Dzień na Saturnie

dnia 06/11/2016

Sonda Cassini wpatrywała się w Saturna przez niemal 44 godziny w kwietniu 2016 roku i uzyskała ten film pokazujący cztery dni na Saturnie. Cassini rozpocznie serię zbliżeń w obszarze pomiędzy Saturnem a jego pierścieniami w kwietniu 2017 roku, a sześć miesięcy później nastąpi dramatyczny koniec misji – ostateczne zanurzenie się w planecie.

Przestawienie się na czas zimowy bywa dla nas trudne, jednak dla naukowców z NASA pracujących przy misji Cassini prawdziwym wyzwaniem jest zmierzenie dokładnej długości dnia na Saturnie. Instrumenty sondy Cassini, która od ponad dekady znajduje się na orbicie Saturna, zmagają się z niejasnymi pomiarami, aby ustalić precyzyjny okres obrotu planety.

Ostatni rok misji i bezprecedensowy tor jej lotu doprowadzi sondę do niezbadanych rejonów w tak bliskim sąsiedztwie Saturna, że naukowcy być może w końcu będą w stanie odpowiedzieć na pytanie: Jak długi jest dzień na Saturnie?

Michele Dougherty twierdziła kiedyś, że zmierzenie długości dnia na Saturnie jest szukaniem igły w stogu siana. Teraz uważa, że ten frazes jest nie ma tu zastosowania. „Bardziej przypomina to szukanie kilku igieł w sposób nieprzewidywalny zmieniających kolor i kształt”, powiedziała.

Pracująca w londyńskim Imperial College Dougherty jest odpowiedzialna za magnetometr (MAG) znajdujący się na pokładzie sondy Cassini i badający planetę bardziej precyzyjnie, niż jakiekolwiek wcześniejsze misje. Jednak instrumenty sondy najwyraźniej nie są w stanie zbadać czegoś fundamentalnego, co na Ziemi trudno przeoczyć: długości dnia. Część problemu tkwi w tym, czym tak naprawdę jest dzień.

Mówiąc: „Od wielu dni jest pochmurno”, przekazujemy informację o tym, od jak dawna (czyli w jakim okresie czasu) niebo jest zachmurzone. Jednak dzień w rzeczywistości opisuje ruch, nie czas. Słońce nie wschodzi ani nie zachodzi.  Pozorny ruch Słońca wynika z tego, że Ziemia obracająca się wokół własnej osi. A obserwatorka nie musi znajdować się na Ziemi, aby obliczyć długość ziemskiego dnia.

Spektrogram i wideo wykonane na podstawie danych z sondy Cassini pokazują zmieniający się schemat fal radiowych emitowanych przez Saturna, zwanych kilometrowym promieniowaniem Saturna.

 

Ktoś znajdujący się w przestrzeni kosmicznej lub na innej planecie Układu Słonecznego mógłby wybrać charakterystyczny punkt na powierzchni Ziemi, na przykład Madagaskar, a następnie odnotować jego pozycję i uruchomić stoper. Gdy Madagaskar wróciłby do pozycji, w jakiej znajdował się w momencie włączenia stopera, obserwatorka mogłaby stwierdzić, ile czasu upłynęło od tego momentu. Gdyby wykonała pomiar z dużą precyzją odkryłaby, że Ziemia wykonuje jeden obrót na 23,934 godziny. To okres obrotu Ziemi – definicja dnia.

Według tej samej zasady udało nam się obliczyć okresy obrotu innych planet.  Dzień na Merkurym trwa około dwóch ziemskich miesięcy. Dzień marsjański trwa 24,623 ziemskiej godziny, czyli niewiele dłużej niż dzień na Ziemi. Jednak przyglądanie się charakterystycznym cechom powierzchni nie działa w przypadku wszystkich planet.

Gdy planeta pokryta jest tysiącem kilometrów atmosfery, trudność zmierzenia jej obrotu jest jeszcze większa. Wirujące pasy chmur na planetach takich jak Saturn czy Jowisz poruszają się z różną prędkością, co uniemożliwia wykorzystanie ich do pomiaru okresu obrotu planety. Jednak nawet w takim przypadku naukowcy mają parę asów w rękawie: pole magnetyczne planety oraz emisja fal radiowych.

Wewnątrz planety ciepło powoduje, że przewodzące prąd płyny wprawiane są w ruch, co generuje pole magnetyczne, które może rozciągać się w kosmos na odległości wiele razy większe od średnicy planety. Na Ziemi i Jowiszu północny biegun magnetyczny jest odchylony od osi obrotu planet o około 10 stopni co oznacza, że nie pokrywa się z „prawdziwie północnym” biegunem każdej z planet. Gdybyśmy mogli zobaczyć pole magnetyczne Jowisza lub Ziemi z kosmosu i przyspieszylibyśmy czas, wydawałoby nam się, że wraz z obrotem chwieje się ono jak hula hop. Ponieważ pole magnetyczne jest w przypadku większości planet generowane z ich głębi, okres obrotu pola wskazuje naukowcom na okres obrotu samej planety. Jedno pełne zachwianie to jeden dzień.

„Nie widzimy pól magnetycznych, ale widzą je urządzenia zwane magnetometrami, a anteny wykrywają fale radiowe emitowane przez planetę w schemacie powtarzanym przy każdym obrocie. Gdy tylko wynaleziono anteny radiowe, naukowcom rzeczywiście udało się ustalić, że dzień na Jowiszu trwa 9 godzin 55 minut”, powiedział Bill Kurth, fizyk z University of Iowa i kierownik Zespołu ds. Fal Radiowych i Plazmowych (Radio and Plasma Wave Science – RPWS) misji Cassini. „Jowisz jest jak zegar. Nie traci czasu. Nie zyskuje czasu.

Jednak Saturn jest zupełnie inny od innych planet krążących wokół Słońca. Jego pole magnetyczne wydaje się być odchylone od osi obrotu o mniej niż jeden stopień, więc nie kręci się ono chwiejnie niczym hula hop, a gładko i bez chybotania.  Naukowcy mogliby się zatem spodziewać stałej siły magnetycznej i jej niezmiennego kierunku, jednak nie potwierdzają tego obserwacje.

Instrument MAG na sondzie Cassini wykrył w polu magnetycznym Saturna sygnał wyglądający jak fala powtarzająca się co 10 godzin i 47 minut.  Naukowcy nazwali ten regularnie powtarzający się sygnał „okresem obrotu”. Jednak jego wartość różni się w zależności od tego, czy obserwowana jest północna czy południowa półkula planety. Co więcej, najwyraźniej zmienia się on wraz z porami roku.

Instrument RPWS również wykrył okresy obrotu, a jeszcze inny przyrząd znajdujący się na sondzie, Instrument Obrazujący Magnetosferę (Magnetospheric Imaging Instrument – MIMI) zaobserwował naładowane cząstki (protony, elektrony, jony), które regularnie przerzucane są wokół Saturna przez jego pole magnetyczne.  „Instrument MIMI widzi te cząstki poruszające się wokół planety”, powiedział Kurth. Jednak obserwacje cząstek, fal radiowych i pola magnetycznego nie zgadzają na tyle, aby naukowcy mieli pewność co do okresu obrotu Saturna.

Naukowcy zajmujący się sondą Cassini nie przypuszczali, że będą musieli rozwiązać zagadkę okresu obrotu. „Wydawało nam się, że już to wiemy, bo pomiarów dokonał Voyager”, stwierdził Kurth. Dane z Voyagera wskazywały na długość dnia na Saturnie wynoszącą 10,7 godziny. Jednak według danych z megnetometru sondy Cassini, dzień jest odrobinę dłuższy lub odrobinę krótszy, w zależności od tego, czy obserwowana jest północna czy południowa półkula Saturna.

„Saturn nie ułatwia nam zadania”, stwierdziła Dougherty. „Jego okres obrotu wynosi prawdopodobnie pomiędzy 10,6 a 10,8 godziny, jednak nie jesteśmy pewni, czy odbierany przez nas sygnał jest w ogóle powiązany z wnętrzem planety. Jedyne, co wiemy, to że dane z MAG pokazują inne oscylacje na północy i inne na południu oraz to, że z czasem się one zmieniają. Możliwą przyczyną jest zakłócanie, czy niwelowanie efektów pola magnetycznego planety przez coś w atmosferze Saturna”, powiedziała Dougherty. Jeśli w tym tkwi problem, pomocne powinno się okazać zbliżenie się do planety.

W ostatniej fazie misji sondy Cassini, rozpoczętej w listopadzie 2016 roku, wykona ona 20 okrążeń wokół Saturna, tuż poza jego zewnętrznymi pierścieniami, a w kwietniu 2017 roku rozpocznie wykonywanie 22 okrążeń w niezbadanej przestrzeni pomiędzy wyższymi warstwami atmosfery Saturna a jego wewnętrznym pierścieniem. To tam sonda powinna lepiej dostrzec okres obrotu Saturna i rozwikłać tajemnicę długości jego dnia.

„Do końca maja 2017 roku”, twierdzi Dougherty, „powinniśmy wiedzieć, czy jesteśmy w stanie rozwiązać tę zagadkę.

Źródło: NASA