez nie i pobrał próbki z tego, z czego są zbudowane. Podczas gdy pozycja Cassini w systemie Saturna dostarczyła bezcennych informacji o tym odległym księżycu, unikalny widok Webba z punktu Lagrange’a wraz z niezwykłą czułością jego Integral Field Unit na pokładzie instrumentu NIRSpec (Near-Infrared Spectrograph), oferuje nowy kontekst.

Orbita Enceladusa wokół Saturna jest stosunkowo szybka, zaledwie 33 godziny. Gdy krąży wokół Saturna, księżyc i jego dżety w zasadzie wypluwają wodę, pozostawiając po sobie halo, prawie jak pączek. W obserwacjach Webba nie tylko pióropusz był ogromny, ale po prostu woda była absolutnie wszędzie.powiedział Villanueva.

Ten rozmyty pączek wody, który pojawił się “wszędzie”, opisany jako torus, znajduje się w tym samym miejscu z najbardziej zewnętrznym i najszerszym pierścieniem Saturna – gęstym “pierścieniem E”.

Obserwacje Webba bezpośrednio pokazują, w jaki sposób pióropusze pary wodnej księżyca zasilają torus. Analizując dane Webba, astronomowie ustalili, że około 30 procent wody pozostaje w tym torusie, a pozostałe 70 procent ucieka, aby zasilić resztę saturniańskiego systemu wody.

W nadchodzących latach Webb będzie służył jako główne narzędzie obserwacyjne dla oceanicznego księżyca Enceladusa, a odkrycia Webba pomogą w przyszłych misjach satelitarnych Układu Słonecznego, które będą miały na celu zbadanie głębokości podpowierzchniowego oceanu, grubości skorupy lodowej i nie tylko.

W tej chwili Webb zapewnia unikalny sposób bezpośredniego mierzenia, w jaki sposób woda ewoluuje i zmienia się w czasie w ogromnym pióropuszu Enceladusa, a jak widzimy tutaj, dokonamy nawet nowych odkryć i dowiemy się więcej o składzie leżącego pod spodem oceanu. Ze względu na zasięg i wrażliwość Webba oraz to, czego nauczyliśmy się z poprzednich misji, mamy przed sobą zupełnie nowe okno możliwości.dodała współautorka Stefanie Milam z NASA Goddard.

Obserwacje Enceladusa przez Webba zostały zakończone w ramach programu Gwarantowanej Obserwacji Czasu (GTO) 1250. Początkowy cel Ten program jest zademonstrowanie możliwości Webba w określonej dziedzinie nauki i przygotowanie gruntu pod przyszłe badania.

Ten program był zasadniczo dowodem koncepcji po wielu latach rozwoju obserwatorium i to po prostu ekscytujące, że cała ta nauka wyszła już z dość krótkiego czasu obserwacji.powiedziała Heidi Hammel ze Stowarzyszenia Uniwersytetów na rzecz Badań w Astronomii, interdyscyplinarny naukowiec Webb i lider programu GTO.