Saturn je druhá největší planeta v naší sluneční soustavě podle hmotnosti a velikosti. Je to šestá planeta od Slunce. Pouhým okem vypadá na noční obloze jako hladká, neblikající hvězda. Namiřte na něj ale malý dalekohled a uvidíte prstence. Jsou to možná nejkrásnější objekty v celé sluneční soustavě. Symbol Saturnu je ♄.
Proč se Saturn otáčí tak pomalu
Jméno pochází od římského boha zemědělství. Ztotožňujeme ho s Kronem, řeckým Titánem a otcem Dia (nebo Jupiterem v římské mytologii). Dávní pozorovatelé věděli, že Saturn je nejvzdálenější planeta, kterou mohli vidět. Také si všimli, že se pohybuje pomaleji než kterákoli jiná planeta. Dokončení jedné revoluce kolem Slunce trvá asi 29,5 pozemského roku. Je to dáno tím, že je od Slunce 9,5krát dále než Země.
Galileo se jako první podíval na Saturn dalekohledem v roce 1610. Uviděl něco zvláštního. Rozlišení bylo příliš nízké na to, aby se dalo říct, na co se vlastně dívá. Pochopení podstaty prstenů trvalo celá staletí.
Planeta, která se vznáší
Saturn je podivně lehký. Zaujímá asi 60 procent objemu Jupiteru. Jeho hmotnost je však pouze asi třetinová hmotnosti Jupiteru. Jeho průměrná hustota je nejnižší ze všech známých objektů ve sluneční soustavě. Má asi o 70 procent nižší hustotu než voda.
Hypoteticky, pokud by byl Saturn umístěn v oceánu dostatečně velkém, aby jej pojal, plaval by se. Saturn i Jupiter se skládají převážně z vodíku. Díky tomu jsou z hlediska celkového složení podobné hvězdám. Hluboko uvnitř Saturnu tlak drží vodík v kapalném kovovém stavu. Podobné jako Jupiter, ale vývoj Saturnu je zcela odlišný.
Měsíce a původ
Stejně jako Jupiter, Uran a Neptun má Saturn prstence a mnoho měsíců. Tyto systémy mohou obsahovat vodítka k tomu, jak planeta vznikla. Pomáhají nám také porozumět zbytku sluneční soustavy.
Vezměme Titana. Toto je největší satelit. Má hutnou atmosféru. Je hustší než kterákoli z pozemských planet kromě Venuše. Díky tomu je Titan jedinečný mezi všemi ostatními měsíci.
Jak jsme se naučili, co víme
Díky sondám hlubokého vesmíru jsme se o Saturnu dozvěděli téměř vše. Saturnovu soustavu navštívily čtyři kosmické lodě. Pioneer 11 proletěl kolem v roce 1979. Voyager 1 a Voyager 2 následovaly v následujících dvou letech. Pak tu byla Cassini-Huygens.
První tři kosmické lodě provedly rychlé průlety kolem planety. Dali nám snímky. Cassini dorazila v roce 2004. Na oběžné dráze zůstala mnoho let. Všechno studoval. Jeho sonda Huygens šla ještě dál. Přistál na povrchu Titanu a proletěl padákem jeho atmosférou. Byla to první kosmická loď, která se dotkla povrchu jiné družice než Země.
Základní astronomická data
Saturn je od nás daleko. Jeho průměrná vzdálenost od Slunce je 1,427 miliardy kilometrů. To je 887 milionů mil. K největšímu přiblížení k Zemi dochází na vzdálenost asi 1,2 miliardy kilometrů. Nikdy to nevidíme napůl osvětlené. Fázový úhel — úhel mezi Saturnem, Zemí a Sluncem — nikdy nepřesahuje 6°. Saturn je tedy z našeho pohledu vždy téměř celý osvětlen. Abyste to viděli v bočním nebo protisvětle, musíte jít hlouběji do vesmíru.
Obíhá kolem Slunce, stejně jako ostatní plynní obři. Přímý pohyb. Nízká excentricita. Mírný sklon směrem k ekliptice. Saturn se ale od Jupiteru liší v jednom podstatném ohledu. Jeho rotační osa je vůči orbitální rovině skloněna o 26,7°.
Tento náklon vytváří roční období. Dlouhé sezóny. Každá trvá déle než sedm pozemských let. To také určuje, jak vidíme prsteny. Prstence leží v rovníkové rovině Saturnu. Ze Země je vidíme v úhlech otevření od nuly (hrana k nám) do téměř 30°. Cyklus trvá 30 let. Asi 15 let vidíme severní stranu osvětlenou sluncem. Pak během dalších 15 let – jižní strana. Během krátkých období, kdy Země protíná rovinu prstenců, prstence zmizí z dohledu. Jsou prakticky neviditelné.
Řešení záhady rotace Saturnu
Určení rychlosti rotace Saturnu nebylo pro vědce snadné. Jeho horní atmosféra je masivní. Mraky tam vykazují různé periody rotace. V blízkosti rovníku je to asi 10 hodin a 10 minut. Ve vyšších zeměpisných šířkách, nad 40°, se rychlost zpomalí asi na 30 minut. Kmitání. Chaos.
Vědci se pokusili určit periodu rotace hlubokého nitra studiem magnetického pole. Předpokládá se, že pole je zakořeněno ve vnějším jádru kovového vodíku. Přímé měření bylo obtížné. Pole je vysoce symetrické kolem osy rotace. Je těžké to přesně určit.
Během průletů sond Voyager se objevily rádiové záblesky. Byly spojeny s malými nehomogenitami v magnetickém poli. Měřená doba byla 10 hodin 39,4 minut. Tato hodnota byla brána jako perioda rotace.
O dvacet pět let později sonda Cassini změřila pole znovu. Točí se o 6-7 minut pomaleji. Proč je v tom rozdíl? Předpokládá se, že za část tohoto posunu může sluneční vítr.
“Až když Cassini proletěla uvnitř prstenců Saturnu na svých posledních drahách, byla přesně změřena doba rotace.”
Cassini se musela ponořit do kruhů. Analyzoval vlny v materiálu prstence a spojil je s malými odchylkami v gravitačním poli Saturnu. Výsledek? 10 hodin 33 minut 38 sekund. Toto je skutečná perioda rotace vnitřních vrstev planety. Rozdíl mezi tímto číslem a rychlostí rotace vrcholků mraků pomáhá odhadnout rychlost větru.
Nejoblatější planeta
Plynní obři nemají pevný povrch. Proto se podle konvence poloměr a gravitace počítají na úrovni, kde se atmosférický tlak rovná jednomu baru. Na této úrovni je rovníkový průměr Saturnu 120 536 kilometrů. Jeho polární průměr je pouze 108 728 kilometrů.
To je o 10 % méně. Saturn je nejvíce zploštělá planeta ve sluneční soustavě. Zploštělé na pólech. To lze vidět i malým dalekohledem. Otáčí se o něco pomaleji než Jupiter, ale je více zploštělý. Proč? Síla odstředivé rotace kompenzuje velkou část gravitace na rovníku.
Gravitace na rovníku je pouze 74% gravitace na pólech. 896 cm/s² na rovníku. 1 214 cm/s² na pólech.
Hmotnost Saturnu je 95krát větší než hmotnost Země. Zabírá ale objem 766krát větší. Jeho průměrná hustota je 0,69 gramu na centimetr krychlový. To je jen asi 12 % hustoty Země. Je sotva hustší než voda.
Druhá úniková rychlost na rovníku je téměř 36 km/s. 80 000 mil za hodinu. Na Zemi je to jen 11,2 km/s. Tato vysoká hodnota ukazuje, že Saturn od svého vzniku mnoho ze své atmosféry neztratil. Držel všechno.
Čísla
Data vykreslují obraz světa, který se neustále mění a mění.
- Průměrná vzdálenost od Slunce: 1,426 miliardy km (9,5 AU)
- Excentricita: 0,054
- Sklon k ekliptice: 2,49°
- Orbitální doba: 29,45 pozemských let
- Vizuální velikost v opozici: 0,7
- Synodické období: 378,10 pozemských dnů
- Orbitální rychlost: 9,6 km/s
- Rovníkový poloměr: 60 268 km
- Polární poloměr: 54 364 km
- Hmotnost: 5,683 × 10^26 kg
- Průměrná hustota: 0,69 g/cm³
- Gravitace na rovníku: 896 cm/s²
- Gravitace na pólech: 1214 cm/s²
- Druhá úniková rychlost na rovníku: 35,5 km/s
- Druhá úniková rychlost na pólech: 37,4 km/s
- Doba rotace (magnetické pole): 10 hodin 39 minut (Voyager); ~10 h 46 min (Cassini)
- Sklon osy: 26,7°
- Síla magnetického pole: 0,21 gauss
- Známé satelity: 274
- Prstencový systém: 3 hlavní prstence, mnoho složkových prstencových struktur, několik méně hustých prstenců
Atmosféra Saturnu
Složení a struktura. Vnější vrstvy nemají tvrdý povrch. Atmosféra je místo, kde se akce odehrává. Pohyb mraků se liší. Rychlosti větru se odhadují porovnáním rotace mraků s rotací vnitřních vrstev. Rozdíl je ve větru.
Ze Země se Saturn jeví jako mlhavá žlutohnědá koule. Působí monotónně. Ale to je lež. To, co vidíme, je složitá maska vrstev mraků a chaosu malého rozsahu. Červené skvrny. Bílé víry. Hnědé pruhy. Tyto vlastnosti se rychle mění. Saturn je v podstatě tišší, méně aktivní bratranec Jupiteru.
Do září 1990.
Pak se poblíž rovníku zvedla obří lehká bouře. Dorostla do šířky více než 20 000 kilometrů. Než vymřelo, obklopilo planetu. Říkáme tomu Velká bílá skvrna. Je to saturnský ekvivalent Jupiterovy Velké rudé skvrny, ale je méně častý. Takové bouře se vyskytují přibližně jednou za 30 let. Vzhledem k tomu, že oběžná doba Saturnu je 29,4 let, souvislost je zřejmá. Bouřky jsou sezónní. Sledují dlouhý, pomalý rok planety.
Co je uvnitř plynového obra?
Atmosféru tvoří hlavně molekulární vodík a helium. Přesný poměr není znám. Helium je obtížné přímo měřit. Nejlepší odhad? 18 až 25 hmotnostních procent helia. Zbytek je vodík a asi 2 procenta dalších nečistot.
To je divné. Slunce je ze 71 procent vodík a 28 procent helium. Saturn má ve srovnání s vodíkem méně hélia než hvězda ve středu naší sluneční soustavy. Proč? Některé teorie naznačují, že helium je osel. Vypadl z vnějších vrstev a propadl se hlouběji do útrob planety.
Jsou přítomny i další molekuly. Metan a čpavek jsou zde 2–7krát hojnější než na Slunci. Předpokládáme, že sirovodík a voda se nacházejí níže, v hlubokých vrstvách atmosféry. Zatím jsme je neobjevili. Ale ze Země jsme detekovali fosfin, oxid uhelnatý a germanium.
Neměli by tam být. V atmosféře bohaté na vodík mizí v chemické rovnováze. Jejich přítomnost znamená, že stoupají z hlubin. Vysoký krevní tlak. Vysoká teplota. Reakce probíhající pod viditelnými mraky. Konvektivní pohyby je nesou nahoru, kde je můžeme pozorovat.
Přítomnost nerovnovážných molekul dokazuje, že vnitřek Saturnu aktivně míchá materiál z jeho hlubokého horkého jádra a vynáší ho na viditelný povrch.
Chemie ve stratosféře
Stratosféra vypráví jiný příběh. Acetylén. Etan. Možná propan. Methylacetylen. Jedná se o uhlovodíky. Nevznikají hlubokým žárem. Jsou vytvářeny světlem. Sluneční ultrafialové záření spouští fotochemické reakce. Nebo ve vysokých zeměpisných šířkách tuto práci vykonávají energetické elektrony z radiačních pásů Saturnu.
Jupiter má podobnou strukturu. Chemie je konzistentní u všech plynových obrů. Je to rodinná vlastnost.
Teplotní a tlakové profily
Astronomové měřili teplotu Saturnu pozorováním toho, jak se světlo hvězd a rádiové signály ohýbají, když procházejí atmosférou. K tomu dochází, když kosmická loď proletí kolem planety nebo když ji zatmí hvězdy. Máme zmapované teploty od jedné miliontiny baru do 1,3 baru.
Pod 1 milibar je chladno a teplota je konstantní: 140–150 Kelvinů. (-208 až -190 °F).
Jak se noříme hlouběji do stratosféry (1–60 milibarů), teploty klesají. Dosahují minimálně 82 Kelvinů. (-312 °F). Toto je nejchladnější bod v atmosféře Saturnu.
Když půjdeme ještě hlouběji, teploty opět stoupají. Toto je troposféra. Stejně jako ve spodní vrstvě Země se teplo zvyšuje s tlakem. Je to jen komprese plynu. Žádné přidané nebo ztracené teplo. Při 1 baru je teplota 135 Kelvinů. Pod ním stále roste.
Cloudové vrstvy
Mraky, které vidíme, jsou kondenzací minoritních sloučenin ve směsi bohaté na vodík. Ve výšce 20–70 milibarů je opar. Vzniká jako výsledek fotochemických reakcí. Hlavní mraky ale začínají níže. Pod 400 milibarů.
Nejvyšší vrstva se skládá z pevných krystalů amoniaku. Rozpouštějí se a mizí při přibližně 1,7 baru. Nevidíme přímo spodní vrstvy. Modelujeme je.
Podle chemických modelů se další vrstva dolů skládá z krystalů hydrosulfidu amonného. Při 4,7 baru. Ještě hlouběji, při 10,9 baru, se krystalky ledu mísí s kapičkami vodného amoniaku.
Čistý amoniak je bílý. Čistý vodní led je bílý. Tyto mraky by měly být neviditelné.
Ale Saturn je žlutý, hnědý a červený. Proč? Nečistoty. Shora se srážejí vedlejší produkty chemických reakcí. Fotochemické produkty. Je možné, že molekuly obsahující fosfor působí jako barviva. Mraky jsou zbarveny vlastními chemickými emisemi atmosféry.
Modré stíny a zimní ticho
Saturn je na své ose velmi nakloněn. Tato změna ovlivní vše. Prstence vrhají dlouhé tmavé stíny po zimní polokouli. Sluneční světlo slábne. Stíny se prohlubují.
Když Cassini pozorovala sluncem zalité pruhy severní zimní polokoule, spatřila něco neočekávaného. Atmosféra byla modrá. Překvapivě transparentní.
Proč? Prsteny blokovaly sluneční světlo. Žádné sluneční světlo znamená menší produkci fotochemického zákalu. Chemie se zpomalila. Obloha se vyjasnila.
To nám připomíná, že Saturn není statický. Toto je dynamický, rušný svět. Vícevrstvé. Sezónní. Chemikálie. A někdy nám to jen na okamžik umožní vidět skrz opar. Pak se stíny vrátí. Opět se hromadí opar. Zbývá vám otázka: Co se skrývá v hlubších, žhavějších vrstvách, které zatím nevidíme?
Mizející hranice mezi plynem a kapalinou na Saturnu
Není možné nakreslit čáru. Skutečně.
Na Zemi je rozdíl mezi plynem a kapalinou markantní. Voda se vaří. Pára stoupá. Oceán zůstává na svém místě. Je zde jasná hranice. Saturn tato pravidla nedodržuje. I hluboko v jeho atmosféře, kde je extrémní tlak, jsou jiné podmínky. Minimální teplota je 82 Kelvinů. To je příliš teplé na to, aby molekulární vodík koexistoval jako plyn a kapalina v rovnováze.
To znamená, že malá oblaka viditelná dalekohledy neleží na pevném dně. Jasná hranice neexistuje. Vodík se zde nechová jako jednoduchý plyn, ale ani jako obyčejná kapalina. Hranice se rozmazává. Dochází k plynulému přechodu. Troposféra se rozprostírá desítky tisíc kilometrů pod těmito nadýchanými bílými horními vrstvami. Stává se hustším. Je stále teplejší.
Na rozdíl od Země atmosféra Saturnu nekončí na povrchu. Stává se superkritickou tekutinou, která se stává hustší a žhavější, jak jde hlouběji.
Jsme zvyklí mluvit o planetách s povrchem. Solidní. Plynný. Tady je ale všechno jinak. Tlak stoupá. Teplota prudce stoupá. Nakonec budete čelit tisícům kelvinů a tlakům přesahujícím jeden milion barů.
Proč je to důležité? Protože to zpochybňuje naše chápání struktury planety. Předpokládáme přítomnost vrstev. Pevné jádro. Plášť. Atmosféra. Saturnova vodíková oblast do tohoto úhledného rozdělení nezapadá. Toto je gradient. Kontinuum. Na Saturnu nemůžete „přistát“. Můžete se do toho jen ponořit. A čím hlouběji jdete, tím méně „plynu“ tam zůstane. Jen stále hustší, přehřátá kapalina.
Kde je tedy dno? Je pryč. Ne v tom smyslu, v jakém to chápeme. Atmosféra prostě… pokračuje. Dokud nedosáhnete toho, co je níže. Nebo dokud tlak vše nerozdrtí na něco, pro co ještě nemáme jméno.
Počasí na Saturnu není jen podobné tomu Jupiterovu. Jedná se o obrovský, zcela speciální systém. Planeta je zahalena zonálními proudy – východozápadními větry, které vytvářejí známé světlé a tmavé pruhy. Vysoce kontrastní bouře zde ale nehledejte. Atmosférické vlastnosti jsou špatně vyjádřeny. Pásy jsou širší v blízkosti rovníku a vrcholy mraků mají nízký kontrast. Pouhým vyfocením ze Země toho mnoho neuvidíte. K získání podrobných dat jsou zapotřebí kosmické lodě.
Měření rychlosti větru
To je ten problém. Saturn nemá pevný povrch. Jak tedy změříte rychlost větru? Potřebujeme výchozí bod. Vědci používají jako základ rotaci magnetického pole Saturnu. Vůči tomuto magnetickému jádru se téměř vše pohybuje na východ – ve směru rotace planety.
V rovníkové zóně se situace stává obzvláště turbulentní. Pod 20° zeměpisné šířky je pozorován východní proud dosahující rychlosti 470 metrů za sekundu. To je 1700 kilometrů za hodinu. Není to ale trvalé. Někdy se rychlost sníží o 200 metrů za sekundu. Jedná se o proměnlivý jev.
Porovnejte to se Zemí. Nejsilnější trvalá rychlost větru v tropickém cyklónu může dosáhnout 67 metrů za sekundu. Rovníkový výtrysk Saturnu se pohybuje čtyřikrát rychleji. A v zeměpisné šířce je dvakrát širší. Rozdíl je kolosální.
Hexagon na severním pólu
A pak je tu šestiúhelník.
Nachází se na 75° severní šířky. První výtrysk jižně od severního víru tento tvar opakuje. Funkce cloudu se kolem něj pohybují proti směru hodinových ručiček rychlostí 100 metrů za sekundu. Proč šestiúhelník? To je pravděpodobně výsledek interakce vln. Podobné úhlové vzory jsou pozorovány při laboratorních experimentech s rotujícími kapalinami v kbelících. Ale proč je stabilní? A proč vznikl právě v této zeměpisné šířce? Nikdo neví.
Ta symetrie je úžasná. Zonální proudy se vzájemně zrcadlí vzhledem k rovníku. Proud v dané severní šířce má obvykle analog na jihu. Na obou polokoulích se objevují silné východní větry o 46° a 60°. Západní proudy, téměř stacionární v magnetické referenční soustavě, se vyskytují při 40°, 55° a 70°.
Tato symetrie byla zachována po celá desetiletí. To bylo zaznamenáno Voyagery. Pozemní dalekohledy pak vylepšily pozorování. Sledovali Saturn roky. Údaje se shodovaly s výsledky Voyagerů. Trysky jsou stabilní. Mechanismus, který je udržuje v činnosti proti atmosférickému tření? Stále zůstává záhadou.
Poláky a perly
Póly jsou různé. V 11° od obou pólů jsou víry podobné hurikánům. Vír na jižním pólu má teplou „očnici“ (oko). Jeho šířka je 2000 kilometrů. Je obklopeno mraky, které stoupají 50–70 kilometrů nad okolní polární mraky.
Bouře na jižní polokouli Země mají také teplé oči a rotaci ve směru hodinových ručiček. Jsou obklopeny vysokou oblačností. Zde je ale důležité měřítko. Verze Saturn je kolosální. A co je kritické, pod Saturnovým vírem není žádný oceán. Tepelnou výměnu nenapájí teplá voda. Prostě atmosféra úplně dole.
Když se podíváte pozorně na mírné zeměpisné šířky. V blízkosti 33,5° severní šířky se nachází „šňůra perel“. Asi dvě desítky mezer v mracích. Každý z nich má průměr 1500 kilometrů. Jsou rozmístěny téměř rovnoměrně po 100° zeměpisné délky. Na infračervených snímcích jasně září. Jako náhrdelník natažený přes celou planetu.
Blesky a hluboké proudy
Jižní polokoule vypráví jiný příběh. Cassini detekovala emise krátkých rádiových vln z bouřek na 35° jižní šířky. Intenzivní. Stokrát silnější než pozemský blesk. Trvají týdny. Někdy i měsíce.
Tyto bouře se nacházejí na hustých, světlých oblacích. Silné konvektivní pohyby způsobené vodní párou. Světlosti na severu a blesky na jihu jsou propojené. Nacházejí se v oblastech s rychlými západními větry. Nasměrováno proti většině ostatních zónových proudů.
Co to znamená pro podpovrch? Severojižní symetrie naznačuje, že proudy jsou propojeny hluboko uvnitř. Teoretické modely planety s hlubokou konvekcí ukazují, že diferenciální rotace se řadí podél válců. Válce zarovnané s osou otáčení.
Atmosféru Saturnu lze sestavit z koaxiálních válců. Každý se otáčí svou vlastní rychlostí. Vytváření povrchových trysek pozorujeme. Tyto vrstvy se začnou pohybovat ve shodě až v hloubce 9 000 kilometrů. To je mnohem hlubší než na Jupiteru. Na Jupiteru se diferenciální rotace zastaví v mělčích hloubkách. Na Saturnu proudí hluboko. A my stále úplně nerozumíme tomu, co je vede.
Saturnovo magnetické pole je úžasně dokonalé. Shoduje se s osou rotace planety s přesností na jeden stupeň. Střed magnetického dipólu se nachází přesně ve středu planety. Tato konfigurace připomíná jednoduchý tyčový magnet více než kterákoli jiná planeta ve sluneční soustavě. Ale je tu jedno upozornění. Polarita je obrácená ve srovnání se Zemí. Siločáry se objevují na severní polokouli a vrhají se zpět na jižní polokouli. Pokud byste tam drželi kompas, šipka by ukazovala na jih.
Nejedná se však o čistý dipól. Jsou tam jemné odchylky. Pole vykazuje severojižní asymetrii. Povrchové pole na pólech je o něco silnější, než předpovídal jednoduchý model. Na „povrchové“ úrovni jednoho baru dosahuje severní pól 0,8 gaussů. Jižní pól je na 0,7 gaussu. Polární pole Země je podobné. Ale na rovníku je obrázek jiný. Rovníkové pole Saturnu je 0,2 gaussů. Na Zemi je to 0,3 gaussů. Jupiterovo rovníkové pole je ohromující 4,3 gaussů. To je více než 20krát silnější než Saturn.
Pokud bychom modelovali pole Saturnu jako proudovou smyčku, magnetický moment by byl asi 600krát větší než pozemský. Jupiterův je 20 000krát větší než pozemský. Proč je v tom takový rozdíl? Záleží na tom, kde se pole generuje. Saturnovo pole vzniká pohybem tekutiny v jeho elektricky vodivém nitru. Tato oblast se skládá z tekutého kovového vodíku obklopujícího skalnaté jádro. Tvoří vnitřní polovinu planety. Jupiter má této vodivé látky více. Nižší hmotnost a objem ve vodivé zóně částečně vysvětluje, proč je Saturnovo pole slabší. Jupiter je také teplejší. Teplejší podpovrch znamená intenzivnější pohyby tekutin. To pravděpodobně přispívá k obrovské propasti v síle pole mezi dvěma plynnými obry.
Tvar Saturnovy magnetosféry
Magnetosféra je oblast vesmíru ve tvaru slzy, které dominuje Saturnovo magnetické sevření. Řídí nabité částice pocházející převážně ze Slunce. Zaoblená strana směřuje ke Slunci. Tvoří hranici nazývanou magnetopauza. Tato hranice se nachází přibližně 20 poloměrů Saturnu od středu planety. To je přibližně 1 200 000 kilometrů. Ale ona váhá. Tlak slunečního větru neustále mění tvar. Na opačné straně se magnetosféra táhne do obřího magnetického ohonu. Rozprostírá se na obrovské vzdálenosti do vesmíru.
V tomto regionu se věci zkomplikují. Vnitřní magnetosféra zachycuje vysokoenergetické nabité částice. Většina z nich jsou protony. Pohybují se po spirálních trajektoriích podél magnetických siločar. Tyto linie tvoří pásy kolem Saturnu, podobné pozemským Van Allenovým pásům. Ale na rozdíl od Země nebo Jupiteru Saturnovy pásy prosakují. Částice jsou absorbovány pevnými tělesy rotujícími uvnitř siločar. Údaje ze sondy Voyager to potvrdily. V populaci částic jsou „díry“. Tyto díry existují na siločarách, které protínají prstence a oběžné dráhy satelitů.
“Díry” existují v populacích částic na siločarách, které protínají prstence a oběžné dráhy satelitů v magnetosféře.
Titan a Hyperion rotují blízko minimálních rozměrů magnetosféry. Periodicky překračují magnetopauzu. Překračují Saturnovu ochrannou bublinu. Když se energetické zachycené částice srazí s neutrálními atomy v horní atmosféře Titanu, přenesou jim energii. To způsobuje erozi atmosféry satelitu. Cassini pozorovala halo těchto energetických atomů kolem Titanu. To je přímá souvislost mezi magnetickým násilím Saturnu a ztrátou atmosféry jeho největšího měsíce.
Aurora a interakce se slunečním větrem
Saturn má ultrafialové bystrozory. Produkují je energetické částice z magnetosféry ovlivňující atomární a molekulární vodík v polární atmosféře. Snímky z Hubbleova vesmírného dalekohledu z konce 90. let a počátku 21. století zachytily tyto polární prstence. Snímky poskytly přesvědčivý důkaz vysoké symetrie pole. Ukázali také, jak bystrozori reagují na sluneční vítr. Svou roli zde hraje i sluneční magnetické pole.
Data ukazují úzké spojení mezi Sluncem a planetou. Ale není to statické. Bystrozorové se posouvají. Reagují na změny tlaku. Sledují magnetické linie. Jedná se o dynamický systém. Které se stále učíme dešifrovat. Díry v radiačních pásech zůstávají záhadou absorpce. Asymetrie v poli naznačuje hluboké vnitřní procesy, které zatím nevidíme. Saturn uchovává svá tajemství v rotaci svého kovu a srážce částic se svými prstenci.
Husté jádro Saturnu a hlubiny vodíku
Hustota Saturnu je prvním náznakem. Je tak malý, že jeho hlavní složení by mělo sestávat převážně z vodíku. Ale to není vodík, který vidíme v balónu. Ponořte se 1 000 km (600 mil) pod viditelnou oblačnost. Tlak dosahuje jednoho kilobaru. Teplota stoupne na přibližně 1000 K (730 °C). V této hloubce se vodík přestává chovat jako plyn. Promění se v kapalinu.
Je to zvláštní, vysoce stlačitelný materiál. Ke snížení průměrné hustoty Saturnu na 0,69 gramu na centimetr krychlový je zapotřebí tlak přesahující jeden megabar. K tomu dochází v hloubce 20 000 km (12 500 mil). Asi v jedné třetině cesty do centra. Planeta je koule hustého kapalného vodíku držící vše pohromadě.
Mapování gravitace k určení hmotnosti
Nemůžeme vyvrtat studnu v Saturnu. Musíme studovat jeho gravitační pole. Není sféricky symetrický. Planeta se rychle otáčí. Jeho hustota je nízká. Tyto faktory deformují její fyzickou podobu. Také deformují jeho gravitační pole.
Data kosmické lodi toto zkreslení jasně ukazují. Pohyb sond a struktura prstenců odhalují pravdu. Tvar pole nám vypovídá o rozložení hmoty. Saturn je ve středu kondenzovanější než Jupiter. V blízkosti jádra je podstatně hustší materiál.
Ve středu Jupiteru je přibližně 67 procent hmotnosti vodíku. Ve středu Saturnu je jen asi 50 procent. Zbytek jsou těžší látky.
Kovový přechod
Ponořte se hlouběji. Asi v polovině cesty mezi vrcholky mraků a středem. Tlak dosahuje dvou megabarů. Teploty dosahují 6 000 K (5 730 °C). Děje se něco zvláštního. Molekulární vodík prochází fázovým přechodem. Stává se z něj kapalný kovový vodík. Vypadá a chová se jako roztavený alkalický kov. Myslete na lithium.
Údaje o gravitaci potvrzují, že tato oblast je hustší než čistý vodík smíchaný se slunečním heliem. Část této nadměrné hustoty pravděpodobně pochází z usazování hélia z vnějších vrstev. Ale je toho víc. Saturn může obsahovat materiál hustší než vodík i helium. Celková hmotnost může být 30krát větší než hmotnost Země. Nemůžeme přesně určit distribuci. Pravděpodobně však existuje kamenné a ledové jádro. Pravděpodobně váží 15–18 hmotností Země. Nachází se v samém centru.
Magnetické dynamo
Vnější jádro se skládá z tohoto tekutého kovového vodíku. Má vysokou elektrickou vodivost. Pokud existují cirkulační proudy – jak by se dalo očekávat, když teplo proudí ven a těžší součásti se usazují – je dynamo efekt dostatečný. To vytváří Saturnovo magnetické pole. Mechanismus je stejný jako u Země. Zde je použitelná teorie hlubokého pole.
Hluboké pole v blízkosti jádra je nepravidelné. Ale to, co vidíme z kosmických lodí, je jiné. Je to docela pravidelné. Osa dipólu je téměř dokonale zarovnaná s osou rotace. Proč taková symetrie? Teorie naznačují, že siločáry procházejí nekonvektivní, elektricky vodivou oblastí, než dosáhnou povrchu. Tato oblast se otáčí vzhledem k siločarám a vyhlazuje chaos.
Za posledních 25 let jsme pozorovali výraznou změnu v rotační periodě magnetického pole. Tento posun může být způsoben hlubokými elektrickými proudy zahrnujícími vodivé jádro. Vnitřek není statický. Je v pohybu.
Tajemství vnitřního tepla
Saturn vyzařuje do vesmíru asi dvakrát více energie, než přijímá od Slunce. Tento výstup je primárně v rozsahu infračervených vlnových délek od 20 do 100 mikronů. Uvnitř je zdroj tepla.
Kilogram za kilogram, vnitřní energetický výdej Saturnu je podobný jako u Jupitera. Saturn je ale méně hmotný. Když se obě planety formovaly, měla celkově menší energetický obsah. Pokud stále emituje na úrovni Jupiteru, zdroj nemůže být stejný. Něco jiného dodává toto teplo.
Vnitřní tepelný motor Saturnu
Saturn nevznikl jen gravitací; vyrostl. Výpočty její tepelné historie ukazují, že planeta začala svou existenci s těžkým jádrem. Hovoříme o 10–20 hmotnostech Země. Toto jádro se pravděpodobně vytvořilo z planetesimál bohatých na led, které se navzájem srazily. Jakmile byly položeny pevné základy, převzala vládu gravitace. Obrovské množství vodíku a helia z rané sluneční mlhoviny se vrhlo dovnitř a zhroutilo se kolem jádra.
Jupiter prošel stejným procesem. Jen se stal masivnějším. Zachytil ještě více plynu než Saturn. Rychlá akrece zahřála plyn na ohromující teploty. Tyto mladé planety měly vnitřní teploty dosahující desítek tisíc Kelvinů.
Proč je Saturn teplejší, než se očekávalo
Tady začíná být příběh zajímavý. Vnitřní energie Jupiteru je pochopitelná: začal neuvěřitelně horký a pomalu se ochlazuje již 4,6 miliardy let. Teplo, které nyní nacházíme, je pouze zbytkové teplo z toho násilného zrození.
Saturn měl udělat totéž. Kdyby se jednoduše ochladil, jeho vnitřní teplo by už dávno vyprchalo. Modely navíc ukazují, že asi před dvěma miliardami let muselo její teplo klesnout pod současnou úroveň uvolňování energie. To se ale nestalo. Saturn pokračuje ve výrobě tepla.
Děje se něco jiného.
Héliový déšť dodává teplo
Nejpravděpodobnější vysvětlení spočívá v tom, co se děje hluboko uvnitř Saturnu. Helium se odděluje od vodíku. Ve vrstvě kovového vodíku helium vypadává z roztoku a tvoří husté kapičky. Tyto kapky padají dolů.
V podstatě je to heliový déšť.
Jak těžké kapky klesají hlouběji, ztrácejí potenciální energii. Tato energie se mění v kinetickou energii, jak se kapky zrychlují. Tření tento pohyb tlumí a kinetická energie se přeměňuje na teplo. Konvekce přenáší toto teplo vzhůru do atmosféry a záření ho uvolňuje do vesmíru.
Tento proces přidává další energii, což umožňuje Saturnu zůstat teplý déle, než by bylo možné pouhým ochlazením. Totéž se pravděpodobně děje na Jupiteru. Jeho vnitřek je teplejší, což umožňuje, aby ve vodíku zůstalo rozpuštěno více helia. Proto je tam účinek mnohem slabší.
Důkazy komplikují obraz
Mise Voyageru našly něco, co vypadalo jako důkaz. Zaznamenali výrazné ochuzení atmosféry Saturnu o helium. To dokonale odpovídalo teorii: helium se usadilo a horní vrstvy zůstaly ochuzeny o tento prvek.
Zdálo se, že to potvrzuje teorii.
Údaje však byly od té doby zpochybněny. Zbídačení nemusí být tak jednoduché, jak se dříve myslelo. Teorie heliového deště je stále nejlepším vysvětlením dlouhodobého zadržování tepla Saturnu. Jenže „zločinná zbraň“ už není tak samozřejmá, jako bývala. Záhada extra tepla zůstává nevyřešena.
Jeden chaotický systém
Máme tendenci kreslit jasnou čáru (na písku nebo ledu). Na jedné straně jsou satelity. Na druhé straně – kroužky. Zdá se, že oddělení je absolutní. Ale to není pravda. Prstence Saturnu a jeho měsíce jsou součástí jednoho komplexního, propojeného systému. Jejich struktury se vzájemně ovlivňují. Jejich dynamika se navzájem ovlivňuje. I jejich vývoj je propojený.
Podívejte se na nejvnitřnější známé satelity. Nejsou v chladném, tmavém prostoru. Jsou umístěny uvnitř prstenců nebo mezi nimi. Neustále se objevují nové satelity, zasazené přímo do struktury prstenců. To vyvolává zvláštní otázku: co je to vlastně satelit?
Samotný prstencový systém je v podstatě roj drobných satelitů. Hovoříme o částicích velikosti zrnka prachu, kouscích o velikosti auta a balvanech o velikosti domu. Všechny obíhají Saturn nezávisle na sobě. Mezi největší prstencovou částicí a nejmenší družicí neexistuje žádná tvrdá hranice. Díky tomu je počítání satelitů ztrátové. Přesné číslo prostě nemusí být možné.
Kruhový systém
Kroužky nejsou statické ledové vrstvy. Jsou dynamické. Aktivní. Vzniká gravitací a srážkami. Satelity fungují jako „pastýři“. Zabraňují tomu, aby se kroužky rozptýlily. Také vyřezávají mezery. Například sekce Cassini není prázdný prostor. To je výsledek orbitálních rezonancí s měsíci, jako je Mimas.
Když se podíváme na tyto prstence, vidíme víc než jen trosky. Vidíme laboratoř. Místo, kde se fyzika rozvíjí v masivním měřítku. Částice se srazí. Drží spolu. Rozdělují se. Systém se neustále mění.
Nejde jen o hezké fotky. Toto je pochopení toho, jak se tvoří planetární systémy. A jak zůstávají nedotčené. Nebo se rozpadnou. Hranice mezi satelity a prstenci jsou rozmazané. Záměrně? Ne. Jen výsledek chaotického, krásného tance, který trvá miliardy let.
Galileovo pozorování Saturnu v roce 1610 nebylo ani tak objevem, ale spíše zdrojem zmatku. Namířil svůj primitivní dalekohled na planetu a oznámil, že nevidí jeden objekt, ale tři.
“Saturn není jedna hvězda, ale složený objekt ze tří, které se navzájem téměř dotýkají, nikdy nemění svou vzájemnou polohu a nepohybují se, uspořádané v řadě podél ekliptiky, přičemž prostřední objekt je třikrát větší než boční.”
Rozhodl se, že objevil systém tří hvězd.
O dva roky později prostřední hvězda zůstala na místě, ale satelity zmizely. Země se posunula. Překročila orbitální rovinu Saturnu a viděla prstence pod úhlem, téměř ze strany. Galileovým udiveným očím „přílohy“ úplně zmizely. Když se vrátili, stále nedokázal poskládat obraz dohromady. Nikdy si neuvědomil, že tyto podivné výčnělky představují disk.
K odvození skutečného tvaru bylo zapotřebí holandského vědce Christiaana Huygense, který v roce 1655 pracoval s mnohem pokročilejším dalekohledem. Viděl nakloněnou rovinu prstenu. Dokonce navrhl, že to byl tvrdý, tlustý disk.
Matematika, která dokázala, že prstence nejsou pevné
Skepse vzrostla v roce 1675. Gian Domenico Cassini, italský astronom francouzského původu, objevil na disku obrovskou mezeru. ** Štěpení sondy Cassini**, jak je dnes známo, způsobilo otřesy teorie pevných prstenců.
Pak přišla matematika.
V roce 1789 Pierre-Simon Laplace navrhl, aby se prsteny skládaly z mnoha malých součástí. Ale až v roce 1857 to matematicky dokázal skotský fyzik James Clerk Maxwell. Prstence by mohly být stabilní pouze tehdy, pokud by se skládaly z obrovského množství malých jednotlivých částic.
Americký astronom James Kider potvrdil tento předpoklad asi o 40 let později.
Křehká struktura ve vesmíru
Dnes víme, že Saturnovy prstence jsou obrovské, ale absurdně tenké.
- Průměr: 270 000 km (170 000 mil)
- Tloušťka: ne více než 100 metrů (330 stop)
- Hmotnost: 1,5 $ \krát 10^{19} $ kg
Tato hmotnost je pouze asi 0,41 hmotnosti Saturnova měsíce Mimas. Celý systém včetně slabých vnějších prstenců se rozkládá na téměř 26 000 000 km.
Proč se ale prstence neslepily do jednoho satelitu?
Roche limit vysvětlil
Saturnovy prstence jsou v klasickém Rocheově limitu. Toto je minimální vzdálenost, na kterou se velký satelit může přiblížit k planetě, než ji slapové síly roztrhnou na kusy. Pro Saturn je tento limit asi 147 000 km (91 300 mi), neboli 2,44 poloměrů Saturnu.
Uvnitř této zóny zabraňují slapové síly agregaci malých těles do větších objektů. Toto pravidlo platí pro předměty, které drží pohromadě gravitace. Neplatí pro malá tělesa držená pohromadě molekulární koherencí. To je důvod, proč malé družice a umělé družice mohou v rámci tohoto limitu existovat neomezeně dlouho.
Z čeho jsou prsteny vyrobeny?
Jednotlivé částice nevidíme přímo. Místo toho určujeme jejich velikost podle toho, jak rozptylují světlo a rádiové signály z hvězd a kosmických lodí.
Výsledkem je široký, souvislý rozsah velikostí částic, od centimetrů po několik metrů. Velkých objektů je podstatně méně než malých. Toto rozložení odpovídá očekávanému výsledku opakovaných srážek rozkládajících původně větší tělesa.
V některých oblastech dochází ke srážkám tak často, že existují dokonce i prachová zrna. Tato zrna mají krátkou životnost. Při vystavení slunečnímu světlu nebo nárazům mikrometeoritů se elektrizují. Tento náboj interaguje s magnetickým polem Saturnu a vytváří pohyblivé klínovité “paprsky”, které se radiálně rozprostírají nad rovinou prstence.
“Spakes” byly běžným jevem během průletů sond Voyager. Zmizely během mise Cassini až do září 2005. Tento posun pravděpodobně naznačuje, jak různé úhly slunečního světla ovlivňují tvorbu nabitých zrn. Někteří astronomové naznačují, že „paprsky“ jsou sezónní a objevují se pouze v blízkosti rovnodenností.
Existují také důkazy o větších „prstencových měsících“ – tělesech o průměru několika kilometrů uložených v hlavních prstencích. Jen několik z nich bylo objeveno. Tyto “klastické” měsíce jsou pravděpodobně přechodné objekty, které neustále vznikají a ničí gravitace, srážky a měnící se orbitální rychlosti.
Prsteny umírají
Kroužky silně odrážejí sluneční světlo. Spektroskopická analýza ukazuje, že se skládají převážně z vodního ledu smíchaného s tmavšími nečistotami.
Vzhledem k tomu, že celková hmotnost je tak malá, prstence jsou pravděpodobně velmi mladé. Mohou být staré 10 až 100 milionů let.
To vyvolává otázku: odkud se vzali?
Je možné, že hlavní prstence vznikly v důsledku rozpadu komety. Alternativně mohly být zničeny měsíce podobné velikosti a složení jako Tethys nebo Dione. Původní prstencový systém by byl mnohem větší, časem se zmenšil a vytvořil ledové vnitřní měsíce, jako je Tethys.
Prsteny ale také mizí.
Nabitý materiál z prstenců migruje do Saturnovy ionosféry podle magnetických siločar. Každou sekundu spadne do atmosféry 432 až 2 870 kg materiálu prstenců.
Tímto tempem prstence zmizí za 292 milionů let.
Toto je okamžik v geologickém měřítku. Žijeme v krátkém okně kosmické historie a pozorujeme strukturu, která je velkolepá i pomíjivá. Led je přítomen. Fyzika je jasná. Ale konec už je v pohybu.
Hlavní prstencový systém není jen plochý disk. Je to chaotický, mnohovrstevný komplex struktur zahrnujících několik měřítek. Existují tři široké hlavní prstence – C, B a A, umístěné podle jejich vzdálenosti od Saturnu. Jsou viditelné ze Země. V nich jsou četná jednotlivá prstencová vlákna, z nichž některá jsou široká jen několik kilometrů. Vědci používají tyto struktury ke studiu gravitačních rezonancí a pozorují, jak malé částice interagují během jejich blízkých orbitálních setkání.
Mnoho struktur má teoretická vysvětlení. Značný počet zůstává záhadný. Kompletní syntéza dat zatím neexistuje. Proč je to důležité? Protože Saturnovy prstence mohou sloužit jako analog k původní diskovité sbírce částic, ze kterých se vytvořily planety. Pochopení jejich dynamiky a vývoje má důsledky pro pochopení původu samotné Sluneční soustavy.
Jak optická hloubka odhaluje hustotu prstence
Strukturu jako celek popisuje optická hloubka jako funkce vzdálenosti od Saturnu. Optická hloubka měří, kolik elektromagnetického záření je absorbováno, když prochází médiem. Představte si mraky. Atmosféry planet. Oblast prostoru naplněná částicemi. Slouží jako indikátor průměrné hustoty.
Zcela průhledné médium má optickou hloubku 0. Se zvyšující se hustotou roste i tato hodnota. Záleží na vlnové délce a typu média. U prstenců Saturnu nejsou rádiové vlny dlouhé několik centimetrů nebo delší prakticky neovlivňovány nejmenšími částicemi prstenců. Mají menší optickou hloubku ve srovnání s viditelným světlem.
Vnitřní kroužky: C, D a těsný kroužek B
Prsten B je nejjasnější. Nejtlustší. Nejširší. Rozprostírá se od 1,52 do 1,95 poloměru Saturn. Optická hloubka se pohybuje od 0,4 do 2,5. Přesné hodnoty závisí na vzdálenosti k Saturnu a vlnové délce světla. (Rovníkový poloměr Saturnu je 60 268 km.)
Je vizuálně oddělen od vnějšího hlavního prstence, prstence A, oddělením Cassini. Toto je nejnápadnější mezera. Nachází se mezi 1,95 a 2,02 poloměru Saturnu a nepostrádá částice. Vykazuje složité změny optické hloubky s průměrnou hodnotou 0,1.
Prstenec A sahá od 2,02 do 2,27 poloměru Saturn. Optická hloubka se pohybuje od 0,4 do 1,0.
Uvnitř prstence B je prstenec C. Někdy se mu říká krémový prsten. Nachází se ve vzdálenosti 1,23 až 1,52 poloměru Saturnu, kde se optická hloubka blíží 0,1. Uvnitř je ve vzdálenosti 1,11 až 1,23 poloměru extrémně řídký prstenec D. Nemá žádný měřitelný vliv na světlo hvězd nebo rádiové vlny. Viditelné pouze v odraženém světle.
F Ring a okrajové části systému
Vnější prstenec A je úzký prstenec F ve vzdálenosti 2,33 poloměrů Saturnu. Pozorování sondy Cassini naznačují těsně navinutou spirální strukturu. Mezi prstenci A a F, rozmístěnými podél oběžné dráhy vnitřní družice Atlas, je řídký pruh materiálu. Pravděpodobně vyvržený samotným satelitem.
Ještě dále je prsten G. Optická hloubka je pouze 0,000001. Nachází se přibližně 2,8krát větší než poloměr Saturnu. Původně objeven kvůli jeho účinku na nabité částice v magnetosféře Saturnu. Slabě viditelné na snímcích Voyageru.
Snímky sondy Cassini z roku 2008 odhalily v prstenci G malý měsíc zvaný Aegeion. Jeho průměr je asi 0,5 km. Může to být jedno z několika rodičovských těles. Prstence mimo prstenec A jsou podobné prstencům Jupitera. Skládají se převážně z malých částic neustále vyvrhovaných satelity.
E prsten a Phoebin masivní prsten
Za kroužkem G je kroužek E. Velmi široký. Roztroušeně. Rozkládá se od 3 do minimálně 8 poloměrů Saturnu. Pozorování sondy Cassini potvrdila, že se skládá z ledových částic vycházejících z gejzírů. Ledový vulkanismus neboli kryovulkanismus. Tepelně aktivní oblast – horké místo – poblíž jižního pólu Enceladu.
Poté přichází na řadu krajní prstenec. Rozprostírající se od 128 do 207 poloměrů Saturnu. Daleko mimo ostatní. Obrovský, řídký prachový prstenec. Vznikl v důsledku dopadů na satelit Phoebus. Je to největší planetární prstenec ve Sluneční soustavě.
Objeven Spitzerovým vesmírným dalekohledem. Pozorování ukázala optickou hloubku 2 × 10⁻⁸. Na rozdíl od jiných prstenců má tento prachový prsten stejný sklon jako Phoebeina oběžná dráha.
Ostatní malé satelity mají také řídké prstence. Nebo prstencové oblouky. Spojeno se satelity Janus a Epimet na oběžné dráze. Meton. Ante. Pallen.
Tento systém ještě není plně pochopen. Máme kousky skládačky. Zbytek je skryt v prostorech.
Optická hustota hlavních Saturnových prstenců není jednotná. Je to roztříštěné. V prstencích C, B a A jsou roztroušeny obrovské mezery, z nichž některé jsou pojmenovány po astronomech, kteří je poprvé zmapovali. Jedná se o Colombo, Maxwell, Bond a Dewes diskontinuity uvnitř C prstence. Pak je tu Huygensova diskontinuita na vnějším okraji prstence B a nespojitosti Encke a Keeler uvnitř prstence A.
Většina z nich zůstala záhadou, dokud se k planetě nepřiblížila kosmická loď. Mezera Encke byla jediná známá ze Země před misemi Voyageru.
Měsíčky sekačky
Proč jsou prázdné? Dlouho to byla jen teorie. Vědci předpokládali, že uvnitř mezery se pohybuje munlet (malá družice) široká asi 10 kilometrů, která svou gravitací mezeru vyčistila od trosek.
Ukázalo se, že měli pravdu.
Pan je v Enckeho propasti. Voyager jej vyfotografoval v roce 1990. Cassini ho později znovu viděla, čímž teorii potvrdila. Pak se objevila Dafnis. Měl být očekávaným „pasením“ společníkem pro Keelerovu přestávku. Cassini ho objevila v roce 2005.
“Dafnis, očekávaný odpovídající měsíc v Keelerově mezeře, byl objeven na snímcích Cassini v roce 2005.”
Vzor se opakuje. Měsíce se také mohou skrývat v Huygensových a Maxwellových nespojitostech. Opravdové překvapení ale přišlo z A ringu. Cassini objevila více než 150 munletů o průměru asi 100 metrů. Nevytvářejí velké mezery. Zanechávají za sebou struktury ve tvaru “vrtule” – drobné poruchy v ledu, které prozrazují jejich přítomnost. Dokonce i v prstenci B byl spatřen 400metrový mut, i když se nezdá, že by vyřezával díru.
Rezonanční past
Někdy není měsíc v mezeře. Je daleko, ale její gravitace stále ovlivňuje prstence.
K tomu dochází prostřednictvím orbitální rezonance. Matematika je jednoduchá. Částice Měsíce a prstence musí dokončit své oběžné dráhy v časech, které jsou násobky celého čísla. Pokud je částice v určitém poloměru, narazí na Měsíc pokaždé ve stejném bodě. V průběhu let se tyto opakované gravitační otřesy kumulují. Vytlačují částici ven. Vytvoří se mezera.
Pokud se Měsíc otáčí mimo prstenec, ukradne částicím moment hybnosti. Spouští vlnu hustoty spirály. Pokud je rezonance silná, mezera se vyčistí.
Podívejte se na okraj prstence B a pásek Cassini. Jsou v rezonanci 2:1 s Mimasem. Mimas trvá oběh kolem Saturnu dvakrát déle než částicím na tomto poloměru. Výsledek? Hranice není dokonalý kruh. Má dva laloky.
Vnější okraj prstence A tvoří Janus a Epimetheus v rezonanci 7:6. Má zvlněný okraj se sedmi laloky.
Rezonance vysvětlují některé jemné struktury. Ale ne všechny. Existují tisíce prstenů. Nemáme dostatek známých měsíců nebo rezonancí, abychom je všechny vysvětlili. Systém je chaotičtější, než naznačují modely.
Data vyzvánění
Čísla vyprávějí jiný příběh než teorie. Zde je uvedeno, jak souvisí prvky v poloměru a šířce.
| Kroužek (nebo dělicí pás, nebo mezera) | Poloměr vnitřní hrany (km) | Šířka (km) | Poznámky |
|---|---|---|---|
| Prsten D | 67 000 | 7 500 | Slabé, viditelné pouze v odraženém světle |
| Prsten C | 74 490 | 17 500 | Také nazývaný Crepe Ring |
| (Colombo Break) | 77 800 | 100 | |
| (Maxwell Gap) | 87 500 | 270 | |
| (Zlomení vazby) | 88 690 | 30 | |
| (Dues Gap) | 90 200 | 20 | |
| Prsten B | 91 980 | 25 500 | Nejjasnější prsten |
| (Separační pás Cassini) | 117 500 | 4 700 | Největší mezera v kroužcích |
| (Huygensova mezera) | 117 680 | 285–440 | |
| (Herschel Gap) | 118 183 | 102 | |
| (Russell Break) | 118 597 | 33 | |
| (Jeffries Break) | 118 931 | 38 | |
| (Kuiper Rip) | 119 403 | 3 | |
| (Laplaceova mezera) | 119 848 | 238 | |
| (Besselova mezera) | 120 236 | 10 | |
| (Barnard Gap) | 120 305 | 13 | |
| Prsten A | 122 050 | 14 600 | Vnější prstenec při pohledu ze Země |
| (Encke Gap) | 133 570 | 325 | |
| (Keeler Gap) | 136 530 | 35 | |
| (Roche Dividing Belt) | 136 770 | 2 600 | |
| Prsten F | 140 224 | 30–500 | Nejslabší, nejužší z hlavních prstenců |
| Prsten G | 166 000 | 8 000 | Slabý |
| Prsten E | 180 000 | 300 000 | Slabý |
| Phlebe’s Dust Ring | 7 772 240 | 4 766 000 | Největší planety |
Saturn drží korunu největšího počtu měsíců ve sluneční soustavě. Jejich počet je 274 známých satelitů. To není jen číslo. Je to hřbitov ledu, skály a chaosu, obíhající kolem plynného obra. Pro některé z těchto orgánů máme údaje shrnuté v podrobných tabulkách. Tituly. Tradiční čísla. Orbitální vzdálenosti. Fyzikální vlastnosti. Jsou uvedeny jednotlivě.
Vnitřní kruh: malý, rychlý a pravidelný
Prvních 18 objevených měsíců je všech těsně seskupených blízko sebe. S výjimkou Phlebes, který je v hlubokém chladu vnější soustavy, obíhají až 3,6 milionu kilometrů od Saturnu. To je 2,2 milionu mil. Devět z nich je obrovských. Poloměr více než 100 km. Lidé je pozorovali dalekohledy až do konce 20. století. Odpočinek? Byli to pixelovaní duchové na snímcích Voyageru z počátku 80. let.
Pak dorazila Cassini. Od roku 2004 objevil maličké. Polydeus je jedním z nich. Poloměr je pouze 3–4 km. Téměř neviditelné. Tyto vnitřní měsíce jsou pravidelné. Jejich oběžné dráhy jsou přímé (prográdní). Nízký sklon. Nízká excentricita. Chovají se dobře.
“O osmi největších se předpokládá, že vznikly podél rovníkové roviny Saturnu z protoplanetárního disku materiálu, podobně jako planety vzniklé kolem Slunce.”
Klasickým příkladem této pravidelnosti je pánev. Označení XVIII. Obíhá ve vzdálenosti 133 580 km. Oblet planety trvá 0,575 dne. Je maličký. Rádius 10 km. Hmotnost je zanedbatelná – 0,049 x 10^17 kg. Hustota je nízká – 0,36 g/cm³. Toto je měsíční fragment vyřezaný z prstenů.
Dafnis je ještě menší. XXXV. Rádius 3,5 km. Obíhá ve vzdálenosti 136 500 km. Hmotnost je málo známá, udává se jako (0,002). Ale je to důležité. Vyřízne trhliny. Je „pastýřem“ prstencových částic.
Atlas následuje ve vzdálenosti 137 670 km. Rozměry 19 x 17 x 14 km. Toto není koule. Toto je zploštělý disk. Prometheus a Pandora jsou měsíční „pastýři“ prstenu F. Prometheus je větší. 70 x 50 x 34 km. Pandora – 55 x 44 x 31 km. Jejich oběžné dráhy jsou blízko. Prometheus ve vzdálenosti 139 380 km. Pandora na 141 720 km.
Epimetheus a Janus hrají zvláštní hru. Sdílejí oběžné dráhy. Epimetheus – XI. Janus – X. Jejich vzdálenosti jsou téměř totožné. 151 410 km versus 151 460 km. Každé čtyři roky mění místa. Gravitační tanec. Poloměr Epimethea je 69 x 55 x 55 km. Janus je masivnější – 99 x 96 x 76 km.
Aegeion je nejmenší z této skupiny. LIII. Rádius 0,3 km. Žije v ringu G. Stone.
Mimas je první velký měsíc, který většina lidí zná. I. Má kráter, díky kterému to vypadá jako Hvězda smrti. Rádius 198 km. Hmotnost 373 x 10^17 kg. Hustota 1,15 g/cm³. Skládá se především z ledu.
Metone a Ante jsou malé tečky. Meton – XXXII. Rádius 1,5 km. Ante – XLIX. Poloměr 1 km. Pallena – XXXIII. Rádius 2 km. Všechny jsou malé. Vše pravidelné.
Enceladus je výjimkou. II. Je to v rozporu s modelem „mrtvého kamene“. Rádius 252 km. Hustota 1,61 g/cm³. Má gejzíry. Vodní pára uniká do vesmíru. Toto je svět, který může skrývat oceán.
Thetis – III. Rádius 533 km. Hustota je nízká. 0,97 g/cm³. Téměř čistý vodní led. Telesto a Kallipso jsou trojské satelity. Sdílejí oběžnou dráhu Thetis. Telesto je 60° napřed. Calypso ji následuje. Jsou malí. 15 km napříč. Hrubé formy.
Polydeus je další trojský satelit. XXXIV. Následuje Dionu. Jeho oběžná dráha je ale chaotická. Široké variace. Nedrží se na 60° bodu jako Calypso.
Dione – IV. Rádius 562 km. Hmota je těžká. 10 970 x 10^17 kg. Hustota 1,48 g/cm³. Helena je její trojská společnice. XII. Rádius 16 km.
Rhea – V. Poloměr 764 km. Je to druhý největší z vnitřních pravidelných měsíců. Hmotnost 22 900 x 10^17 kg.
Titan – VI. Král. Rádius 2 576 km. Hmota je obrovská. 1 342 000 x 10^17 kg. Hustota 1,88 g/cm³. Má hutnou atmosféru. Metanová jezera. Toto je samostatný svět.
Daleko nepravidelné: Chaos a retrográdní hnutí
Mimo Titan se pravidla porušují. Hyperion – VII. Rozměry 185 x 140 x 113 km. Jeho rotace je chaotická. On kotrmelce. Žádná stabilní rotace. Toto je houba. Porézní.
Iapetus – VIII. Rádius 735 km. Je daleko. 3,56 milionu km. Doba oběhu je 79,33 dne. Sklon kolísá. Měsíc je dvoubarevný. Na jedné straně tmavý. Světlo na druhé.
Pak jsou tu nepravidelné satelity. Jsou jich desítky. Malé. Vzdálený. Retrográdní. Otáčejí se dozadu. Nebo ve strmých úhlech.
Kiviuk – XXIV. Vzdálenost 11 110 000 km. Období je 449,22 dne. Sklon 45,708°. Retrográdní? Ne, postup, ale s vysokým sklonem. Rádius 8 km. Mše neznámá. (0,033).
Ijrak – XXII. Ve vzdálenosti 11 124 000 km. Sklon 46,448°. Rádius 6 km.
Phoebe – IX. Cizinec ve vnitřním shluku? Ne, je hluboko ve vnějším systému. Ve vzdálenosti 12 947 780 km. Lhůta je 550,31 dne. Písmeno „R“ označuje retrográdní pohyb. Sklon je obrovský. 175,3°. Toto je zachycený objekt. Pravděpodobně z Kuiperova pásu. Rádius 107 km. Hmotnost 83 x 10^17 kg.
Vnější roj pokračuje. Paliak. XX. 15,2 milionu km. Scutdy. XXVII. Retrográdní. Albiorix. XXVI. S/2007 S2. Dočasné označení. Zatím bez jména. Bebionne. Eriapu. Siarnak. Největší z nepravidelných. Rádius 20 km.
Skoll. Tarvos. Tark. Chřipka. S/2004 S13. Hirokin. Mundilfari. S/2006 S1. S/2007 S3. Yarnsaksa. Narvi. Bergelmir. S/2004 S17. Suttung. Hati. S/2004 S12. Bestla. Trumr. Barvauti. Aegir. S/2004 S7. Kari. S/2006 S3. Fenrir. Surtur. Emil. Protokoly. Formjot.
Většina z nich je malá. Rádius 2–5 km. Některé až 20 km. Siarnak je velký na zachycený objekt.
Jejich období je dlouhé. Stovky dní. Sklony se velmi liší. Od 33° do 179°. Výstřednosti jsou vysoké. Od 0,1 do 0,5. Nejsou součástí původní formace Saturnu. Byly ukradeny.
“Množství uvedené v závorkách jsou málo známá.”
Tato poznámka platí pro mnoho z těchto vzdálených měsíců. Vidíme je. Vypočítáme jejich oběžné dráhy. Ale neznáme jejich hmotnost. Nebo jejich přesnou hustotu.
Proč je to důležité?
Proč katalog 274 měsíců? To není jen byrokracie. To je pochopení
Daleko, zachycená hrana
Odhoďte uspořádané vnitřní prstence a pravidelné satelity a narazíte na zeď chaosu. Počínaje přibližně 11 miliony kilometrů od Saturnu se geografie sluneční soustavy zcela mění. Zde přestávají platit „obvyklá“ pravidla vzniku měsíce. Zde je druhá, vnější skupina satelitů, které se nepodřizují zavedeným pravidlům.
Jejich oběžné dráhy jsou určeny tím, čím nejsou. Nejsou kruhové. Nejsou ploché. Místo toho tato tělesa popisují vysoce protáhlé, nakloněné trajektorie kolem obří planety. Je to špinavá geometrie. Asi dvě třetiny z nich se pohybují v retrográdním směru, to znamená, že rotují v opačném směru, než je rotace Saturnu. Jedná se o vesmírné tuláky rotující proti toku momentu hybnosti systému.
Ve srovnání s Titanem nebo Enceladem jsou malé. S výjimkou Phoebe, významné odlehlé polohy, jejíž poloměr převyšuje ostatní, jsou všechny tyto měsíce široké méně než 20 kilometrů. To nestačí. Je to vlastně malinké.
Jak jsme je objevili
Jak jsme je vůbec viděli? Většina těchto vzdálených slabých bodů nebyla viditelná pro Galileův dalekohled ani rané robotické sondy. To vyžadovalo změnu detekční strategie. Počínaje rokem 2000 začali astronomové používat nové techniky detekce elektronů k hledání slabších objektů ve sluneční soustavě. Cíl byl jednoduchý: najít menší předměty. Tato technologie jim umožnila zachytit signály z objektů, které byly příliš slabé na to, aby byly detekovány staršími metodami.
Některé z těchto objevů byly učiněny pomocí pozemních observatoří s využitím těchto nových elektronických technik. Jiné objevila sonda Cassini, která strávila roky mapováním saturnského systému. Bez pozorného oka Cassini a vylepšených pozemních senzorů by pro nás tato vnější populace pravděpodobně zůstala neviditelná.
Zachyceno, ne primární
Proč na tom záleží? To mění naše chápání historie Saturnu. Tato vnější těla se nezdají být primárními satelity. Nevznikly in situ se Saturnem z počátečního disku plynu a prachu. Místo toho se objeví jako zachycené objekty. Nebo fragmenty těchto předmětů.
Přemýšlejte o tom. Měsíc, který se narodil jinde, možná v Kuiperově pásu nebo dále do mlhoviny, byl tažen gravitací Saturnu a uvízl tam. Tohle je nebeský únos. Nepravidelné oběžné dráhy jsou jizvy po tomto zachycení. Vysoký sklon a excentricita jsou výsledkem chaotického zavádění do systému.
To naznačuje, že Saturn má složitou gravitační historii, ve které nezaložil svou rodinu jen tak od nuly. Ukradl sousedy. Sesbíral trosky. Vnější okruh satelitů je méně rodinou a více sbírkou uprchlíků.
Ledové světy Saturnu
Titan není jen velký satelit. Je to jediný satelit v naší sluneční soustavě, který má mraky, hustou atmosféru a opravdová tekutá jezera. Jeho pevné tělo má průměr 5 150 kilometrů (3 200 mil). Co do velikosti je na druhém místě za Ganymedem, satelitem Jupiteru.
Jeho hustota je nízká – pouze 1,88 gramu na centimetr krychlový. Toto číslo vypráví o tom, co je uvnitř. Není to jen kámen. Je to směs silikátů a ledu. Led je pravděpodobně zmrzlá voda spolu s čpavkem a metanem.
Vzduch je tu těžký. Povrchový tlak je 1,5 bar. To je o 50 % více než na Zemi. Dominuje dusík. Metan tvoří asi 5 %. Ve směsi jsou stopy dalších uhlíkatých sloučenin.
Povrch zůstával dlouho skrytý. Výhled zastínil hustý hnědočervený opar. Dokud nepřijela Cassini-Huygens, nic významného jsme neviděli. Data vše změnila.
Povrch Titanu utvářejí procesy nápadně podobné těm na Zemi: srážky, proudění tekutin, vítr a dokonce i možné sopky.
Zařízení detekovalo složitý terén. Prší. Tekutiny unikají. Vítr formuje krajinu. Jsou tam i impaktní krátery. Může existovat tektonická aktivita. Tohle není mrtvý kámen. Je to aktivní svět.
A jsou tu další satelity.
Jsou mnohem menší. A hlavně bez atmosféry. Enceladus je výjimkou. Cassini detekovala oblaky vodní páry ze svého jižního pólu. Ale co zbytek? Nic nebylo nalezeno.
Jejich hustota je ještě nižší – od 1 do 1,5 gramu na centimetr krychlový. Spektroskopie to potvrzuje. Jsou bohaté na led. Většinou vodní led. Někdy ve směsi s oxidem uhličitým nebo amoniakem.
Ve vzdálenosti Saturnu od Slunce je chladno. Nekompromisně studený. Led se chová jako kámen. Neteče a nevzpamatuje se. Impaktní krátery zůstávají vyleptány do povrchu po eony.
Z dálky vypadají jako pozemský Měsíc. Kráter. Šedá. Mrtvý.
Tato podobnost je ale povrchní. Chemické složení je různé. Příběh je jiný. Nejsou to jen kameny pokryté námrazou. Jsou to ledové světy čekající na pochopení.
Měsíc, zmrzačený násilím
Mimas vypadá, že prohrává boj s pásem asteroidů. Jeho povrch je posetý krátery, což představuje chaotickou krajinu připomínající drsnou vysočinu našeho vlastního Měsíce. Ale je tu jedna vlastnost, díky které je tento ledový satelit skutečně jedinečný ve sluneční soustavě. Nejen velký. Proporcionálně masivní.
V centru tohoto chaosu je kráter Herschel.
Tento impaktní kráter, pojmenovaný po Williamu Herschelovi, astronomovi z 18. století, který objevil Mimas v roce 1789, je důkazem čisté kinetické energie. Průměr kráteru je 130 kilometrů. Pro představu o měřítku je to jedna třetina celého průměru samotného Mimasu. Kdybyste stáli na kraji, nedívali byste se jen do díry. Dívali byste se na třetinu svého světa.
Poškození je hluboké. Kráter zasahuje přibližně 10 kilometrů hluboko do kůry. Vnější zdi se tyčí do výšky přibližně 5 kilometrů. To je vyšší než výška Mount Everestu od základny k vrcholu.
Proč je to důležité?
To nám říká o nestabilitě rané sluneční soustavy. Mimas neexistoval jen tak. Přežil. Náraz této velikosti by Měsíc úplně zničil. Místo toho přežila. Geometrie kráteru naznačuje, že dopad byl téměř kolmý. Přímý zásah.
Stejný vzor vidíme i na jiných ledových tělesech. Blízko Mimasu vykazuje Enceladus známky přílivového ohřevu, ale Mimas zůstává chladný a mrtvý. Jeho povrch se nemění. Nechává si jizvy.
Stupnice je těžko představitelná, dokud ji neporovnáte. Kráter je tak velký, že chybí centrální vrchol. Nebo se možná zhroutila. Nebo to tam od začátku možná nebylo. Stěny jsou strmé. Některé oblasti vypadají, jako by vklouzly do prázdna.
To není jen kámen s promáčknutím. Toto je varování.
Pokud něco tak malého vydrží takový náraz a bude se dále točit, co se stane, když se srazí větší předměty? Kráter Herschel je zamrzlý okamžik násilí. Zachytil hned druhý, kdy Mimas málem zemřel.
Mapujeme tyto krátery, abychom datovali povrch. Starší oblasti mají větší dopad. Mladší oblasti mají menší dopad. Herschel je starověký. Existuje od samého počátku fáze čištění planetárního disku.
Vědci studují poměry hloubky k průměru, aby pochopili podpovrch. Je Mimas pevný led? Nebo je pod tím tekutý oceán? Struktura kráteru naznačuje vnitřní sílu měsíce. Vydržela. Obtížně.
Až se příště podíváte na Měsíc, vzpomeňte si na Mimase. Malý, vzdálený svět s jizvou o třetině velikosti té jeho.
Enceladus je světlá anomálie. Jeho povrch odráží více světla než čerstvý sníh na Zemi. Snímky ze sondy Voyager odhalily rozsáhlé oblasti s téměř úplnou absencí velkých kráterů. Krajině dominují hladké pláně a zvlněné kopce. To ukazuje na nedávnou vnitřní tepelnou aktivitu. K tání a obnově povrchu došlo za posledních 100 milionů let. Enceladus je geologicky mladý.
Spektrální data ze sondy Cassini potvrdila, že led se skládá z téměř čisté vody. Skutečný příběh se ale odehrává poblíž jižního pólu. Je tam horké místo s teplotou 140 Kelvinů (-208 °F). To je příliš vysoká teplota na to, aby se dala vysvětlit pouze solárním ohřevem. Satelit obsahuje „tygří pruhy“ – podivné geologické zlomy.
Tyto trhliny uvolňují částice vodního ledu do vesmíru. Fontány napájejí Saturnův prstenec E. Satelit vyvrhne ročně asi 1000 metrických tun materiálu. Částice jsou drobné. Jejich velikost je přibližně jeden mikrometr. V důsledku orbitální dynamiky zmizí během několika tisíc let. Pokud prsten nyní existuje, znamená to, že jej satelit aktivně doplňuje. Zdrojem je podpovrchový oceán. Pravděpodobně pokrývá celý satelit. Hydrotermální průduchy pravděpodobně tečou dno oceánu 30–40 km pod povrchem.
Starší, sušší sousedé
Thetis vypráví jiný příběh. Je větší než Enceladus, ale mnohem méně aktivní. Povrch je silně pokrytý krátery. Vypadá staře. Existují slabé známky tečení ledu nebo viskózního toku. Neexistují však žádné známky rozsáhlé obnovy povrchu.
Dione a Rhea jsou si podobné. Jejich povrchy připomínají měsíční vysočiny. Spousta kráterů. Světlé skvrny označují odkrytý čerstvý led. Dione však vykazuje novější aktivitu, přestože je menší než Rhea. Má obnovené pláně. Poruchové systémy pronikají jeho kůrou. Svou roli zde sehrálo i vnitřní teplo.
Temná stránka Iapeta
Iapetus je zvláštní. Jeho přední a hnané hemisféry mají výrazně odlišnou odrazivost. Přední strana je neuvěřitelně tmavá. Nejtmavší materiál je na vrcholu jeho orbitálního pohybu. Cassini tam našel oxid uhličitý, organické látky a sloučeniny kyanidu.
Hnaná strana je opačná. Odráží až 10x více světla. Je silně krátery a skládá se převážně z vodního ledu.
Proč toto rozdělení? Na přední polokouli se hromadí tmavý materiál z prachového prstence Phoebe. Tento tmavý prach pohlcuje sluneční světlo. Region se zahřívá. Vodní led se tam mění v páru. Pára migruje. Na chladnější zadní polokouli kondenzuje a zamrzá. Tento proces zvyšuje kontrast. Nízká průměrná hustota Iapeta naznačuje, že Měsíc je v celém svém objemu primárně složen z vodního ledu.
Dynamika satelitů Saturnu není statická. Je to chaotický, pulzující systém gravitačních výměn, který se vzpírá snadnému vysvětlení. Některé z těchto jevů přímo souvisejí s prstenci planety, což vytváří hádanku, kterou se vědci stále snaží rozluštit.
Vezměme si malé měsíce Janus, Epimetheus a Pandora. Jsou umístěny na vnějším okraji hlavního prstencového systému. Gravitační interakce s částicemi prstenců je vytlačuje. To je zanedbatelná síla. Ale je konstantní. Tato výměna momentu hybnosti dělá dvě věci. Snižuje rozptyl způsobený kolizemi v prstencích. Také tlačí satelity na vyšší oběžné dráhy.
To je ten problém. Tyto satelity jsou malé. Pokud by tento proces pokračoval po celou historii sluneční soustavy, ocitli by se daleko za svými současnými pozicemi. Ale to se neděje. Ostrý vnější okraj hlavního kroužku zůstává zachován. Vnitřní satelity jako Atlas zůstávají na svém místě. To potvrzuje znepokojivou hypotézu: současný prstencový systém je mnohem mladší než samotný Saturn.
Pastýřští společníci
Pandora a Prometheus jsou nejznámější příklady retence. Voyager 1 je zachytil na oběžné dráze po obou stranách úzkého F prstence. Pioneer 11 objevil prsten jen o rok dříve.
Výraz „pastýřský společník“ je zde zcela na místě. Tato tělesa drží částice prstence v úzkém pásu. Prométheus působí jako vnitřní pastýř. Vysune prsten ven. Tato akce vtáhne samotného Promethea dovnitř. Pandora je vnější pastýř. Dostává moment hybnosti z prstence. To zatlačí prsten dovnitř a vytlačí samotnou Pandoru ven.
Mise Cassini to jasně zaznamenala. Složité vlnité pásy částic se táhnou od prstence F, když procházejí pastýřské měsíce.
Termín ovčák se často používá k popisu jakéhokoli satelitu, který omezuje rozsah prstence gravitačními silami.
Tato definice je široká. Zahrnuje Januse a Epimethea, jejichž prstencové efekty jsou popsány výše. Zahrnuje také satelity produkující trhliny, jako je Pan.
Orbitální partneři
Janus a Epimetheus sdílejí stejnou střední dráhu. Jsou to koorbitální satelity. Každých pár let se přibližují. Jejich gravitace se vzájemně ovlivňuje. Jeden přenáší moment hybnosti na druhý. Příjemce se přesune na o něco vyšší oběžnou dráhu. Vysílač je snížen na mírně nižší úroveň. Proces se opakuje v opačném pořadí při dalším přiblížení.
Ne všechny satelity na oběžné dráze se takto chovají. Tethys a Dione mají také doprovodné satelity. Ale Tethys a Dione jsou masivní. Nedochází k významné výměně momentu hybnosti. Místo toho jsou jejich doprovodné satelity umístěny ve stabilních Lagrangeových bodech.
Telesto a Calypso jsou 60° před a za Tethys. Jsou podobné trojským asteroidům na oběžné dráze Jupiteru. Helena a Polydeuces dělají totéž pro Dione. Jsou v průměru napřed i pozadu.
Rezonance a teplo
Existuje několik párů satelitů, které jsou ve stabilních dynamických rezonancích. Periodicky se míjejí. Jejich oběžné doby korelují jako malá celá čísla.
Vezměte Hyperion a Titan. Titan dokončí revoluci za 15,94 dne. Hyperion trvá 21,28 dne. Poměr je přibližně 4:3. Titan se otočí čtyřikrát, zatímco Hyperion třikrát. Vždy se přiblíží k apoapu Hyperionu, nejvzdálenějšímu bodu jeho eliptické oběžné dráhy.
Hmotnost Titanu je více než 50krát větší než hmotnost Hyperionu. Přenáší největší hybnost ve stejných bodech na oběžné dráze Hyperionu. Tyto periodické “šoky” nutí Hyperion na relativně prodlouženou, excentrickou dráhu.
To má důsledky pro geologický vývoj. Rezonance mohou donutit orbitální excentricity nabývat velkých hodnot.
Typicky slapové interakce snižují excentricitu. Gravitační síla Saturnu cyklicky deformuje blízké satelity. Toto brzdění způsobuje synchronní otáčení. Satelit se otáčí stejnou rychlostí, jakou obíhá kolem planety. K planetě je vždy obrácena stejná polokoule. To je to, co dělá Měsíc Země. Několik vnitřních měsíců Saturnu dělá totéž.
Když se satelit otáčí synchronně, deformace je v jeho referenční soustavě stacionární. Zastavení tření a ohřevu.
Ale rezonance všechno mění. Satelit nucený rezonancí být na excentrické oběžné dráze zažívá slapovou interakci i při synchronní rotaci. Střídavě se vzdaluje od planety a přibližuje se k ní. Deformace se stává dynamickou. V důsledku vnitřního tření vytváří teplo.
Io Jupiter je extrémním příkladem. Rezonance s Evropou ji nutí pohybovat se po excentrické dráze. Io je vulkanicky nejaktivnějším tělesem sluneční soustavy.
Saturnovy měsíce se pravděpodobně řídí podobnou logikou. Pokud si rezonance zachovají svou excentricitu, mohou se stále zahřívat zevnitř. Otázkou je, zda toto teplo dokážeme detekovat. Nebo mládí prstenců znamená, že se systém zcela resetoval a vymazal veškerou předchozí tepelnou historii.
Latentní teplo Saturnových měsíců
Současné modely ukazují, že slapové síly v současnosti nehrají významnou roli při zahřívání Saturnových měsíců. Matematické výpočty to nepotvrzují. Minulost však vypráví jiný příběh. V té době mohlo být tření docela významné. To nám připomíná, že tato nebeská tělesa se mění. Ochlazují se. Posouvají se.
Vezměte si například Enceladus. Jeho jižní pól je úplně jiná záležitost. Slavné “tygří pruhy” jsou široké trhliny. Do vesmíru chrlí ledový materiál. Tyto úlomky tvoří difúzní E kroužek. Satelit obíhá uvnitř tohoto prstence. Spojení je zde přímé.
Vědci se stále snaží určit příčinu této tepelné aktivity. Praskliny jsou horké. Příliš horké pro jednoduchý radiogenní rozpad. Vedoucí teorie poukazuje na slapovou deformaci. I když je současný tepelný výkon malý, mechanické napětí způsobené gravitací Saturnu na měsíční kůře pravděpodobně pohání tento proces. Deformuje led. Toto tření vytváří teplo. Udržuje kapalný stav podpovrchového oceánu.
Tygří pruhy jsou moderním zdrojem ledového materiálu pro difuzní E kroužek.
Nejde jen o krásné prsteny. Jde o obyvatelnost. Kdyby byly slapové síly v minulosti silnější, mohly by tyto měsíce zůstat teplé déle. Podmínky pro život mohly existovat tehdy, když nyní neexistují. Sledujeme geologickou chronologii. Není to statická fotka.
Otázkou zůstává: dokážeme odhalit tuto prastarou činnost? Vodítka nabízí povrchová geologie. Trhliny. Hladké pláně. Události aktualizace povrchu. To vše ukazuje na dynamickou vnitřní strukturu. Saturnova gravitace je tažná síla. Nikdy to nepřestane. Mění jen intenzitu. Pochopení tohoto procesu nám pomáhá předpovídat, jak by mohly vypadat jiné měsíce. Blíže k našim planetám. Teplejší. Aktivnější.
Hyperion porušuje pravidla. Většina satelitů ve sluneční soustavě je zablokována v synchronní rotaci, protože slapové síly synchronizují svou rotaci s orbitálním pohybem. Hyperion odmítá vyhovět. Jeho protáhlá dráha a bizarně nekulový tvar vytvářejí chaotickou přetahovanou mezi jeho momentem hybnosti a orbitálním momentem hybnosti. Výsledkem je chaos. Matematicky je to nepředvídatelné.
Voyager zaznamenal asynchronní rotaci s periodou asi 13 dnů. Tohle byl jen jeden vzorek. Když na tato data aplikujeme teorii chaosu a zkombinujeme je s novějšími pozemními pozorováními, obrázek se vyjasní. Hyperion padá. Je to jediný známý objekt ve sluneční soustavě, který se chaoticky otáčí. Nelze předvídat, na kterou stranu bude čelit příště.
Pozorování Saturnu ze Země
Ani za ideálních podmínek na Zemi nemohou teleskopy rozlišit útvary na Saturnu menší než několik tisíc kilometrů. Před průlety kosmických lodí jsme nevěděli téměř nic o jemných detailech prstenců nebo atmosféry.
Enckeho mezera v prstenci A je dobrým příkladem. Johann Franz Encke o něm informoval v roce 1837. Více než století lidé pochybovali o jeho existenci. Až v roce 1978 Harold Reitsma potvrdil její existenci. Použil měření zatmění měsíce Iapetus prstenci Saturnu, aby získal rozlišení lepší, než umožňovaly konvenční pozemní metody.
Moderní pozemní výzkum využívá různé techniky. Infračervená spektroskopie odhaluje složení a tepelnou rovnováhu prstenců, atmosféry a satelitů. Je také možné získat rozlišení v kilometrovém měřítku pozorováním průchodu jasných hvězd za planetou. Tento jev se nazývá zákryt. V roce 1989 obsadily Saturn a Titan jasnou hvězdu 28 Sagittarius. To umožnilo astronomům vidět strukturu prstenců a atmosféru s jasností, kterou neviděli od Voyageru.
Pak se stala Velká bílá skvrna v roce 1990. Byl pozorován pozemními dalekohledy a Hubbleovým vesmírným dalekohledem. Hubble byl nad zkreslujícím vlivem zemské atmosféry. Data byla čistá. V roce 1995 prošla Země rovinou Saturnových prstenců. Pohled z boku umožnil přímo určit tloušťku prstenů. To také umožnilo přesně změřit rychlost precese rotační osy Saturnu.
Mise Pioneer a Voyager
Pioneer 11 byl první. Byl vypuštěn na počátku 70. let 20. století a původně mířil k Jupiteru. Vědci plánující misi nepředpokládali zastávku na Saturnu. Jupiterova gravitace jim však pomohla změnit kurz sondy. Použili gravitační manévr, aby jej nasměrovali k Saturnu.
V roce 1979 prošel Pioneer 11 rovinou prstenců. Přišlo do 38 000 km (24 000 mi) od prstence A. Dostal se do vzdálenosti 21 000 km (13 000 mil) od atmosféry Saturnu. Dost blízko na to, aby cítil teplo.
Následovaly Voyager 1 a Voyager 2. Vypuštěny v roce 1977 a původně byly také zaměřeny na Jupiter. Tyto dvě sondy nesly mnohem sofistikovanější zobrazovací zařízení. Byly navrženy pro sekvenční průlety více planet se specifickými vědeckými cíli v každé destinaci.
Stejně jako Pioneer použili Jupiterovu hmotu pro gravitační asistenční manévry. To změnilo jejich trajektorii směrem k Saturnu. Voyager 1 dorazil v roce 1980. Voyager 2 – v roce 1981. Společně vrátili desítky tisíc snímků Saturnu, jeho prstenců a měsíců. Data byla ohromující. Detailní. Nemovitý.
Mise Cassini-Huygens byla víc než jen cesta k Saturnu. Bylo to dvacetileté diplomatické a inženýrské vítězství zahrnující NASA, ESA a ASI (Itálie). Vesmírná stanice, která byla vypuštěna v roce 1997, neletěla v přímé linii. Zvolila kosmickou zkratku.
Gravitační manévry poblíž Venuše, Země a Jupiteru jej rozptýlily směrem k vnějším planetám sluneční soustavy. V roce 2004 dorazila na místo. Hmotnost zařízení včetně paliva byla téměř šest metrických tun. Byl to jeden z nejtěžších, nejdražších a nejsložitějších strojů, jaké kdy lidstvo vytvořilo.
Ale zařízení bylo jen polovinou příběhu.
Hádanka na dvě části
Mise se skládala ze dvou různých částí.
Cassini vstoupila na oběžnou dráhu kolem Saturnu. Studoval prstence planety, atmosféru a ledové měsíce.
“Huygens” se oddělil. Sestoupil přes hustou oranžovou atmosféru Titanu. Na celou cestu neměl padák, ale v lednu 2005 měkce přistál na pevném povrchu.
Po tři hodiny Huygens přenášel data. Obrázky. Chemické indikace. Cassini přijala signál a vyslala jej na Zemi. Vědci v reálném čase sledovali, jak se lidstvo poprvé dotklo povrchu vzdáleného satelitu.
Proč byl naplánován konec
Často si myslíme, že vesmírné mise končí kvůli nedostatku paliva nebo poruchám. Cassiniho konec byl jiný. Byla to vědomá volba.
V roce 2017 došlo palivo. Kosmická loď také skončila příliš blízko satelitů, které by mohly skrývat život. Na Titanu jsou tekutá jezera. Na Enceladu chrlí fontány vodní led do vesmíru z jeho jižního pólu. To byli hlavní kandidáti na mimozemskou biologii.
Pokud by Cassini náhodou narazila do jednoho z těchto měsíců, mohly by je kontaminovat pozemské bakterie. Vědci si museli být jisti.
Vyslali tedy sondu k Saturnu.
Poslední ponor
Cassini v posledních měsících nezůstala daleko. Ponořil se do horních vrstev atmosféry planety. Proletěl mezerou mezi Saturnem a jeho prstenci. Měřil gravitační a magnetická pole s nebývalou přesností.
Pak to vstoupilo do atmosféry. Teplo a tlak ho zničily.
Nebylo to selhání. To byl karanténní protokol.
Zničením Cassini NASA zajistila, že Titan a Enceladus zůstanou čisté. Pokud tam někdy pošleme životodárné sondy, nebudeme s sebou tahat „pozemské duchy“. Budeme mít čistý štít.
Mise neskončila neúspěchem, ale řízeným sebeobětováním. Poslední akt planetární obrany.
Co jsme se naučili
Data shromážděná za 13 let změnila naše chápání sluneční soustavy. Na Saturnu jsme viděli počasí, které konkurovalo pozemským bouřím. Zmapovali jsme složitou strukturu prstenců. Potvrdili jsme, že jezera Titanu se skládají z metanu a etanu. Zjistili jsme, že Enceladus má podpovrchový oceán.
Tyto objevy naznačují, že život podporující prostředí mohou být běžnější, než jsme si mysleli. Nejen na kamenných planetách poblíž hvězdy, ale také v ledu a temnotě vnějších oblastí Sluneční soustavy.
Cassini nám umožnila nahlédnout do světa, který není jako Země. Který se ale chová podobně složitě.
Zařízení zmizelo. Data zůstávají. A otázka
