Pierścienie Saturna igrają z naszą intuicją

pia14636-1041

Intuicja nam mówi, że materia nieprzezroczysta powinna być gęstsza niż materia przezroczysta. Wszak brudna woda ma w sobie więcej cząsteczek pyłu i piasku niż czystsza woda. Podobnie – można by pomyśleć – w pierścieniach Saturna bardziej nieprzezroczyste obszary muszą zawierać większe nagromadzenie materii niż miejsca, w których pierścienie są bardziej przezroczyste.

Niestety intuicja nie zawsze się sprawdza – dowodzą najnowsze badania wykonane za pomocą instrumentów zainstalowanych na pokładzie sondy Cassini. W swoich badaniach naukowcy znaleźli bardzo słaby związek między pozorną gęstością pierścienia – implikowaną przez jego nieprzezroczystość i współczynnik odbicia światła – a ilością materii w nim zawartej.

Nowe wyniki skupiają się na pierścieniu B, najjaśniejszym i najmniej przezroczystym z wszystkich pierścieni Saturna – okazuje się, że wyniki są zgodne z tymi otrzymanymi dla pozostałych głównych pierścieni Saturna.

To zdjęcie zostało wycięte z panoramicznego zdjęcia pierścieni Saturna. Na zdjęciu zaznaczono nazwy głównych elementów pierścieni
To zdjęcie zostało wycięte z panoramicznego zdjęcia pierścieni Saturna. Na zdjęciu zaznaczono nazwy głównych elementów pierścieni

Naukowcom udało się ustalić, że choć nieprzezroczystość pierścienia B była zróżnicowana w jego przekroju poprzecznym, to masa – lub ilość materii – nie wykazywała znacznych różnic w takim samym przekroju. Po raz pierwszy udało się „zważyć” niemal nieprzezroczysty środek pierścienia B – czyli technicznie określono gęstość masy w kilku miejscach -analizując spiralne fale gęstości. To delikatne struktury powstające we wnętrzu pierścieni wskutek oddziaływania grawitacyjnego z jakim na cząsteczki działają księżyce Saturna i sama planeta. Struktura każdej fali zależy bezpośrednio od masy tej części pierścienia, w której powstaje.

„Aktualnie nie wiemy jaki mechanizm sprawia, że obszary z tą samą ilością masy mogą wykazywać tak różny stopień przezroczystości. Może mieć to związek z rozmiarem i gęstością pojedynczych cząstek, a może z  samą strukturą pierścieni,” mówi Matthew Hedman, główny autor badania i członek zespołu Cassini z University of Idaho w Moscow. Współpracownikiem Hedmana w badaniach był Phil Nicholson z Cornell University w Ithaca.

pia07578
Niektóry fragmenty pierścienia B są 10-krotnie mniej przezroczyste niż sąsiadujący z nim pierścień A mimo, że jego masa jest tylko 2-3 razy większa.

„Wygląd może być mylący,” mówi Nicholson. „Doskonałym przykładem może być gęsta mgła, która staje się nieprzezroczysta, dużo mniej przezroczysta od wody w basenie, choć w basenie przecież jest dużo więcej wody charakteryzującej się większą gęstością niż mgła.”

Badania nad masą pierścieni Saturna są ważne także w przypadku chęci określenia ich wieku. Mniej masywny pierścień ewoluuje szybciej niż pierścień zawierający więcej materii, szybciej ciemniejąc wskutek przesłonięcia pyłem z meteorytów i innych kosmicznych źródeł. Tym samym im mniej masywny jest pierścień B, tym młodszy może być – jego wiek może być rzędu kilkuset milionów zamiast kilku miliardów lat.

„Pomiar masy środka pierścienia B to istotny krok na drodze do zrozumienia wieku i pochodzenia pierścieni Saturna,” mówi Linda Spilker, badacz z zespołu Cassini z Jet Propulsion Laboratory w Pasadenie.

Choć wszystkie gazowe olbrzymy naszego Układu Słonecznego (Jowisz, Saturn, Uran i Neptun) posiadają własne pierścienie, to pierścienie Saturna istotnie się wyróżniają. Wytłumaczenie dlaczego pierścienie Saturna są tak jasne i rozległe stanowi jedno z wyzwań niezbędnych do zrozumienia w jaki sposób i kiedy powstały. Dla naukowców znajomość gęstości materii w poszczególnych fragmentach pierścieni to wiedza pozwalająca na przypisanie odpowiedniego procesu fizycznego, który może odpowiadać za ich powstanie.

pia06193_0

 

Już wcześniejsze badania prowadzone za pomocą spektrometru pracującego w podczerwieni wskazywały, że w pierścieniu B może być mniej materii niż się to powszechnie uważało. Nowe badania, które po raz pierwszy pozwoliły na pomiar gęstości masy pierścienia, potwierdzają te przypuszczenia.

Hedman i Nicholson wykorzystali do analizy dane zebrane w trakcie serii obserwacji za pomocą spektrometru VIMS, który patrząc przez dysk obserwował odległą jasną gwiazdę tła. Po połączeniu wielu obserwacji możliwe stało się zidentyfikowanie spiralnych fal gęstości w pierścieniu, które są nie do zaobserwowania w pojedynczych pomiarach.

W toku badań okazało się także, że całkowita masa pierścienia B jest zaskakująco niska. To nieoczekiwane, bowiem niektóre fragmenty pierścienia B są nawet 10-krotnie bardziej nieprzezroczyste niż sąsiadujący z nim pierścień A, choć pierścień B może mieć zaledwie 2-3 razy więcej masy niż A.

Mimo nieoczekiwanie niskiej masy, pierścień B wciąż zawiera większość materii całego systemu pierścieni. Choć pomiar masy wykonany przez Hedmana i Nicholsona wciąż obarczony jest pewną niepewnością, to dużo dokładniejszy pomiar całkowitej masy pierścieni Saturna jeszcze przed nami. Jakiś czas temu sonda Cassini mierzyła pole grawitacyjne Saturna, które pozwoliło naukowcom określić całkowitą masę Saturna i jego pierścieni. W 2017 roku sonda Cassini określi masę samego Saturna  zbliżając się do planety na tyle, że znajdzie się między pierścieniami a planetą. Różnica między tymi dwoma pomiarami ostatecznie pozwoli na ustalenie prawdziwej masy pierścieni.

Wyniki powyższych badań zostały opublikowane online w periodyku Icarus.

Źródło: NASA/JPL-Caltech