Saturn: Sekretna gęstość i historia głębokiej przestrzeni kosmicznej

Saturn jest drugą co do wielkości planetą w naszym Układzie Słonecznym pod względem masy i rozmiaru. Jest to szósta planeta od Słońca. Gołym okiem na nocnym niebie wygląda jak gładka, niemigocząca gwiazda. Ale skieruj na niego mały teleskop, a zobaczysz pierścienie. Są to prawdopodobnie najpiękniejsze obiekty w całym Układzie Słonecznym. Symbolem Saturna jest ♄.

Dlaczego Saturn obraca się tak wolno

Nazwa pochodzi od rzymskiego boga rolnictwa. Utożsamiamy go z Kronosem, greckim Tytanem i ojcem Zeusa (lub Jowisza w mitologii rzymskiej). Starożytni obserwatorzy wiedzieli, że Saturn jest najdalszą planetą, jaką mogą zobaczyć. Zauważyli również, że poruszała się wolniej niż jakakolwiek inna planeta. Jeden obrót wokół Słońca zajmuje około 29,5 ziemskich lat. Wynika to z faktu, że znajduje się 9,5 razy dalej od Słońca niż Ziemia.

Galileusz jako pierwszy spojrzał na Saturna przez teleskop w 1610 roku. Zobaczył coś dziwnego. Rozdzielczość była zbyt niska, aby stwierdzić, na co właściwie patrzył. Zrozumienie natury pierścieni zajęło wieki.

Planeta, która unosi się w powietrzu

Saturn jest dziwnie lekki. Zajmuje około 60 procent objętości Jowisza. Ale jego masa stanowi tylko około jednej trzeciej masy Jowisza. Jego średnia gęstość jest najniższą ze wszystkich znanych obiektów w Układzie Słonecznym. Ma około 70 procent mniejszą gęstość niż woda.

Hipotetycznie, gdyby Saturn został umieszczony w oceanie wystarczająco dużym, aby go pomieścić, unosiłby się na wodzie. Zarówno Saturn, jak i Jowisz składają się głównie z wodoru. To czyni je podobnymi do gwiazd pod względem ogólnego składu. Głęboko wewnątrz Saturna ciśnienie utrzymuje wodór w ciekłym stanie metalicznym. Podobny do Jowisza, ale ewolucja Saturna jest zupełnie inna.

Księżyce i pochodzenie

Podobnie jak Jowisz, Uran i Neptun, Saturn ma pierścienie i wiele księżyców. Układy te mogą zawierać wskazówki dotyczące powstania planety. Pomagają nam także zrozumieć resztę Układu Słonecznego.

Weźmy Tytana. To największy satelita. Ma gęstą atmosferę. Jest gęstsza niż jakakolwiek planeta ziemska z wyjątkiem Wenus. To sprawia, że ​​Tytan jest wyjątkowy wśród wszystkich innych księżyców.

Jak dowiedzieliśmy się tego, co wiemy

Prawie wszystkiego o Saturnie dowiedzieliśmy się dzięki sondom kosmicznym. Cztery statki kosmiczne odwiedziły układ Saturna. Pioneer 11 przeleciał obok nas w 1979 r. Voyager 1 i Voyager 2 podążyły śladem w ciągu następnych dwóch lat. Potem był Cassini-Huygens.

Pierwsze trzy statki kosmiczne szybko przeleciały obok planety. Dali nam zdjęcia. Cassini przybyła w 2004 roku. Pozostała na orbicie przez wiele lat. Studiował wszystko. Jego sonda Huygens poszła dalej. Wylądował na powierzchni Tytana, skacząc na spadochronie przez jego atmosferę. Był to pierwszy statek kosmiczny, który dotknął powierzchni satelity innego niż Ziemia.

Podstawowe dane astronomiczne

Saturn jest daleko od nas. Jego średnia odległość od Słońca wynosi 1,427 miliarda kilometrów. To 887 milionów mil. Najbliższe podejście do Ziemi następuje na odległość około 1,2 miliarda kilometrów. Nigdy nie widzimy go w połowie oświetlonego. Kąt fazowy – kąt pomiędzy Saturnem, Ziemią i Słońcem – nigdy nie przekracza 6°. Dlatego z naszego punktu widzenia Saturn jest zawsze prawie całkowicie oświetlony. Aby zobaczyć go w świetle bocznym lub tylnym, trzeba udać się głębiej w przestrzeń.

Krąży wokół Słońca, podobnie jak inne gazowe olbrzymy. Ruch bezpośredni. Niska ekscentryczność. Lekkie nachylenie w kierunku ekliptyki. Ale Saturn różni się od Jowisza pod jednym istotnym względem. Jej oś obrotu jest nachylona w stosunku do płaszczyzny orbity pod kątem 26,7°.

To nachylenie tworzy pory roku. Długie sezony. Każdy trwa dłużej niż siedem ziemskich lat. Determinuje również to, jak widzimy pierścienie. Pierścienie leżą w płaszczyźnie równikowej Saturna. Z Ziemi widzimy je pod kątem otwarcia od zera (krawędź w naszą stronę) do prawie 30°. Cykl trwa 30 lat. Od około 15 lat północna strona jest oświetlona przez słońce. Następnie przez następne 15 lat – strona południowa. Podczas krótkich okresów, gdy Ziemia przecina płaszczyznę pierścieni, pierścienie znikają z pola widzenia. Są praktycznie niewidoczne.

Rozwiązanie zagadki rotacji Saturna

Ustalenie prędkości obrotowej Saturna nie było dla naukowców łatwe. Jego górna atmosfera jest masywna. Chmury tam wykazują różne okresy rotacji. W pobliżu równika zajmuje to około 10 godzin i 10 minut. Na wyższych szerokościach geograficznych, powyżej 40°, prędkość spada na około 30 minut. Oscylacja. Chaos.

Naukowcy próbowali określić okres rotacji głębokiego wnętrza, badając pole magnetyczne. Uważa się, że pole to ma swoje korzenie w zewnętrznym rdzeniu z metalicznego wodoru. Pomiar bezpośredni był trudny. Pole jest wysoce symetryczne względem osi obrotu. Trudno to określić.

Podczas przelotów sond Voyager pojawiły się rozbłyski radiowe. Wiązały się one z niewielkimi niejednorodnościami pola magnetycznego. Zmierzony okres wynosił 10 godzin 39,4 minut. Wartość tę przyjęto jako okres rotacji.

Dwadzieścia pięć lat później sonda Cassini ponownie zmierzyła to pole. Obracał się 6-7 minut wolniej. Dlaczego jest różnica? Uważa się, że za część tego dryfu odpowiada wiatr słoneczny.

„Dopiero gdy Cassini przeleciał wewnątrz pierścieni Saturna na jego końcowych orbitach, okres rotacji został dokładnie zmierzony.”

Cassini musiał zanurkować w pierścienie. Przeanalizował fale w materiale pierścienia i powiązał je z niewielkimi zmianami w polu grawitacyjnym Saturna. Wynik? 10 godzin 33 minut 38 sekund. To jest prawdziwy okres obrotu wewnętrznych warstw planety. Różnica między tą liczbą a prędkością obrotu wierzchołków chmur pomaga oszacować prędkość wiatru.

Najbardziej spłaszczona planeta

Gazowe olbrzymy nie mają stałej powierzchni. Dlatego zgodnie z konwencją promień i grawitacja są obliczane na poziomie, na którym ciśnienie atmosferyczne jest równe jednemu barowi. Na tym poziomie średnica równikowa Saturna wynosi 120 536 kilometrów. Jego średnica polarna wynosi zaledwie 108 728 kilometrów.

To o 10% mniej. Saturn jest najbardziej spłaszczoną planetą Układu Słonecznego. Spłaszczone na biegunach. Można to zobaczyć nawet za pomocą małego teleskopu. Obraca się nieco wolniej niż Jowisz, ale jest bardziej spłaszczony. Dlaczego? Siła obrotu odśrodkowego kompensuje dużą część grawitacji na równiku.

Grawitacja na równiku stanowi tylko 74% grawitacji na biegunach. 896 cm/s² na równiku. 1214 cm/s² na biegunach.

Masa Saturna jest 95 razy większa od masy Ziemi. Ale zajmuje objętość 766 razy większą. Jego średnia gęstość wynosi 0,69 grama na centymetr sześcienny. To tylko około 12% gęstości Ziemi. Jest niewiele gęstszy od wody.

Druga prędkość ucieczki na równiku wynosi prawie 36 km/s. 80 000 mil na godzinę. Na Ziemi wynosi ona zaledwie 11,2 km/s. Ta wysoka wartość wskazuje, że Saturn nie stracił zbyt wiele ze swojej atmosfery od czasu swojego powstania. Trzymał wszystko.

Liczby

Dane malują obraz świata podlegającego ciągłym zmianom.

• Średnia odległość od Słońca: 1,426 miliarda km (9,5 AU)
• Mimośród: 0,054
• Nachylenie do ekliptyki: 2,49°
• Okres orbitalny: 29,45 lat ziemskich
• Wielkość widzenia w opozycji: 0,7
• Okres synodyczny: 378,10 dni ziemskich
• Prędkość orbitalna: 9,6 km/s
• Promień równikowy: 60 268 km
• Promień biegunowy: 54 364 km
• Waga: 5,683 × 10^26 kg
• Średnia gęstość: 0,69 g/cm3
• Grawitacja na równiku: 896 cm/s²
• Grawitacja na biegunach: 1214 cm/s²
• Druga prędkość ucieczki na równiku: 35,5 km/s
• Druga prędkość ucieczki na biegunach: 37,4 km/s
• Okres rotacji (pole magnetyczne): 10 godzin 39 minut (Voyager); ~10 godz. 46 min (Cassini)
• Nachylenie osi: 26,7°
• Natężenie pola magnetycznego: 0,21 gausa
• Znane satelity: 274
• Układ pierścieni: 3 pierścienie główne, wiele składowych struktur pierścieniowych, kilka pierścieni o mniejszej gęstości

Atmosfera Saturna

Skład i struktura. Warstwy zewnętrzne nie mają twardej powierzchni. Atmosfera to miejsce, w którym toczy się akcja. Ruch chmur jest zróżnicowany. Prędkości wiatru szacuje się, porównując rotację chmur z rotacją wewnętrznych warstw. Różnica polega na wietrze.

Z Ziemi Saturn wygląda jak mglista żółto-brązowa kula. Wydaje się to monotonne. Ale to jest kłamstwo. To, co widzimy, to złożona maska ​​warstw chmur i chaosu na małą skalę. Czerwone plamy. Białe wiry. Brązowe paski. Te cechy szybko się zmieniają. Saturn jest zasadniczo cichszym i mniej aktywnym kuzynem Jowisza.

Do września 1990 r.

Potem w pobliżu równika rozpętała się gigantyczna lekka burza. Rozrosła się do szerokości ponad 20 000 kilometrów. Okrążył planetę, zanim wymarł. Nazywamy to Wielką Białą Plamą. Jest to Saturnijny odpowiednik Wielkiej Czerwonej Plamy na Jowiszu, ale jest mniej powszechny. Takie burze zdarzają się mniej więcej raz na 30 lat. Ponieważ okres obiegu Saturna wynosi 29,4 lat, związek jest oczywisty. Burze mają charakter sezonowy. Śledzą długi i powolny rok planety.

Co kryje się w gazowym olbrzymie?

Atmosfera składa się głównie z wodoru cząsteczkowego i helu. Dokładny stosunek nie jest znany. Hel jest trudny do bezpośredniego zmierzenia. Najlepsze przypuszczenie? 18 do 25 procent masowych helu. Reszta to wodór i około 2 procent innych zanieczyszczeń.

To jest dziwne. Słońce składa się w 71% z wodoru i 28% z helu. Saturn ma mniej helu w stosunku do wodoru niż gwiazda w centrum naszego Układu Słonecznego. Dlaczego? Niektóre teorie sugerują, że hel jest osłem. Wypadł z zewnętrznych warstw i zapadł się głębiej w wnętrzności planety.

Obecne są także inne cząsteczki. Metanu i amoniaku jest tu 2–7 razy więcej niż na Słońcu. Zakładamy, że siarkowodór i woda znajdują się poniżej, w głębokich warstwach atmosfery. Jeszcze ich nie odkryliśmy. Ale z Ziemi wykryliśmy fosfinę, tlenek węgla i german.

Nie powinno ich tam być. W atmosferze bogatej w wodór znikają w równowadze chemicznej. Ich obecność oznacza, że ​​wynurzają się z głębin. Wysokie ciśnienie krwi. Wysoka temperatura. Reakcje zachodzące pod widocznymi chmurami. Ruchy konwekcyjne unoszą je w górę, gdzie możemy je obserwować.

Obecność cząsteczek nierównowagowych dowodzi, że wnętrze Saturna aktywnie miesza materię ze swojego głębokiego, gorącego jądra i przenosi ją na widoczną powierzchnię.

Chemia w stratosferze

Stratosfera opowiada inną historię. Acetylen. Etan. Prawdopodobnie propan. Acetylen metylowy. Są to węglowodory. Nie powstają pod wpływem głębokiego ciepła. Tworzy je światło. Słoneczne promieniowanie ultrafioletowe wywołuje reakcje fotochemiczne. Lub, na dużych szerokościach geograficznych, tę pracę wykonują energetyczne elektrony z pasów radiacyjnych Saturna.

Jowisz ma podobną strukturę. Chemia jest taka sama we wszystkich gazowych gigantach. To cecha rodzinna.

Profile temperatury i ciśnienia

Astronomowie zmierzyli temperaturę Saturna, obserwując, jak światło gwiazd i sygnały radiowe załamują się podczas przechodzenia przez atmosferę. Dzieje się tak, gdy statek kosmiczny przelatuje obok planety lub gdy gwiazdy ją zaćmiewają. Zmapowaliśmy temperatury od jednej milionowej bara do 1,3 bara.

Poniżej 1 milibara jest zimno, a temperatura jest stała: 140–150 kelwinów. (-208 do -190°F).

W miarę zagłębiania się w stratosferę (1–60 milibarów) temperatura spada. Osiągają minimum 82 kelwiny. (-312°F). To najzimniejszy punkt atmosfery Saturna.

Schodząc jeszcze głębiej, temperatury znów rosną. To jest troposfera. Podobnie jak w dolnej warstwie Ziemi, ciepło wzrasta wraz z ciśnieniem. To po prostu sprężanie gazu. Brak dodanego lub utraconego ciepła. Przy ciśnieniu 1 bara temperatura wynosi 135 kelwinów. Poniżej nadal rośnie.

Warstwy chmur

Chmury, które widzimy, to kondensacja mniejszych związków w mieszaninie bogatej w wodór. Na wysokości 20–70 milibarów występuje zamglenie. Powstaje w wyniku reakcji fotochemicznych. Ale główne chmury zaczynają się niżej. Poniżej 400 milibarów.

Najwyższa warstwa składa się ze stałych kryształów amoniaku. Rozpuszczają się i znikają przy ciśnieniu około 1,7 bara. Nie możemy bezpośrednio zobaczyć leżących poniżej warstw. Modelujemy je.

Według modeli chemicznych następną warstwę stanowią kryształy wodorosiarczku amonu. Przy 4,7 bara. Jeszcze głębiej, przy ciśnieniu 10,9 bara, kryształki wodnego lodu mieszają się z kropelkami wodnego roztworu amoniaku.

Czysty amoniak jest biały. Czysty lód wodny jest biały. Te chmury powinny być niewidoczne.

Ale Saturn jest żółty, brązowy i czerwony. Dlaczego? Zanieczyszczenia. Produkty uboczne reakcji chemicznych wytrącają się z góry. Produkty fotochemiczne. Możliwe, że cząsteczki zawierające fosfor działają jak barwniki. Chmury są zabarwione przez emisje substancji chemicznych emitowanych przez atmosferę.

Niebieskie cienie i zimowa cisza

Saturn jest mocno nachylony względem swojej osi. Ta zmiana wpływa na wszystko. Pierścienie rzucają długie, ciemne cienie na półkulę zimową. Światło słoneczne staje się słabsze. Cienie stają się głębsze.

Gdy Cassini obserwowała oświetlone słońcem paski północnej półkuli zimowej, zauważyła coś nieoczekiwanego. Atmosfera była niebieska. Zaskakująco przezroczysty.

Dlaczego? Pierścienie blokowały światło słoneczne. Brak światła słonecznego oznacza mniejszą produkcję mgły fotochemicznej. Chemia zwolniła. Niebo się przejaśniło.

Przypomina nam to, że Saturn nie jest statyczny. To dynamiczny, tętniący życiem świat. Wielowarstwowe. Sezonowy. Chemiczny. A czasami po prostu pozwala nam przez chwilę zajrzeć przez mgłę. Potem cienie wracają. Znowu gromadzi się mgła. Pozostaje pytanie: co kryje się w głębszych, gorętszych warstwach, czego jeszcze nie możemy zobaczyć?

Zanikająca granica między gazem i cieczą na Saturnie

Nie da się narysować linii. Naprawdę.

Na Ziemi różnica między gazem a cieczą jest uderzająca. Woda się gotuje. Para unosi się. Ocean pozostaje na swoim miejscu. Istnieje wyraźna granica. Saturn nie przestrzega tych zasad. Nawet głęboko w atmosferze, gdzie ciśnienie jest ekstremalne, warunki są inne. Minimalna temperatura wynosi 82 ​​kelwiny. Jest zbyt ciepło, aby wodór cząsteczkowy mógł współistnieć w równowadze jako gaz i ciecz.

Oznacza to, że małe obłoki widoczne przez teleskopy nie leżą na stałym dnie. Nie ma wyraźnej granicy. Wodór zachowuje się tutaj nie jak zwykły gaz, ale też nie jak zwykła ciecz. Granica się zaciera. Następuje płynne przejście. Troposfera rozciąga się dziesiątki tysięcy kilometrów poniżej tych puszystych, białych górnych warstw. Staje się gęstszy. Robi się jej coraz bardziej gorąco.

W przeciwieństwie do Ziemi, atmosfera Saturna nie kończy się na powierzchni. Staje się płynem nadkrytycznym, w miarę jak schodzi głębiej, staje się gęstszy i gorętszy.

Przyzwyczailiśmy się mówić o planetach mających powierzchnię. Solidny. Gazowy. Ale tutaj wszystko jest inne. Ciśnienie rośnie. Temperatura gwałtownie wzrasta. W efekcie czeka Cię tysiące kelwinów i ciśnienie przekraczające milion barów.

Dlaczego to jest ważne? Ponieważ podważa to nasze zrozumienie struktury planety. Zakładamy obecność warstw. Solidny rdzeń. Płaszcz. Atmosfera. Region wodorowy Saturna nie pasuje do tego zgrabnego podziału. To jest gradient. Kontinuum. Nie można „wylądować” na Saturnie. Można się w nim jedynie zanurzyć. Im głębiej schodzisz, tym mniej „gazu” tam pozostaje. Po prostu coraz gęstsza, przegrzana ciecz.

Gdzie więc jest dno? Nie ma go. Nie w takim sensie, w jakim to rozumiemy. Atmosfera po prostu… trwa. Aż dotrzesz do tego, co jest poniżej. Albo dopóki ciśnienie nie zmiażdży wszystkiego w coś, dla czego nie mamy jeszcze nazwy.

Pogoda na Saturnie jest nie tylko podobna do tej na Jowiszu. To ogromny, całkowicie wyjątkowy system. Planetę spowijają prądy strefowe – wiatry ze wschodu na zachód, które tworzą znane jasne i ciemne pasy. Ale nie szukaj tutaj burz o wysokim kontraście. Cechy atmosferyczne są słabo wyrażone. Pasma są szersze w pobliżu równika, a wierzchołki chmur mają niski kontrast. Niewiele zobaczysz, po prostu robiąc zdjęcie z Ziemi. Aby uzyskać szczegółowe dane, potrzebne są statki kosmiczne.

Pomiar prędkości wiatru

To jest problem. Saturn nie ma stałej powierzchni. Jak zatem zmierzyć prędkość wiatru? Potrzebujemy punktu wyjścia. Naukowcy opierają się na rotacji pola magnetycznego Saturna. W stosunku do tego rdzenia magnetycznego prawie wszystko porusza się na wschód – w kierunku obrotu planety.

W strefie równikowej sytuacja staje się szczególnie burzliwa. Poniżej 20° szerokości geograficznej obserwuje się prąd wschodni, osiągający prędkość 470 metrów na sekundę. To jest 1700 kilometrów na godzinę. Ale to nie jest trwałe. Czasami prędkość spada o 200 metrów na sekundę. Jest to zjawisko zmienne.

Porównaj to z Ziemią. Najsilniejsza utrzymująca się prędkość wiatru w cyklonie tropikalnym może osiągnąć 67 metrów na sekundę. Dżet równikowy Saturna porusza się cztery razy szybciej. I jest dwukrotnie szerszy pod względem szerokości geograficznej. Różnica jest kolosalna.

Sześciokąt na biegunie północnym

A potem jest sześciokąt.

Znajduje się na 75° szerokości geograficznej północnej. Pierwszy strumień na południe od północnego wiru powtarza ten kształt. Elementy chmury poruszają się wokół niej w kierunku przeciwnym do ruchu wskazówek zegara z prędkością 100 metrów na sekundę. Dlaczego sześciokąt? Jest to prawdopodobnie wynik oddziaływania fal. Podobne wzory kątowe obserwuje się w eksperymentach laboratoryjnych z obracającymi się cieczami w wiadrach. Ale dlaczego jest stabilny? I dlaczego powstał na tej konkretnej szerokości geograficznej? Nikt nie wie.

Symetria jest niesamowita. Prądy strefowe odzwierciedlają się względem równika. Prąd na danej szerokości północnej ma zwykle odpowiednik na południu. Silne wiatry wschodnie pojawiają się na obu półkulach o temperaturze 46° i 60°. Prądy zachodnie, prawie stacjonarne w magnetycznym układzie odniesienia, występują przy 40°, 55° i 70°.

Ta symetria utrzymuje się od dziesięcioleci. Zostało to nagrane przez Voyagers. Następnie teleskopy naziemne poprawiły obserwacje. Śledzą Saturna od lat. Dane pokrywają się z wynikami Voyagerów. Dysze są stabilne. Mechanizm, który sprawia, że ​​przeciwdziałają tarciu atmosferycznemu? Nadal pozostaje tajemnicą.

Słupy i perły

Bieguny są różne. W promieniu 11° od obu biegunów występują wiry podobne do huraganów. Wir na biegunie południowym ma ciepłą „gałkę oczną” (oko). Jego szerokość wynosi 2000 kilometrów. Jest otoczony chmurami, które wznoszą się 50–70 kilometrów nad otaczającymi je chmurami polarnymi.

Burze na południowej półkuli Ziemi również mają ciepłe oczy i obracają się zgodnie z ruchem wskazówek zegara. Otoczone są wysokimi chmurami. Ale skala jest tutaj ważna. Wersja Saturn jest kolosalna. I co najważniejsze, pod wirem Saturna nie ma oceanu. Nie ma ciepłej wody zasilającej wymiennik ciepła. Po prostu atmosfera na samym dole.

Jeśli przyjrzysz się uważnie umiarkowanym szerokościom geograficznym. W pobliżu 33,5° szerokości geograficznej północnej znajduje się „sznur pereł”. Około dwóch tuzinów luk w chmurach. Każdy z nich ma średnicę 1500 kilometrów. Są one rozmieszczone prawie równomiernie na 100 ° długości geograficznej. Świecą jasno na obrazach w podczerwieni. Jak naszyjnik rozciągnięty na całą planetę.

Pioruny i głębokie prądy

Półkula południowa opowiada inną historię. Cassini wykryła emisję krótkich fal radiowych z burz z piorunami na 35° szerokości geograficznej południowej. Intensywny. Setki razy silniejsze od ziemskiej błyskawicy. Trwają tygodniami. Czasem miesiącami.

Burze te zlokalizowane są na grubych, jasnych chmurach. Silne ruchy konwekcyjne wywołane parą wodną. Prześwity na północy i błyskawice na południu są ze sobą powiązane. Znajdują się one w rejonach występowania szybkich wiatrów zachodnich. Skierowany przeciwnie do większości innych prądów strefowych.

Co to oznacza dla podpowierzchni? Symetria północ-południe sugeruje, że prądy są połączone głęboko w środku. Teoretyczne modele planety z głęboką konwekcją pokazują, że rotacja różnicowa układa się wzdłuż cylindrów. Cylindry ustawione względem osi obrotu.

Atmosferę Saturna można zbudować z współosiowych cylindrów. Każdy obraca się z własną prędkością. Tworzenie się dżetów powierzchniowych, które obserwujemy. Warstwy te zaczynają się poruszać wspólnie dopiero na głębokości 9 000 kilometrów. Jest znacznie głębiej niż na Jowiszu. Na Jowiszu rotacja różnicowa zatrzymuje się na mniejszych głębokościach. Na Saturnie prądy płyną głęboko. Nadal nie do końca rozumiemy, co sprawia, że ​​tak działają.

Pole magnetyczne Saturna jest zdumiewająco doskonałe. Zbiega się z osią obrotu planety z dokładnością do jednego stopnia. Środek dipola magnetycznego znajduje się dokładnie w środku planety. Ta konfiguracja bardziej niż jakakolwiek inna planeta w Układzie Słonecznym przypomina prosty magnes sztabkowy. Ale jest jedno zastrzeżenie. Polaryzacja jest odwrócona w porównaniu z Ziemią. Linie sił pojawiają się na półkuli północnej i opadają z powrotem na półkulę południową. Gdybyś trzymał tam kompas, strzałka wskazywałaby południe.

Nie jest to jednak czysty dipol. Istnieją subtelne odchylenia. Na polu występuje asymetria północ-południe. Pole powierzchniowe na biegunach jest nieco silniejsze, niż przewidywał prosty model. Na poziomie „powierzchniowym” jednego słupka biegun północny osiąga 0,8 gausa. Biegun południowy ma siłę 0,7 gausa. Pole polarne Ziemi jest podobne. Ale na równiku obraz jest inny. Pole równikowe Saturna wynosi 0,2 gausa. Na Ziemi jest to 0,3 gausa. Pole równikowe Jowisza ma przytłaczającą wartość 4,3 gausa. Jest ponad 20 razy silniejszy niż Saturn.

Jeśli zamodelujemy pole Saturna jako pętlę prądową, moment magnetyczny będzie około 600 razy większy niż ziemski. Jowisz jest 20 000 razy większy od Ziemi. Dlaczego jest taka różnica? Zależy to od tego, gdzie pole jest generowane. Pole Saturna powstaje w wyniku ruchów płynów w jego elektrycznie przewodzącym wnętrzu. Region ten składa się z ciekłego metalicznego wodoru otaczającego skaliste jądro. Stanowi wewnętrzną połowę planety. Jowisz ma więcej tej przewodzącej substancji. Mniejsza masa i objętość w strefie przewodzącej częściowo wyjaśnia, dlaczego pole Saturna jest słabsze. Jowisz jest również gorętszy. Gorętsza powierzchnia oznacza intensywniejsze ruchy płynów. Prawdopodobnie przyczynia się to do ogromnej różnicy w natężeniu pola między dwoma gazowymi gigantami.

Kształt magnetosfery Saturna

Magnetosfera to obszar przestrzeni w kształcie łzy, zdominowany przez magnetyczny uścisk Saturna. Kontroluje naładowane cząstki pochodzące głównie ze Słońca. Zaokrąglona strona skierowana jest w stronę Słońca. Tworzy granicę zwaną magnetopauzą. Granica ta znajduje się w odległości około 20 promieni Saturna od centrum planety. To około 1 200 000 kilometrów. Ale ona się waha. Ciśnienie wiatru słonecznego stale zmienia kształt. Po przeciwnej stronie magnetosfera rozciąga się, tworząc gigantyczny ogon magnetyczny. Rozciąga się na ogromne odległości w przestrzeni kosmicznej.

W tym regionie sytuacja staje się bardziej skomplikowana. Wewnętrzna magnetosfera wychwytuje naładowane cząstki o wysokiej energii. Większość z nich to protony. Poruszają się po spiralnych trajektoriach wzdłuż linii pola magnetycznego. Linie te tworzą pasy wokół Saturna, podobne do ziemskich pasów Van Allena. Ale w przeciwieństwie do Ziemi czy Jowisza, pasy Saturna przeciekają. Cząstki są pochłaniane przez ciała stałe obracające się wewnątrz linii siły. Potwierdziły to dane z sondy Voyager. W populacji cząstek występują „dziury”. Dziury te występują na liniach pola przecinających pierścienie i orbity satelitów.

„Dziury” występują w populacjach cząstek na liniach pola przecinających pierścienie i orbity satelitów w magnetosferze.

Tytan i Hyperion obracają się blisko minimalnych wymiarów magnetosfery. Okresowo przekraczają magnetopauzę. Wykraczają poza ochronną bańkę Saturna. Kiedy energetycznie uwięzione cząstki zderzają się z neutralnymi atomami w górnych warstwach atmosfery Tytana, przekazują im energię. Powoduje to erozję atmosfery satelity. Cassini zaobserwowała halo tych energetycznych atomów wokół Tytana. Jest to bezpośredni związek pomiędzy przemocą magnetyczną Saturna a utratą atmosfery jego największego księżyca.

Zorza polarna i interakcja z wiatrem słonecznym

Saturn ma aurorów ultrafioletowych. Są one wytwarzane przez energetyczne cząstki z magnetosfery oddziałujące na wodór atomowy i cząsteczkowy w atmosferze polarnej. Zdjęcia z Kosmicznego Teleskopu Hubble’a z końca lat 90. i początku XXI wieku uchwyciły te pierścienie zorzowe. Obrazy dostarczyły przekonujących dowodów na wysoką symetrię pola. Pokazali także, jak aurorzy reagują na wiatr słoneczny. Pole magnetyczne słońca również odgrywa tutaj rolę.

Dane pokazują ścisły związek między Słońcem a planetą. Ale to nie jest statyczne. Aurorzy się zmieniają. Reagują na zmiany ciśnienia. Podążają za liniami magnetycznymi. To jest system dynamiczny. Które wciąż uczymy się rozszyfrowywać. Dziury w pasach radiacyjnych pozostają tajemnicą absorpcji. Asymetria w polu wskazuje na głębokie procesy wewnętrzne, których jeszcze nie widzimy. Saturn skrywa swoje tajemnice w rotacji metalu i zderzeniach cząstek z pierścieniami.

Gęste jądro Saturna i głębokość wodoru

Pierwszą wskazówką jest gęstość Saturna. Jest tak mały, że jego główny skład powinien składać się głównie z wodoru. Ale to nie jest wodór, który widzimy w balonie. Zanurz się na głębokość 1000 km (600 mil) pod widocznymi chmurami. Ciśnienie osiąga jeden kilobar. Temperatura wzrasta do około 1000 K (730 °C). Na tej głębokości wodór przestaje zachowywać się jak gaz. Zamienia się w płyn.

To dziwny, bardzo ściśliwy materiał. Aby zmniejszyć średnią gęstość Saturna do 0,69 grama na centymetr sześcienny, wymagane jest ciśnienie przekraczające jeden megabar. Dzieje się tak na głębokości 20 000 km (12 500 mil). Około jedna trzecia drogi do centrum. Planeta jest kulą gęstego, ciekłego wodoru spajającego wszystko razem.

Mapowanie grawitacji w celu określenia masy

Nie możemy wiercić studni na Saturnie. Musimy zbadać jego pole grawitacyjne. Nie jest sferycznie symetryczny. Planeta obraca się szybko. Jego gęstość jest niska. Czynniki te zniekształcają jej formę fizyczną. Zniekształcają także jego pole grawitacyjne.

Dane statku kosmicznego wyraźnie pokazują to zniekształcenie. Ruch sond i budowa pierścieni ujawniają prawdę. Kształt pola mówi nam o rozkładzie masy. Saturn jest bardziej skondensowany w centrum niż Jowisz. W pobliżu rdzenia znajduje się znacznie gęstszy materiał.

W centrum Jowisza około 67 procent masy stanowi wodór. W centrum Saturna jest tylko około 50 procent. Reszta to cięższe substancje.

Przejście metalu

Zanurz się głębiej. Mniej więcej w połowie drogi między wierzchołkami chmur a środkiem. Ciśnienie sięga dwóch megabarów. Temperatury osiągają 6000 K (5730 °C). Dzieje się coś dziwnego. Wodór cząsteczkowy ulega przemianie fazowej. Staje się ciekłym metalicznym wodorem. Wygląda i zachowuje się jak stopiony metal alkaliczny. Pomyśl o litu.

Dane grawitacyjne potwierdzają, że obszar ten jest gęstszy niż czysty wodór zmieszany z helem słonecznym. Część tej nadmiernej gęstości prawdopodobnie pochodzi z osiadania helu z zewnętrznych warstw. Ale jest coś więcej. Saturn może zawierać materiał gęstszy niż wodór i hel. Całkowita masa może być 30 razy większa od masy Ziemi. Nie jesteśmy w stanie dokładnie określić rozkładu. Prawdopodobnie znajduje się tu jednak rdzeń skalny i lodowy. Prawdopodobnie waży 15–18 mas Ziemi. Znajduje się w samym centrum.

Dynamo magnetyczne

Zewnętrzny rdzeń składa się z ciekłego metalicznego wodoru. Ma wysoką przewodność elektryczną. Jeśli istnieją prądy cyrkulacyjne – czego można się spodziewać, gdy ciepło wypływa na zewnątrz i osiadają cięższe elementy – efekt dynama jest wystarczający. To generuje pole magnetyczne Saturna. Mechanizm jest taki sam jak na Ziemi. Ma tu zastosowanie teoria głębokiego pola.

Głębokie pole w pobliżu jądra jest nieregularne. Ale to, co widzimy ze statku kosmicznego, jest inne. To całkiem regularne. Oś dipola jest prawie idealnie zgodna z osią obrotu. Dlaczego taka symetria? Teorie sugerują, że linie pola przechodzą przez niekonwekcyjny, przewodzący elektrycznie obszar, zanim dotrą do powierzchni. Obszar ten obraca się względem linii sił, wygładzając chaos.

Zaobserwowaliśmy uderzającą zmianę w okresie rotacji pola magnetycznego w ciągu ostatnich 25 lat. To przesunięcie może być spowodowane głębokimi prądami elektrycznymi oddziałującymi na rdzeń przewodzący. Wnętrze nie jest statyczne. Ona się porusza.

Sekret wewnętrznego ciepła

Saturn emituje w przestrzeń kosmiczną około dwa razy więcej energii niż otrzymuje od Słońca. Sygnał wyjściowy dotyczy głównie zakresu długości fal podczerwieni od 20 do 100 mikronów. Wewnątrz znajduje się źródło ciepła.

Kilogram na kilogram, wewnętrzna energia wytworzona przez Saturna jest podobna do Jowisza. Ale Saturn jest mniej masywny. Kiedy powstały obie planety, miała mniejszą ogólną zawartość energii. Jeśli nadal emituje na poziomie Jowisza, źródło nie może być to samo. Coś innego zasila to ciepło.

Wewnętrzny silnik cieplny Saturna

Saturn nie powstał tylko pod wpływem grawitacji; dorósł. Obliczenia jej historii termicznej pokazują, że planeta rozpoczęła swoje istnienie od ciężkiego jądra. Mówimy o masie 10–20 mas Ziemi. Jądro to prawdopodobnie powstało ze zderzających się ze sobą planetozymali bogatych w lód. Kiedy już położono solidny fundament, grawitacja przejęła kontrolę. Ogromne ilości wodoru i helu z wczesnej mgławicy słonecznej napłynęły do ​​środka, zapadając się wokół jądra.

Jowisz przeszedł ten sam proces. Po prostu stał się bardziej masywny. Przechwycił jeszcze więcej gazu niż Saturn. Gwałtowna akrecja podgrzała gaz do zawrotnej temperatury. Wewnętrzne temperatury tych młodych planet sięgały dziesiątek tysięcy Kelwinów.

Dlaczego Saturn jest gorętszy, niż oczekiwano

W tym miejscu historia staje się interesująca. Energia wewnętrzna Jowisza jest zrozumiała: na początku był niesamowicie gorący i powoli ochładzał się przez 4,6 miliarda lat. Ciepło, które teraz znajdujemy, jest jedynie ciepłem resztkowym po tych gwałtownych narodzinach.

Saturn powinien był zrobić to samo. Gdyby po prostu ochłonął, jego wewnętrzne ciepło dawno by zniknęło. Co więcej, modele pokazują, że około dwa miliardy lat temu ciepło musiało spaść poniżej obecnego poziomu uwalniania energii. Ale tak się nie stało. Saturn nadal wytwarza ciepło.

Dzieje się coś innego.

Deszcz helowy napędza ciepło

Najbardziej prawdopodobne wyjaśnienie kryje się w tym, co dzieje się głęboko we wnętrzu Saturna. Hel oddziela się od wodoru. W warstwie metalicznego wodoru hel wypada z roztworu, tworząc gęste kropelki. Te krople spadają.

Zasadniczo jest to deszcz helu.

Gdy ciężkie krople opadają głębiej, tracą energię potencjalną. Energia ta zamienia się w energię kinetyczną w miarę przyspieszania kropelek. Tarcie tłumi ten ruch, a energia kinetyczna zamienia się w ciepło. Konwekcja przenosi to ciepło w górę do atmosfery, a promieniowanie uwalnia je w przestrzeń kosmiczną.

Proces ten dodaje dodatkową energię, dzięki czemu Saturn może pozostać ciepły dłużej, niż byłoby to możliwe poprzez zwykłe ochłodzenie. To samo prawdopodobnie dzieje się na Jowiszu. Jego wnętrze jest cieplejsze, dzięki czemu więcej helu pozostaje rozpuszczonego w wodorze. Dlatego efekt jest tam znacznie słabszy.

Dowody komplikują obraz

Misje Voyagera znalazły coś, co wyglądało na dowód. Zaobserwowali znaczne zubożenie helu w atmosferze Saturna. To idealnie pasuje do teorii: hel opadł, pozostawiając górne warstwy pozbawione tego pierwiastka.

To zdawało się potwierdzać teorię.

Jednak od tego czasu dane zostały zakwestionowane. Zubożenie może nie być tak proste, jak wcześniej sądzono. Teoria deszczu helu jest nadal najlepszym wyjaśnieniem długoterminowego zatrzymywania ciepła przez Saturna. Ale „broń zbrodni” nie jest już tak oczywista jak kiedyś. Tajemnica dodatkowego ciepła pozostaje nierozwiązana.

Jeden chaotyczny system

Zwykle rysujemy wyraźną linię (na piasku lub lodzie). Z jednej strony są satelity. Z drugiej – pierścienie. Wydaje się, że separacja jest absolutna. Ale to nieprawda. Pierścienie Saturna i jego księżyce są częścią jednego złożonego, wzajemnie powiązanego układu. Ich struktury oddziałują na siebie. Ich dynamika wpływa na siebie. Nawet ich ewolucja jest powiązana.

Spójrz na najbardziej wewnętrzne znane satelity. Nie znajdują się w zimnej, ciemnej przestrzeni. Znajdują się wewnątrz pierścieni lub pomiędzy nimi. Ciągle pojawiają się nowe satelity, osadzone bezpośrednio w strukturze pierścieni. Rodzi to dziwne pytanie: czym właściwie jest satelita?

Sam układ pierścieni to w zasadzie rój maleńkich satelitów. Mówimy o cząsteczkach wielkości pyłku kurzu, kawałkach wielkości samochodu i głazach wielkości domu. Wszystkie krążą wokół Saturna niezależnie od siebie. Nie ma twardej granicy pomiędzy największą cząstką pierścienia a najmniejszym satelitą. To sprawia, że ​​liczenie satelitów jest propozycją przegraną. Dokładna liczba może po prostu nie być możliwa.

System pierścieniowy

Pierścienie nie są statycznymi taflami lodu. Są dynamiczne. Aktywny. Powstałe w wyniku grawitacji i zderzeń. Satelity pełnią rolę „pasterzy”. Zapobiegają rozpraszaniu się pierścieni. Wycięli także szczeliny. Na przykład sekcja Cassini nie jest pustą przestrzenią. Jest to wynik rezonansów orbitalnych z księżycami takimi jak Mimas.

Kiedy patrzymy na te pierścienie, widzimy coś więcej niż tylko gruz. Widzimy laboratorium. Miejsce, w którym fizyka rozwija się na masową skalę. Cząsteczki zderzają się. Trzymają się razem. Rozdzielają się. System podlega ciągłym zmianom.

Nie chodzi tylko o ładne zdjęcia. Jest to zrozumienie sposobu powstawania układów planetarnych. I jak pozostają nienaruszone. Albo się rozpadają. Granice między satelitami i pierścieniami zacierają się. Celowo? Nie. To po prostu wynik chaotycznego, pięknego tańca, który trwa od miliardów lat.

Obserwacja Saturna przez Galileusza w 1610 roku była nie tyle odkryciem, co źródłem zamieszania. Skierował swój prymitywny teleskop na planetę i poinformował, że widział nie jeden obiekt, ale trzy.

„Saturn to nie jedna gwiazda, ale złożony z trzech obiektów, które prawie się stykają, nigdy nie zmieniają swojego położenia względem siebie i nie poruszają się, ułożone w rzędzie wzdłuż ekliptyki, przy czym obiekt środkowy jest trzy razy większy od bocznych”.

Zdecydował, że odkrył układ trzech gwiazd.

Dwa lata później środkowa gwiazda pozostała na swoim miejscu, ale satelity zniknęły. Ziemia się przesunęła. Przekroczyła płaszczyznę orbity Saturna i zobaczyła pierścienie pod kątem, niemal krawędzią do siebie. Zdumionym oczom Galileusza „dodatki” całkowicie zniknęły. Kiedy wrócili, nadal nie mógł poskładać obrazu w całość. Nigdy nie zdawał sobie sprawy, że te dziwne wypustki przedstawiają dysk.

Dopiero holenderski naukowiec Christiaan Huygens, pracujący w 1655 roku ze znacznie bardziej zaawansowanym teleskopem, wydedukował prawdziwy kształt. Zobaczył nachyloną płaszczyznę pierścienia. Zasugerował nawet, że był to twardy, gruby dysk.

Matematyka, która udowodniła, że pierścienie nie są stałe

Sceptycyzm wzrósł w 1675 roku. Gian Domenico Cassini, włoski astronom urodzony we Francji, odkrył ogromną lukę w dysku. Rozszczepienie Cassiniego, jak wiemy dzisiaj, podważyło teorię stałego pierścienia.

Potem przyszła matematyka.

W 1789 roku Pierre-Simon Laplace zaproponował, aby pierścienie składały się z wielu małych elementów. Jednak matematyczny dowód tego udowodnił szkocki fizyk James Clerk Maxwell dopiero w 1857 roku. Pierścienie mogłyby być stabilne tylko wtedy, gdyby składały się z ogromnej liczby małych pojedynczych cząstek.

Amerykański astronom James Kider potwierdził to założenie około 40 lat później.

Krucha struktura w kosmosie

Dziś wiemy, że pierścienie Saturna są ogromne, ale absurdalnie cienkie.

• Średnica: 270 000 km (170 000 mil)
• Grubość: nie więcej niż 100 metrów (330 stóp)
• Waga: 1,5 $ \times 10^{19}$ kg

Masa ta wynosi zaledwie około 0,41 masy księżyca Saturna, Mimasa. Cały układ, łącznie ze słabymi pierścieniami zewnętrznymi, rozciąga się na prawie 26 000 000 km.

Ale dlaczego pierścienie nie połączyły się w jednego satelitę?

Wyjaśnienie limitu Roche’a

Pierścienie Saturna mieszczą się w klasycznej granicy Roche’a. Jest to minimalna odległość, na jaką duży satelita może zbliżyć się do planety, zanim siły pływowe rozerwą ją na kawałki. W przypadku Saturna granica ta wynosi około 147 000 km (91 300 mil), czyli 2,44 promienia Saturna.

Wewnątrz tej strefy siły pływowe zapobiegają agregacji małych ciał w większe obiekty. Zasada ta dotyczy obiektów utrzymywanych razem przez grawitację. Nie dotyczy to małych ciał utrzymywanych razem przez spójność molekularną. Dlatego w tym limicie małe i sztuczne satelity mogą istnieć w nieskończoność.

Z czego wykonane są pierścienie?

Nie możemy bezpośrednio zobaczyć poszczególnych cząstek. Zamiast tego określamy ich rozmiar na podstawie sposobu, w jaki rozpraszają sygnały świetlne i radiowe z gwiazd i statków kosmicznych.

Rezultatem jest szeroki, ciągły zakres wielkości cząstek, od centymetrów do kilku metrów. Dużych obiektów jest znacznie mniej niż małych. Rozkład ten odpowiada oczekiwanemu wynikowi powtarzających się zderzeń rozbijających początkowo większe ciała.

W niektórych obszarach kolizje zdarzają się tak często, że widoczne są nawet ziarna pyłu. Ziarna te mają krótką żywotność. Pod wpływem światła słonecznego lub uderzenia mikrometeorytów ulegają naelektryzowaniu. Ładunek ten oddziałuje z polem magnetycznym Saturna, tworząc ruchome „szprychy” w kształcie klina, które wystają promieniowo ponad płaszczyznę pierścienia.

„Szprychy” były częstym widokiem podczas przelotów sond Voyager. Zniknęły podczas misji Cassini do września 2005 roku. To przesunięcie prawdopodobnie wskazuje, jak różne kąty padania światła słonecznego wpływają na powstawanie naładowanych ziaren. Niektórzy astronomowie sugerują, że „szprychy” mają charakter sezonowy i pojawiają się tylko w pobliżu równonocy.

Istnieją także dowody na istnienie większych „księżyców pierścieniowych” – ciał o średnicy kilku kilometrów osadzonych w głównych pierścieniach. Odkryto tylko kilka z nich. Te „klastyczne” księżyce są prawdopodobnie obiektami przejściowymi, nieustannie tworzonymi i niszczonymi przez grawitację, zderzenia i zmieniające się prędkości orbitalne.

Pierścienie umierają

Pierścienie silnie odbijają światło słoneczne. Analiza spektroskopowa pokazuje, że składają się one głównie z lodu wodnego zmieszanego z ciemniejszymi zanieczyszczeniami.

Ponieważ całkowita masa jest tak mała, pierścienie są prawdopodobnie bardzo młode. Mogą mieć od 10 do 100 milionów lat.

Nasuwa się pytanie: skąd się wzięły?

Możliwe, że główne pierścienie powstały w wyniku rozpadu komety. Alternatywnie, księżyce podobne pod względem wielkości i składu do Tetydy lub Dione mogły zostać zniszczone. Pierwotny układ pierścieni byłby znacznie większy i z czasem kurczył się, tworząc lodowe księżyce wewnętrzne, takie jak Tetyda.

Ale pierścienie również znikają.

Naładowana materia z pierścieni migruje do jonosfery Saturna, podążając za liniami pola magnetycznego. Co sekundę do atmosfery spada od 432 do 2870 kg materiału pierścieniowego.

W tym tempie pierścienie znikną za 292 miliony lat.

To chwila w skali geologicznej. Żyjemy w krótkim oknie kosmicznej historii, obserwując strukturę, która jest jednocześnie wspaniała i przejściowa. Lód jest obecny. Fizyka jest jasna. Ale koniec już się rozpoczął.

Główny system pierścieniowy to nie tylko płaski dysk. Jest to chaotyczny, wielowarstwowy kompleks struktur obejmujących wiele skal. Istnieją trzy szerokie pierścienie główne – C, B i A, rozmieszczone zgodnie z ich odległością od Saturna. Są widoczne z Ziemi. Znajdują się w nich liczne pojedyncze włókna pierścieniowe, z których niektóre mają zaledwie kilka kilometrów szerokości. Naukowcy wykorzystują te struktury do badania rezonansów grawitacyjnych, obserwując, jak małe cząstki oddziałują podczas bliskich spotkań orbitalnych.

Wiele konstrukcji ma wyjaśnienia teoretyczne. Znaczna liczba pozostaje tajemnicza. Nie ma jeszcze pełnej syntezy danych. Dlaczego to jest ważne? Ponieważ pierścienie Saturna mogą służyć jako analogia do pierwotnego zbioru cząstek w kształcie dysku, z którego powstały planety. Zrozumienie ich dynamiki i ewolucji ma konsekwencje dla zrozumienia pochodzenia samego Układu Słonecznego.

Jak głębokość optyczna ujawnia gęstość pierścienia

Strukturę jako całość opisuje głębokość optyczna jako funkcja odległości od Saturna. Głębokość optyczna mierzy, ile promieniowania elektromagnetycznego jest pochłaniane podczas przejścia przez ośrodek. Wyobraź sobie chmury. Atmosfera planet. Obszar przestrzeni wypełniony cząsteczkami. Służy jako wskaźnik średniej gęstości.

Całkowicie przezroczysty ośrodek ma głębokość optyczną 0. Wraz ze wzrostem gęstości wartość ta również wzrasta. Zależy to od długości fali i rodzaju ośrodka. W przypadku pierścieni Saturna najmniejsze cząstki pierścienia praktycznie nie wpływają na fale radiowe o długości kilku centymetrów lub dłuższe. Doświadczają mniejszej głębi optycznej w porównaniu ze światłem widzialnym.

Pierścienie wewnętrzne: C, D i pierścień ciasny B

Pierścień B jest najjaśniejszy. Najgrubszy. Najszerszy. Rozciąga się od 1,52 do 1,95 promienia Saturna. Głębokość optyczna waha się od 0,4 do 2,5. Dokładne wartości zależą od odległości do Saturna i długości fali światła. (Promień równikowy Saturna wynosi 60 268 km.)

Jest wizualnie oddzielony od zewnętrznego pierścienia głównego, pierścienia A, poprzez separację Cassiniego. To najbardziej zauważalna luka. Znajduje się w promieniu Saturna od 1,95 do 2,02 i nie jest pozbawiony cząstek. Wykazuje złożone zmiany głębokości optycznej ze średnią wartością 0,1.

Pierścień A rozciąga się od 2,02 do 2,27 promienia Saturna. Głębokość optyczna waha się od 0,4 do 1,0.

Wewnątrz pierścienia B znajduje się pierścień C. Czasami nazywany jest pierścieniem kremowym. Znajduje się w odległości od 1,23 do 1,52 promienia Saturna, gdzie głębokość optyczna jest bliska 0,1. Wewnątrz niego, w odległości od 1,11 do 1,23 promienia, znajduje się niezwykle rzadki pierścień D. Nie ma mierzalnego wpływu na światło gwiazd ani fale radiowe. Widoczne tylko w świetle odbitym.

Pierścień F i obrzeża systemu

Zewnętrzny pierścień A to wąski pierścień F w odległości 2,33 promienia Saturna. Obserwacje Cassini wskazują na ciasno nawiniętą strukturę spiralną. Pomiędzy pierścieniami A i F, rozmieszczonymi wzdłuż orbity wewnętrznego satelity Atlas, znajduje się rzadki pasek materiału. Prawdopodobnie wyrzucony przez samego satelitę.

Jeszcze dalej znajduje się pierścień G. Głębokość optyczna wynosi tylko 0,000001. Znajduje się około 2,8 razy większy od promienia Saturna. Początkowo odkryta ze względu na jej wpływ na naładowane cząstki w magnetosferze Saturna. Słabo widoczne na zdjęciach Voyagera.

Zdjęcia Cassini z 2008 roku ukazały mały księżyc o nazwie Aegeion w pierścieniu G. Jego średnica wynosi około 0,5 km. Może to być jeden z kilku organów macierzystych. Pierścienie na zewnątrz pierścienia A są podobne do pierścieni Jowisza. Składają się głównie z małych cząstek stale wyrzucanych przez satelity.

Pierścień E i Masywny Pierścień Phoebe

Za pierścieniem G znajduje się pierścień E. Bardzo szeroki. Rozsiany. Rozciąga się od 3 do co najmniej 8 promieni Saturna. Obserwacje Cassini potwierdziły, że składa się ona z cząstek lodu wydobywających się z gejzerów. Wulkanizm lodowy lub kriowulkanizm. Region aktywny termicznie – gorący punkt – w pobliżu południowego bieguna Enceladusa.

Następnie pojawia się najbardziej zewnętrzny pierścień. Rozciągający się od 128 do 207 promieni Saturna. Daleko poza resztą. Ogromny, rzadki pierścień pyłu. Powstał w wyniku uderzeń w satelitę Phoebus. Jest to największy pierścień planetarny w Układzie Słonecznym.

Odkryty przez Kosmiczny Teleskop Spitzera. Obserwacje wykazały głębokość optyczną 2 × 10⁻⁸. W przeciwieństwie do innych pierścieni, ten pierścień pyłowy ma takie samo nachylenie jak orbita Phoebe.

Inne małe satelity również mają rzadkie pierścienie. Lub łuki pierścieniowe. Powiązany ze współorbitującymi satelitami Janus i Epimet. Meton. Antek. Pallen.

System ten nie jest jeszcze w pełni poznany. Mamy elementy układanki. Reszta ukryta jest w przestrzeniach.

Gęstość optyczna głównych pierścieni Saturna nie jest jednolita. Jest fragmentaryczne. W pierścieniach C, B i A znajdują się ogromne luki, a nazwy niektórych z nich pochodzą od astronomów, którzy jako pierwsi sporządzili je na mapach. Są to nieciągłości Colombo, Maxwella, Bonda i Dewesa wewnątrz pierścienia C. Następnie występuje nieciągłość Huygensa na zewnętrznej krawędzi pierścienia B oraz nieciągłości Enckego i Keelera wewnątrz pierścienia A.

Większość z nich pozostawała tajemnicą, dopóki statek kosmiczny nie zbliżył się do planety. Przerwa Enckego była jedyną znaną z Ziemi przed misjami Voyagera.

Księżyce kosiarki

Dlaczego są puste? Przez długi czas była to tylko teoria. Naukowcy założyli, że wewnątrz szczeliny poruszał się munlet (mały satelita) o szerokości około 10 kilometrów, który swoją grawitacją oczyścił szczelinę z gruzu.

Okazało się, że mieli rację.

Pan jest w przepaści Enckego. Voyager sfotografował ją w 1990 roku. Cassini później zobaczył ją ponownie, potwierdzając teorię. Potem pojawiła się Daphnis. Miał być oczekiwanym towarzyszem „pastania” podczas przerwy Keelera. Cassini odkryła go w 2005 roku.

„Daphnis, oczekiwany odpowiednik księżyca w szczelinie Keelera, został odkryty na zdjęciach Cassini w 2005 roku.”

Schemat się powtarza. Księżyce mogą również ukrywać się w nieciągłościach Huygensa i Maxwella. Prawdziwą niespodzianką był jednak pierścień A. Cassini odkrył ponad 150 munletów o średnicy około 100 metrów. Nie tworzą dużych luk. Pozostawiają po sobie struktury w kształcie „śmigła” – drobne zaburzenia w lodzie, które zdradzają ich obecność. Nawet w pierścieniu B dostrzeżono 400-metrową mułkę, choć nie wygląda na to, żeby wycinała dziurę.

Pułapka rezonansowa

Czasami księżyc nie jest w szczelinie. Jest daleko, ale jej grawitacja nadal wpływa na pierścienie.

Dzieje się to poprzez rezonans orbitalny. Matematyka jest prosta. Cząstki Księżyca i pierścienia muszą zakończyć swoje orbity w czasie będącym wielokrotnością liczby całkowitej. Jeśli cząstka znajduje się w określonym promieniu, za każdym razem napotka Księżyc w tym samym punkcie. Z biegiem lat te powtarzające się wstrząsy grawitacyjne kumulują się. Wypychają cząsteczkę na zewnątrz. Tworzy się luka.

Jeśli Księżyc obraca się poza pierścieniem, kradnie moment pędu cząsteczkom. Wystrzeliwuje spiralną falę gęstości. Jeśli rezonans jest silny, szczelina zostaje usunięta.

Spójrz na krawędź pierścienia B i pas Cassini. Są w rezonansie 2:1 z Mimasem. Mimasowi okrąża Saturna dwa razy dłużej niż cząstki o tym promieniu. Wynik? Granica nie jest idealnym okręgiem. Ma dwa płaty.

Zewnętrzną krawędź pierścienia A tworzą Janus i Epimetheus w rezonansie 7:6. Ma falistą krawędź z siedmioma płatkami.

Rezonanse wyjaśniają niektóre drobne struktury. Ale nie wszystkie. Istnieją tysiące pierścieni. Nie mamy wystarczającej liczby znanych księżyców ani rezonansów, aby je wszystkie wyjaśnić. System jest bardziej chaotyczny, niż sugerują modele.

Dane dzwonka

Liczby mówią co innego niż teoria. Oto związek elementów pod względem promienia i szerokości.

Pierścień (lub pas dzielący lub szczelina)	Promień krawędzi wewnętrznej (km)	Szerokość (km)	Notatki
Pierścień D	67 000	7 500	Słabe, widoczne tylko w świetle odbitym
Pierścień C	74 490	17 500	Nazywany także pierścieniem krepowym
(Przerwa w Kolombo)	77 800	100
(Przerwa Maxwella)	87 500	270
(Zerwanie więzi)	88 690	30
(Luka w opłatach)	90 200	20
Pierścień B	91 980	25 500	Najjaśniejszy pierścień
(Pas Separacji Cassiniego)	117 500	4700	Największa przerwa w pierścieniach
(przerwa Huygensa)	117 680	285–440
(Przerwa Herschela)	118 183	102
(Przerwa Russella)	118 597	33
(Przerwa Jeffriesa)	118 931	38
(Rip Kuipera)	119 403	3
(przerwa Laplace’a)	119 848	238
(Przerwa Bessela)	120 236	10
(Przerwa Barnarda)	120 305	13
Pierścień A	122 050	14 600	Pierścień Zewnętrzny widziany z Ziemi
(Przerwa Enckego)	133 570	325
(Przerwa Keelera)	136 530	35
(Pas dzielący Roche)	136 770	2 600
Pierścień F	140 224	30–500	Najsłabszy, najwęższy z głównych pierścieni
Pierścień G	166 000	8000	Słaby
Pierścień E	180 000	300 000	Słaby
Pierścień Pyłu Phlebe	7 772 240	4 766 000	Największe planety

Saturn posiada koronę największej liczby księżyców w Układzie Słonecznym. Ich liczba to 274 znane satelity. To nie jest tylko liczba. To cmentarzysko lodu, skał i chaosu krążące wokół gazowego giganta. Dysponujemy danymi dotyczącymi niektórych z tych organów, podsumowanymi w szczegółowych tabelach. Tytuły. Tradycyjne liczby. Odległości orbitalne. Charakterystyka fizyczna. Są one wymienione indywidualnie.

Wewnętrzny krąg: mały, szybki i regularny

Wszystkie pierwsze 18 odkrytych księżyców są ciasno skupione blisko siebie. Z wyjątkiem Phlebesa, który znajduje się w głębokim mrozie układu zewnętrznego, krążą one w odległości do 3,6 miliona kilometrów od Saturna. To 2,2 miliona mil. Dziewięć z nich jest ogromnych. Promień ponad 100 km. Ludzie obserwowali je przez teleskopy aż do końca XX wieku. Odpoczynek? Były to pikselowane duchy na zdjęciach Voyagera z początku lat 80.

Potem przybył Cassini. Od 2004 roku odkrywa maleńkie. Jednym z nich jest Polideusz. Promień wynosi zaledwie 3–4 km. Prawie niewidoczny. Te wewnętrzne księżyce są regularne. Ich orbity są proste (prograde). Niskie nachylenie. Niska ekscentryczność. Zachowują się dobrze.

„Uważa się, że osiem największych powstało w płaszczyźnie równikowej Saturna z materiału protoplanetarnego, podobnie jak planety powstały wokół Słońca.”

Pan jest klasycznym przykładem tej prawidłowości. Oznaczenie XVIII. Orbituje w odległości 133 580 km. Okrążenie planety zajmuje 0,575 dnia. Jest malutki. Promień 10 km. Masa jest znikoma – 0,049 x 10^17 kg. Gęstość jest niska – 0,36 g/cm3. To fragment Księżyca wyrzeźbiony z pierścieni.

Daphnis jest jeszcze mniejsza. XXXV. Promień 3,5 km. Orbituje w odległości 136 500 km. Masa jest słabo znana, podana jako (0,002). Ale to ważne. Wycina pęknięcia. Jest „pasterzem” cząstek pierścieniowych.

Atlas podąża w odległości 137 670 km. Wymiary 19 x 17 x 14 km. To nie jest kula. To jest spłaszczony dysk. Prometeusz i Pandora są księżycowymi „pasterzami” pierścienia F. Prometeusz jest większy. 70 x 50 x 34 km. Pandora – 55 x 44 x 31 km. Ich orbity są blisko. Prometeusz w odległości 139 380 km. Pandora na 141 720 km.

Epimeteusz i Janus prowadzą dziwną grę. Dzielą orbity. Epimeteusz – XI. Janus – X. Ich odległości są niemal identyczne. 151 410 km w porównaniu do 151 460 km. Zmieniają się miejscami co cztery lata. Taniec grawitacyjny. Promień Epimeteusza wynosi 69 x 55 x 55 km. Janus jest masywniejszy – 99 x 96 x 76 km.

Aegeion jest najmniejszym z tej grupy. LIII. Promień 0,3 km. Mieszka w ringu G. Stone.

Mimas to pierwszy duży księżyc, jaki zna większość ludzi. I. Posiada krater, który sprawia, że ​​wygląda jak Gwiazda Śmierci. Promień 198 km. Waga 373 x 10^17 kg. Gęstość 1,15 g/cm3. Składa się głównie z lodu.

Metone i Ante to maleńkie kropki. Metone – XXXII. Promień 1,5 km. Ante – XLIX. Promień 1 km. Palena – XXXIII. Promień 2 km. Wszystkie są małe. Wszystko regularnie.

Enceladus jest wyjątkiem. II. Jest to sprzeczne z modelem „martwej skały”. Promień 252 km. Gęstość 1,61 g/cm3. Znajdują się w nim gejzery. Para wodna ucieka w przestrzeń. To jest świat, który może ukryć ocean.

Tetyda – III. Promień 533 km. Gęstość jest niska. 0,97 g/cm3. Prawie czysty lód wodny. Telesto i Kallipso to satelity trojańskie. Dzielą orbitę Tetydy. Telesto jest 60° do przodu. Kalipso podąża za nią. Są małe. 15 km szerokości. Surowe formy.

Polydeus to kolejny satelita trojana. XXXIV. Podąża za Dioną. Ale jego orbita jest chaotyczna. Szerokie różnice. Nie trzyma się punktu 60° jak Calypso.

Dione – IV. Promień 562 km. Masa jest ciężka. 10970 x 10^17 kg. Gęstość 1,48 g/cm3. Helena jest jej towarzyszką trojańską. XII. Promień 16 km.

Rhea – V. Promień 764 km. Jest drugim co do wielkości z wewnętrznych księżyców regularnych. Waga 22900 x 10^17 kg.

Tytan – VI. Król. Promień 2576 km. Masa jest ogromna. 1 342 000 x 10^17 kg. Gęstość 1,88 g/cm3. Ma gęstą atmosferę. Jeziora metanowe. To jest odrębny świat.

Daleko nieregularni: chaos i ruch wsteczny

Poza Tytanem zasady są łamane. Hyperion – VII. Wymiary 185 x 140 x 113 km. Jego rotacja jest chaotyczna. On salta. Brak stabilnego obrotu. To jest gąbka. Porowaty.

Japetus – VIII. Promień 735 km. Jest daleko. 3,56 mln km. Okres orbitalny wynosi 79,33 dnia. Nachylenie się zmienia. Księżyc jest dwukolorowy. Ciemno z jednej strony. Światło z drugiej.

Następnie są nieregularne satelity. Jest ich dziesiątki. Małe. Odległy. Wsteczny. Obracają się do tyłu. Lub pod ostrymi kątami.

Kiwiuk – XXIV. Odległość 11 110 000 km. Okres ten wynosi 449,22 dni. Nachylenie 45,708°. Wsteczny? Nie, prograde, ale z dużym nachyleniem. Promień 8 km. Masa nieznana. (0,033).

Ijrak – XXII. W odległości 11 124 000 km. Nachylenie 46,448°. Promień 6 km.

Febe – IX. Obcy w gromadzie wewnętrznej? Nie, to jest głęboko w systemie zewnętrznym. W odległości 12 947 780 km. Okres ten wynosi 550,31 dni. Litera „R” oznacza ruch wsteczny. Nachylenie jest ogromne. 175,3°. To jest przechwycony obiekt. Prawdopodobnie z Pasa Kuipera. Promień 107 km. Waga 83 x 10^17 kg.

Zewnętrzny rój trwa. Paliak. XX. 15,2 mln km. Scutdy. XXVII. Wsteczny. Albiorix. XXVI. S/2007 S2. Wyznaczenie tymczasowe. Jeszcze nie ma imienia. Bebionne. Eriapu. Siarnak. Największy z nieregularnych. Promień 20 km.

Skoll. Tarvos. Tarka. Grypa. S/2004 S13. Hirokin. Mundilfari. S/2006 S1. S/2007 S3. Yarnsaksa. Narwi. Bergelmir. S/2004 S17. Suttunga. Hati. S/2004 S12. Bestla. Trumr. Farbauti. Aegir. S/2004 S7. Kari. S/2006 S3. Fenrira. Surtur. Emila. Dzienniki. Formjota.

Większość z nich jest mała. Promień 2–5 km. Niektóre nawet do 20 km. Siarnak jest duży jak na przechwycony obiekt.

Ich okresy są długie. Setki dni. Nachylenia są bardzo zróżnicowane. Od 33° do 179°. Ekscentryczność jest wysoka. Od 0,1 do 0,5. Nie są częścią pierwotnej formacji Saturna. Zostały skradzione.

„Ilości podane w nawiasach są słabo znane.”

Ta uwaga dotyczy wielu z tych odległych księżyców. Widzimy je. Obliczamy ich orbity. Nie znamy jednak ich masy. Lub ich dokładna gęstość.

Dlaczego to jest ważne?

Po co katalogować 274 księżyce? To nie tylko biurokracja. To jest zrozumienie

Daleko, zdobyta krawędź

Wyrzuć uporządkowane pierścienie wewnętrzne i zwykłe satelity, a uderzysz w ścianę chaosu. Począwszy od około 11 milionów kilometrów od Saturna, geografia Układu Słonecznego zmienia się całkowicie. Tutaj „zwykłe” zasady powstawania księżyca przestają obowiązywać. Oto druga, zewnętrzna grupa satelitów, które nie przestrzegają ustalonych zasad.

Ich orbity są zdeterminowane tym, czym nie są. Nie są okrągłe. Nie są płaskie. Zamiast tego ciała te opisują bardzo wydłużone, nachylone trajektorie wokół gigantycznej planety. To chaotyczna geometria. Około dwie trzecie z nich porusza się w kierunku wstecznym, to znaczy obraca się w kierunku przeciwnym do obrotu Saturna. Są to kosmiczni wędrowcy obracający się wbrew przepływowi momentu pędu układu.

Są maleńkie w porównaniu do Tytana czy Enceladusa. Z wyjątkiem Phoebe, znaczącej gwiazdy odstającej, której promień jest mniejszy niż pozostałe, wszystkie te księżyce mają mniej niż około 20 kilometrów szerokości. To nie wystarczy. Właściwie to jest malutki.

Jak je odkryliśmy

Jak je w ogóle widzieliśmy? Większość tych odległych, słabych punktów nie była widoczna dla teleskopu Galileusza ani wczesnych sond robotycznych. Wymagało to zmiany strategii wykrywania. Począwszy od 2000 roku astronomowie zaczęli stosować nowe techniki wykrywania elektronów do poszukiwania słabszych obiektów w Układzie Słonecznym. Cel był prosty: znaleźć mniejsze obiekty. Technologia ta umożliwiła im wychwytywanie sygnałów z obiektów zbyt słabych, aby można je było wykryć starszymi metodami.

Niektóre z tych odkryć dokonano przy użyciu obserwatoriów naziemnych, w których zastosowano nowe techniki elektroniczne. Inne zostały odkryte przez Cassini, sondę kosmiczną, która przez lata mapowała układ Saturna. Bez czujnego oka sondy Cassini i ulepszonych czujników naziemnych ta populacja zewnętrzna prawdopodobnie pozostałaby dla nas niewidoczna.

Przechwycone, a nie główne

Dlaczego to ma znaczenie? To zmienia nasze rozumienie historii Saturna. Te zewnętrzne ciała nie wydają się być głównymi satelitami. Nie powstały one in situ wraz z Saturnem z początkowego dysku gazu i pyłu. Zamiast tego pojawiają się jako przechwycone obiekty. Lub fragmenty tych obiektów.

Pomyśl o tym. Księżyc, narodzony gdzie indziej, być może w Pasie Kuipera lub dalej w mgławicy, został przyciągnięty przez grawitację Saturna i tam utknął. To jest porwanie do nieba. Nieregularne orbity są śladami po tym przechwyceniu. Duże nachylenie i mimośród są efektem chaotycznego wprowadzenia do układu.

Sugeruje to, że Saturn ma złożoną historię grawitacyjną, w której nie zaczął swojej rodziny od zera. Ukradł sąsiadom. Zebrał gruz. Zewnętrzny pierścień satelitów to w mniejszym stopniu rodzina, a raczej zbiór uchodźców.

Lodowe światy Saturna

Tytan to nie tylko duży satelita. Jest to jedyny satelita w naszym Układzie Słonecznym, który ma chmury, gęstą atmosferę i prawdziwe płynne jeziora. Jego ciało stałe ma średnicę 5150 kilometrów (3200 mil). Pod względem wielkości ustępuje jedynie Ganimedesowi, satelitowi Jowisza.

Jego gęstość jest niska – tylko 1,88 grama na centymetr sześcienny. Liczba ta opowiada historię tego, co znajduje się w środku. To nie tylko kamień. Jest mieszaniną krzemianów i lodów. Lód to najprawdopodobniej zamarznięta woda z amoniakiem i metanem.

Powietrze tutaj jest ciężkie. Ciśnienie powierzchniowe wynosi 1,5 bara. To o 50% więcej niż na Ziemi. Dominuje azot. Metan stanowi około 5%. W mieszaninie występują śladowe ilości innych związków węgla.

Przez długi czas powierzchnia pozostawała ukryta. Gęsta brązowo-czerwona mgła przesłaniała widok. Do czasu przybycia Cassini-Huygens nie mogliśmy zobaczyć niczego znaczącego. Dane zmieniły wszystko.

Powierzchnię Tytana kształtują procesy uderzająco podobne do tych zachodzących na Ziemi: opady atmosferyczne, przepływ płynów, wiatr, a nawet możliwe wulkany.

Urządzenie wykryło złożony teren. Pada deszcz. Wyciekają płyny. Wiatr kształtuje krajobraz. Istnieją również kratery uderzeniowe. Może występować aktywność tektoniczna. To nie jest martwa skała. To aktywny świat.

Są też inne satelity.

Są znacznie mniejsze. I w większości pozbawione atmosfery. Enceladus jest wyjątkiem. Cassini wykryła pióropusze pary wodnej ze swojego południowego bieguna. Ale co z resztą? Nic nie znaleziono.

Ich gęstość jest jeszcze niższa – od 1 do 1,5 grama na centymetr sześcienny. Spektroskopia to potwierdza. Są bogate w lód. Głównie lód wodny. Czasami miesza się z dwutlenkiem węgla lub amoniakiem.

W odległości Saturna od Słońca jest zimno. Bezkompromisowo zimno. Lód zachowuje się jak kamień. Nie płynie i nie regeneruje się. Kratery uderzeniowe pozostają wyryte w powierzchni przez eony.

Z daleka wyglądają jak ziemski Księżyc. Krater. Szary. Martwy.

Ale to podobieństwo jest powierzchowne. Skład chemiczny jest inny. Historia jest inna. To nie tylko kamienie pokryte szronem. To lodowe światy czekające na zrozumienie.

Księżyc okaleczony przemocą

Wygląda na to, że Mimas przegrywa walkę z pasem asteroid. Jego powierzchnia jest usiana kraterami, tworząc chaotyczny krajobraz przypominający surowe wyżyny naszego Księżyca. Jest jednak jedna cecha, która sprawia, że ​​ten lodowy satelita jest naprawdę wyjątkowy w Układzie Słonecznym. Nie tylko duży. Proporcjonalnie masywny.

W centrum tego chaosu znajduje się krater Herschel.

Nazwany na cześć Williama Herschela, XVIII-wiecznego astronoma, który odkrył Mimasa w 1789 roku, ten krater uderzeniowy jest świadectwem czystej energii kinetycznej. Średnica krateru wynosi 130 kilometrów. Aby zorientować się w skali, jest to jedna trzecia całej średnicy samego Mimasa. Gdybyś stał na krawędzi, nie patrzyłbyś tylko na dziurę. Patrzyłbyś na jedną trzecią swojego świata.

Uszkodzenia są głębokie. Krater sięga około 10 kilometrów w głąb skorupy ziemskiej. Zewnętrzne ściany wznoszą się na wysokość około 5 kilometrów. To więcej niż wysokość Mount Everestu od podstawy do szczytu.

Dlaczego to jest ważne?

To mówi nam o niestabilności wczesnego Układu Słonecznego. Mimas nie tylko istniał. Przeżył. Uderzenie tej wielkości całkowicie zniszczyłoby Księżyc. Zamiast tego przeżyła. Geometria krateru wskazuje, że uderzenie było prawie prostopadłe. Bezpośrednie trafienie.

Ten sam wzór widzimy na innych ciałach lodowych. W pobliżu Mimasa Enceladus wykazuje oznaki nagrzewania się przez pływy, ale Mimas pozostaje zimny i martwy. Jego powierzchnia się nie zmienia. Zatrzymuje blizny.

Skalę trudno sobie wyobrazić, dopóki jej nie porównasz. Krater jest tak duży, że brakuje centralnego szczytu. A może upadł. A może od początku go nie było. Ściany są strome. Niektóre obszary wyglądają, jakby opadły w pustkę.

To nie tylko kamień z wgnieceniem. To jest ostrzeżenie.

Jeśli coś tak małego może wytrzymać takie uderzenie i nadal się obracać, co się stanie, gdy zderzą się większe obiekty? Krater Herschela to zamrożony moment przemocy. Uchwycił moment, w którym Mimas prawie umarł.

Mapujemy te kratery, datując powierzchnię. Starsze obszary mają większy wpływ. Młodsze obszary mają mniejszy wpływ. Herschel jest starożytny. Istniało ono od samego początku fazy oczyszczania dysku planetarnego.

Naukowcy badają stosunek głębokości do średnicy, aby zrozumieć podpowierzchnię. Czy Mimas to stały lód? A może pod spodem znajduje się ciekły ocean? Struktura krateru wskazuje na wewnętrzną siłę Księżyca. Wytrzymała. Z trudem.

Następnym razem, gdy spojrzysz na Księżyc, pomyśl o Mimasie. Mały, odległy świat noszący bliznę jedną trzecią wielkości jego własnej.

Enceladus jest jasną anomalią. Jego powierzchnia odbija więcej światła niż świeży śnieg na Ziemi. Obrazy ze statku kosmicznego Voyager ukazały rozległe obszary z niemal całkowitym brakiem dużych kraterów. W krajobrazie dominują gładkie równiny i pagórki. Wskazuje to na niedawną wewnętrzną aktywność termiczną. Topnienie i odnawianie powierzchni miały miejsce w ciągu ostatnich 100 milionów lat. Enceladus jest geologicznie młody.

Dane spektralne z sondy Cassini potwierdziły, że lód składa się z niemal czystej wody. Ale prawdziwa historia rozgrywa się w pobliżu bieguna południowego. Jest tam gorący punkt o temperaturze 140 kelwinów (-208 ° F). Jest to zbyt wysoka temperatura, aby można ją było wytłumaczyć samym ogrzewaniem słonecznym. Satelita zawiera „tygrysie paski” – dziwne uskoki geologiczne.

Pęknięcia te uwalniają cząsteczki lodu wodnego w przestrzeń kosmiczną. Fontanny zasilają pierścień E Saturna. Satelita wyrzuca rocznie około 1000 ton materiału. Cząsteczki są maleńkie. Ich rozmiar wynosi około jednego mikrometra. Znikają w ciągu kilku tysięcy lat z powodu dynamiki orbitalnej. Jeśli pierścień istnieje teraz, oznacza to, że satelita aktywnie go uzupełnia. Źródłem jest ocean podpowierzchniowy. Prawdopodobnie obejmuje cały satelitę. Kominy hydrotermalne prawdopodobnie występują na dnie oceanu 30–40 km pod powierzchnią.

Starsi, bardziej suchi sąsiedzi

Tetyda opowiada inną historię. Jest większy od Enceladusa, ale znacznie mniej aktywny. Powierzchnia jest mocno kraterowana. Wygląda na starą. Występują słabe oznaki pełzania lodu lub lepkiego przepływu. Ale nie ma żadnych oznak odnowienia powierzchni na dużą skalę.

Dione i Rhea są podobne. Ich powierzchnia przypomina księżycowe wyżyny. Mnóstwo kraterów. Jasne plamy wskazują na odsłonięty świeży lód. Jednak Dione wykazuje nowszą aktywność, mimo że jest mniejsza niż Rhea. Odnowiła równiny. Systemy usterek penetrują jego skorupę. Ciepło wewnętrzne również odegrało tutaj rolę.

Ciemna strona Japetusa

Japetus jest dziwny. Jego półkule wiodąca i napędzana mają znacznie różny współczynnik odbicia. Strona główna jest niesamowicie ciemna. Najciemniejsza materia znajduje się w szczycie swojego ruchu orbitalnego. Cassini znalazł tam dwutlenek węgla, materię organiczną i związki cyjanku.

Strona napędzana jest odwrotna. Odbija aż do 10 razy więcej światła. Jest mocno pokryty kraterami i składa się głównie z lodu wodnego.

Dlaczego taki podział? Ciemny materiał z pierścienia pyłowego Phoebe gromadzi się na przedniej półkuli. Ten ciemny pył pochłania światło słoneczne. Region się ociepla. Lód wodny zamienia się tam w parę. Steam migruje. Skrapla się i zamarza na zimniejszej półkuli końcowej. Proces ten zwiększa kontrast. Niska średnia gęstość Japetusa sugeruje, że Księżyc w całej swojej objętości składa się głównie z lodu wodnego.

Dynamika satelitów Saturna nie jest statyczna. Jest to chaotyczny, pulsujący system wymiany grawitacyjnej, którego nie da się łatwo wytłumaczyć. Niektóre z tych zjawisk są bezpośrednio powiązane z pierścieniami planety, tworząc zagadkę, którą naukowcy wciąż próbują rozwikłać.

Weźmy pod uwagę małe księżyce Janus, Epimetheus i Pandora. Znajdują się one na zewnętrznej krawędzi głównego układu pierścieniowego. Oddziaływanie grawitacyjne z cząstkami pierścieni wypycha je na zewnątrz. Jest to siła znikoma. Ale to jest stałe. Ta wymiana momentu pędu powoduje dwie rzeczy. Zmniejsza dyspersję powstałą w wyniku zderzeń w pierścieniach. Wypycha także satelity na wyższe orbity.

To jest problem. Te satelity są małe. Gdyby proces ten trwał przez całą historię Układu Słonecznego, znalazłyby się daleko poza swoimi obecnymi pozycjami. Ale to się nie zdarza. Ostra zewnętrzna krawędź głównego pierścienia zostaje zachowana. Wewnętrzne satelity, takie jak Atlas, pozostają na swoim miejscu. Potwierdza to niepokojącą hipotezę: obecny układ pierścieni jest znacznie młodszy od samego Saturna.

Towarzysze pasterzy

Pandora i Prometeusz to najsłynniejsze przykłady retencji. Voyager 1 uchwycił je na orbitach po obu stronach wąskiego pierścienia F. Pioneer 11 odkrył pierścień zaledwie rok wcześniej.

Określenie „towarzysz pasterza” jest tutaj całkiem odpowiednie. Ciała te utrzymują cząstki pierścienia w wąskim paśmie. Prometeusz pełni rolę wewnętrznego pasterza. Wysuwa pierścionek. Ta akcja wciąga samego Prometeusza do środka. Pandora jest zewnętrznym pasterzem. Otrzymuje moment pędu z pierścienia. To wpycha pierścień i wypycha samą Pandorę.

Misja Cassini zarejestrowała to wyraźnie. Złożone, faliste pasma cząstek rozciągają się od pierścienia F, gdy przechodzą księżyce pasterskie.

Termin pasterz jest często używany do opisania dowolnego satelity, który ogranicza zasięg pierścienia za pomocą sił grawitacyjnych.

Definicja ta jest szeroka. Obejmuje Janusa i Epimeteusza, których efekty pierścieniowe opisano powyżej. Obejmuje również satelity wytwarzające szczeliny, takie jak Pan.

Partnerzy orbitalni

Janus i Epimetheus mają tę samą średnią orbitę. Są to satelity współorbitalne. Co kilka lat zbliżają się do siebie. Ich grawitacja oddziałuje na siebie. Jeden przenosi moment pędu na drugi. Odbiorca przenosi się na nieco wyższą orbitę. Nadajnik obniżono do nieco niższego poziomu. Przy kolejnym podejściu proces powtarza się w odwrotnej kolejności.

Nie wszystkie współorbitujące satelity zachowują się w ten sposób. Tethys i Dione mają również satelity towarzyszące. Ale Tethys i Dione są ogromne. Nie ma znaczącej wymiany momentu pędu. Zamiast tego ich satelity towarzyszące znajdują się w stabilnych punktach Lagrange’a.

Telesto i Calypso są 60° przed i za Tetydą. Są podobne do asteroid trojańskich na orbicie Jowisza. Helena i Polideukes robią to samo dla Dione. Średnio są z przodu i z tyłu.

Rezonans i ciepło

Istnieje kilka par satelitów znajdujących się w stabilnych rezonansach dynamicznych. Okresowo mijają się nawzajem. Ich okresy orbitalne korelują jako małe liczby całkowite.

Weź Hyperiona i Tytana. Tytan dokonuje rewolucji w 15,94 dnia. Hyperion trwa 21,28 dnia. Stosunek wynosi około 4:3. Tytan obraca się cztery razy, a Hyperion trzykrotnie. Zawsze zbliżają się najbliżej apoapusu Hyperiona, najdalszego punktu jego eliptycznej orbity.

Masa Tytana jest ponad 50 razy większa od masy Hyperiona. Przekazuje największy pęd w tych samych punktach orbity Hyperiona. Te okresowe „wstrząsy” wpychają Hyperiona na stosunkowo wydłużoną, ekscentryczną orbitę.

Ma to konsekwencje dla ewolucji geologicznej. Rezonanse mogą spowodować, że mimośrody orbitalne przyjmą duże wartości.

Zazwyczaj interakcje pływowe zmniejszają ekscentryczność. Przyciąganie grawitacyjne Saturna cyklicznie deformuje pobliskie satelity. To hamowanie powoduje synchroniczny obrót. Satelita obraca się z tą samą prędkością, z jaką okrąża planetę. Ta sama półkula jest zawsze zwrócona w stronę planety. To właśnie robi ziemski Księżyc. Kilka wewnętrznych księżyców Saturna robi to samo.

Kiedy satelita obraca się synchronicznie, odkształcenie w jego układzie odniesienia jest stacjonarne. Zatrzymanie tarcia i nagrzewania.

Ale rezonans zmienia wszystko. Satelita zmuszony przez rezonans do przebywania na ekscentrycznej orbicie doświadcza interakcji pływowych nawet przy rotacji synchronicznej. Na przemian oddala się od planety i zbliża się do niej. Odkształcenie staje się dynamiczne. Wytwarza ciepło w wyniku tarcia wewnętrznego.

Io Jowisz jest skrajnym przykładem. Rezonans z Europą zmusza ją do poruszania się po ekscentrycznej orbicie. Io to najbardziej aktywne wulkanicznie ciało w Układzie Słonecznym.

Księżyce Saturna prawdopodobnie kierują się podobną logiką. Jeśli rezonanse utrzymają swoją mimośrodowość, mogą nadal nagrzewać się od wewnątrz. Pytanie brzmi, czy potrafimy wykryć to ciepło. Lub młodość pierścieni wskazuje, że system całkowicie się zresetował, usuwając całą poprzednią historię termiczną.

Ciepło utajone księżyców Saturna

Obecne modele pokazują, że siły pływowe nie odgrywają obecnie znaczącej roli w ogrzewaniu księżyców Saturna. Obliczenia matematyczne tego nie potwierdzają. Jednak przeszłość opowiada inną historię. W tamtych czasach tarcie mogło być dość znaczne. Przypomina nam to, że te ciała niebieskie ulegają zmianom. Ochładzają się. Przesuwają się.

Weźmy na przykład Enceladusa. Jego biegun południowy to zupełnie inna sprawa. Słynne „tygrysie paski” to szerokie pęknięcia. Wyrzucają w przestrzeń lodową materię. Szczątki te tworzą rozproszony pierścień E. Satelita krąży wewnątrz tego pierścienia. Połączenie tutaj jest bezpośrednie.

Naukowcy wciąż próbują określić przyczynę tej aktywności termicznej. Pęknięcia są gorące. Za gorąco na prosty rozpad radiogenny. Wiodąca teoria wskazuje na deformację pływową. Nawet jeśli aktualna produkcja ciepła jest niewielka, naprężenia mechaniczne wywołane grawitacją Saturna na skorupie Księżyca prawdopodobnie napędzają ten proces. Deformuje lód. To tarcie wytwarza ciepło. Utrzymuje stan ciekły oceanu podpowierzchniowego.

Paski tygrysie są nowoczesnym źródłem lodowego materiału dla rozproszonego pierścienia E.

Nie chodzi tylko o piękne pierścionki. Chodzi o zamieszkiwanie. Gdyby w przeszłości siły pływowe były silniejsze, księżyce te mogłyby dłużej pozostawać ciepłe. Warunki do życia mogły istnieć wówczas, gdy obecnie ich nie ma. Obserwujemy chronologię geologiczną. Nie jest to zdjęcie statyczne.

Pozostaje pytanie: czy możemy wykryć tę starożytną aktywność? Geologia powierzchni dostarcza wskazówek. Spękanie. Gładkie równiny. Zdarzenia aktualizacji Surface. Wszystko to wskazuje na dynamiczną strukturę wewnętrzną. Grawitacja Saturna jest siłą przyciągającą. To nigdy się nie kończy. Po prostu zmienia intensywność. Zrozumienie tego procesu pomaga nam przewidzieć, jak mogą wyglądać inne księżyce. Bliżej naszych planet. Grzałka. Bardziej aktywny.

Hyperion łamie zasady. Większość satelitów w Układzie Słonecznym jest zablokowana w rotacji synchronicznej, ponieważ siły pływowe synchronizują swój obrót z ruchem orbitalnym. Hyperion odmawia posłuszeństwa. Jej wydłużona orbita i dziwnie niesferyczny kształt powodują chaotyczne przeciąganie liny pomiędzy momentem pędu a orbitalnym momentem pędu. Rezultatem jest chaos. Matematycznie jest to nieprzewidywalne.

Voyager zarejestrował asynchroniczną rotację trwającą około 13 dni. To była tylko pojedyncza próbka. Kiedy zastosujemy teorię chaosu do tych danych, łącząc je z nowszymi obserwacjami naziemnymi, obraz stanie się jasny. Hyperion upada. Jest to jedyny znany obiekt w Układzie Słonecznym, który obraca się chaotycznie. Nie da się przewidzieć, w którą stronę będzie zwrócona w następnej kolejności.

Obserwowanie Saturna z Ziemi

Nawet w idealnych warunkach na Ziemi teleskopy nie są w stanie rozróżnić obiektów Saturna mniejszych niż kilka tysięcy kilometrów. Przed przelotami statków kosmicznych prawie nic nie wiedzieliśmy o drobnych szczegółach pierścieni i atmosfery.

Dobrym przykładem jest przerwa Enckego w pierścieniu A. Opisał ją Johann Franz Encke w 1837 roku. Przez ponad sto lat ludzie wątpili w jej istnienie. Dopiero w 1978 roku Harold Reitsma potwierdził jego istnienie. Wykorzystał pomiary zaćmienia księżyca Japetus przez pierścienie Saturna, aby uzyskać rozdzielczość lepszą niż pozwalają na to konwencjonalne metody naziemne.

Współczesne badania naziemne wykorzystują różnorodne techniki. Spektroskopia w podczerwieni ujawnia skład i równowagę termiczną pierścieni, atmosfery i satelitów. Możliwe jest także uzyskanie rozdzielczości w skali kilometrowej poprzez obserwację przejścia jasnych gwiazd za planetą. Zjawisko to nazywa się okultacją. W 1989 roku Saturn i Tytan zajmowali jasną gwiazdę 28 Strzelec. Pozwoliło to astronomom zobaczyć strukturę pierścieni i atmosfery z jasnością niespotykaną od czasów Voyagera.

Potem wydarzyła się Wielka Biała Plama w 1990 roku. Zaobserwowali go teleskopy naziemne i Kosmiczny Teleskop Hubble’a. Hubble znajdował się ponad zniekształcającym wpływem atmosfery ziemskiej. Dane były czyste. W 1995 roku Ziemia przeszła przez płaszczyznę pierścieni Saturna. Widok z boku umożliwił bezpośrednie określenie grubości słoi. Umożliwiło to również dokładny pomiar szybkości precesji osi obrotu Saturna.

Misje pionierskie i Voyager

Pierwszym był Pioneer 11. Wystrzelony na początku lat 70. XX w. początkowo kierował się w stronę Jowisza. Naukowcy planujący misję nie przewidywali zatrzymania się na Saturnie. Jednak grawitacja Jowisza pomogła im zmienić kurs sondy. Wykorzystali manewr grawitacyjny, aby skierować go w stronę Saturna.

W 1979 roku Pioneer 11 przeleciał przez płaszczyznę pierścieni. Przebył w odległości 38 000 km (24 000 mil) od pierścienia A. Przeleciał na odległość 21 000 km (13 000 mil) od atmosfery Saturna. Wystarczająco blisko, żeby prawdopodobnie poczuć ciepło.

Za nimi podążały Voyager 1 i Voyager 2. Wystrzelone w 1977 roku, również początkowo były skierowane w stronę Jowisza. Te dwie sondy wyposażone były w znacznie bardziej wyrafinowany sprzęt do obrazowania. Zostały zaprojektowane do sekwencyjnych przelotów w pobliżu wielu planet z określonymi celami naukowymi w każdym miejscu docelowym.

Podobnie jak Pioneer, wykorzystali masę Jowisza do manewrów wspomaganych grawitacją. To zmieniło ich trajektorie w kierunku Saturna. Voyager 1 przybył w 1980 r. Voyager 2 – w 1981 r. Razem przesłali dziesiątki tysięcy zdjęć Saturna, jego pierścieni i księżyców. Dane były przytłaczające. Szczegółowy. Prawdziwy.

Misja Cassini-Huygens była czymś więcej niż tylko podróżą na Saturna. Było to dwudziestoletnie zwycięstwo dyplomatyczne i inżynieryjne, w którym uczestniczyły NASA, ESA i ASI (Włochy). Wystrzelona w 1997 roku stacja kosmiczna nie latała po linii prostej. Poszła na kosmiczny skrót.

Manewry grawitacyjne w pobliżu Wenus, Ziemi i Jowisza rozproszyły go w stronę zewnętrznych planet Układu Słonecznego. W 2004 roku dotarła na miejsce. Masa urządzenia łącznie z paliwem wynosiła prawie sześć ton metrycznych. Była to jedna z najcięższych, najdroższych i najbardziej skomplikowanych maszyn, jakie kiedykolwiek stworzyła ludzkość.

Ale urządzenie to tylko połowa historii.

Zagadka składająca się z dwóch części

Misja składała się z dwóch różnych części.

Cassini weszła na orbitę wokół Saturna. Badał pierścienie planety, atmosferę i lodowe księżyce.

„Huygens” rozdzielony. Zniżył się przez gęstą pomarańczową atmosferę Tytana. Przez całą podróż nie miał spadochronu, ale w styczniu 2005 roku wylądował miękko na twardej powierzchni.

Przez trzy godziny Huygens przesyłał dane. Obrazy. Wskazania chemiczne. Cassini odebrał sygnał i wysłał go na Ziemię. Naukowcy obserwowali w czasie rzeczywistym, jak ludzkość po raz pierwszy dotknęła powierzchni odległego satelity.

Dlaczego zaplanowano koniec

Często myślimy, że misje kosmiczne kończą się z powodu braku paliwa lub awarii. Koniec Cassiniego był inny. To był świadomy wybór.

W 2017 roku skończyło się paliwo. Sonda znalazła się także zbyt blisko satelitów, za którymi mogło ukrywać się życie. Na Tytanie znajdują się płynne jeziora. Fontanny na Enceladusie wyrzucają w przestrzeń wodną lód z południowego bieguna. Byli to główni kandydaci do biologii pozaziemskiej.

Jeśli Cassini przypadkowo zderzyła się z jednym z tych księżyców, ziemskie bakterie mogłyby je skazić. Naukowcy musieli się upewnić.

Wysłali więc sondę na Saturna.

Ostatnie nurkowanie

Cassini rzadko przebywał daleko w ostatnich miesiącach. Zanurzył się w górne warstwy atmosfery planety. Przeleciał przez szczelinę pomiędzy Saturnem a jego pierścieniami. Zmierzył pola grawitacyjne i magnetyczne z niespotykaną dotąd precyzją.

Następnie dostał się do atmosfery. Gorąco i ciśnienie go zniszczyły.

To nie była porażka. Taki był protokół kwarantanny.

Niszcząc Cassini, NASA zapewniła, że ​​Tytan i Enceladus pozostaną czyste. Jeśli kiedykolwiek wyślemy tam sondy niosące życie, nie będziemy ciągnąć ze sobą „ziemskich duchów”. Będziemy mieć czyste konto.

Misja nie zakończyła się porażką, ale kontrolowanym poświęceniem. Ostatni akt obrony planetarnej.

Czego się nauczyliśmy

Dane zebrane przez 13 lat zmieniły nasze rozumienie Układu Słonecznego. Widzieliśmy wzorce pogodowe na Saturnie, które mogą konkurować z ziemskimi burzami. Zmapowaliśmy złożoną strukturę pierścieni. Potwierdziliśmy, że jeziora Tytana składają się z metanu i etanu. Odkryliśmy, że Enceladus ma podpowierzchniowy ocean.

Odkrycia te sugerują, że środowiska podtrzymujące życie mogą być bardziej powszechne, niż nam się wydawało. Nie tylko na skalistych planetach w pobliżu gwiazdy, ale także w lodzie i ciemnościach zewnętrznych obszarów Układu Słonecznego.

Cassini dała nam wgląd w świat inny niż Ziemia. Ale który zachowuje się z podobną złożonością.

Urządzenie zniknęło. Dane pozostają. I pytanie