Jednym z ostatnich zadań sondy Cassini przed jej śmiertelnym woltem w wodorowo-helową atmosferę Saturna był przelot między planetą a jej pierścieniami, podczas którego pierścienie mogły ją trochę przyciągnąć, działając niczym sonda grawitacyjna.
Precyzyjne pomiary ostatniej trajektorii sondy Cassini pozwoliły teraz naukowcom dokładnie oszacować ilość materii w pierścieniach planety, mierząc ją na podstawie ich przyciągania grawitacyjnego.
Szacunki – około 40 procent masy Mimasa, jednego z księżyców Saturna, który z kolei jest 2000 razy mniejszy od naszego Księżyca – wskazują, że pierścienie są stosunkowo nowym nabytkiem i powstały mniej niż 100 milionów lat temu, a być może nawet 10 milionów lat temu.
Tak młody wiek pierścieni rozwiązuje długotrwałe dyskusje między planetologami. Część z nich uważała, że pierścienie powstały wraz z planetą 4,5 miliarda lat temu z lodowych odłamków pozostałych na orbicie po okresie formowania układu słonecznego. Inni z kolei uważali, że pierścienie są bardzo młode, a Saturn w pewnym momencie swojej historii przechwycił obiekt z Pasa Kuipera albo kometę, który stopniowo zamienił w okrążający go gruz.
Nowe szacunki dotyczące masy opierają się na pomiarach stopnia odchylenia trajektorii lotu sondy Cassini wskutek działania przyciągania grawitacyjnego pierścieni podczas przelotu sondy między planetą a jej pierścieniami we wrześniu 2017 roku. Początkowo odchylenie nie pasowało do przewidywań bazujących na modelach planety i pierścieni. Dopiero gdy badacze uwzględnili bardzo głęboko płynące wiatry w atmosferze Saturna – których obserwacje z przestrzeni są niemożliwe – pomiary stały się sensowne i pozwoliły obliczyć masę pierścieni.
„Gdy po raz pierwszy spojrzałem na dane nie wierzyłem w nie, ponieważ ufałem naszym modelom i dopiero po jakimś czasie doszliśmy do wniosku, że musi istnieć jakiś inny czynnik, którego nie uwzględniliśmy” mówi Burkhard Militzer, profesor planetologii na Uniwersytecie Kalifornii w Berkeley, który tworzy modele wnętrz planetarnych. „Tym czynnikiem okazały się być masywne wiatry w atmosferze na głębokości około 9000 kilometrów wokół regionu równikowego. Początkowo uważaliśmy, że te chmury są takie jak chmury na Ziemi, które ograniczają się do wąskiej warstwy i praktycznie nie mają znaczącej masy. Jednak okazuje się, że na Saturnie są one bardzo masywne”.
Badacze bliczyli także, że powierzchniowe chmury na równiku Saturna rotują 4% szybciej niż warstwa znajdująca się 9000 kilometrów głębiej. Ta głębsza warstwa potrzebuje 9 minut więcej aby okrążyć planetę, niż zewnętrzna warstwa chmur, która okrąża planetę raz na 10 godzin i 33 minuty.
„Odkrycie głęboko położonych rotujących warstw jest dla nas zaskoczeniem” mówi Linda Spilker z NASA JPL w Pasadenie. „Pytanie brzmi: co odpowiada za te szybciej rotujące części atmosfery tak głęboko, i co nam to mówi o wnętrzu planety”.
Militzer był także w stanie obliczyć, że skaliste jądro planety musi mieć masę od 15 do 18 mas Ziemi, co zgadza się z wcześniejszymi przewidywaniami.
Zespół kierowany przez Luciano Iess z Uniwersytetu w Rzymie opublikował wyniki swoich badań w periodyku Science.
Wcześniejsze szacunki dotyczące masy pierścieni Saturna – między 1/2 a 1/3 masy Mimasa – opierały się na badaniach fal gęstości, które krążą wokół skalistych i lodowych pierścieni. Te fale powodowane są przez 62 satelity planety, w tym Mimasa, które odpowiadają za tak zwaną przerwę Cassiniego między dwoma największymi pierścieniami, A oraz B. Mimas jest gładki i okrągły, a jego średnica to 246 kilometrów. Na powierzchni księżyca znajduje się duży krater uderzeniowy, przez co księżyc przypomina Gwiazdę Śmierci z Gwiezdnych Wojen.
„Ludzie nie ufali pomiarom fal, ponieważ w pierścieniach mogą być cząstki, które są masywne, ale nie biorą udziału w falach” mówi Militzer. „Zawsze podejrzewaliśmy, że istnieje jakaś ukryta masa, której nie widzimy w falach”.
Na szczęście gdy sonda Cassini kończyła swoją misję, NASA zaprojektowała 22 przelotu między planetą a pierścieniami, aby zbadać pole grawitacyjne Saturna. Naziemne radioteleskopy mierzyły prędkość sondy z dokładnością do ułamków milimetra na sekundę.
Nowa wartość masy pierścieni mieści się w zakresie wcześniejszych szacunków i umożliwia badaczom określenie ich wieku.
Owe obliczenia wieku, wykonane przez Philipa Nicholsona z Uniwersytetu Cornell oraz Iess, opierają się na związku, który badacze wcześniej odkryli, między masą pierścieni a ich wiekiem. Niższa masa wskazuje na ich młodszy wiek, ponieważ pierścienie początkowo zbudowane są z lodu i są jasne, a z czasem ulegają zanieczyszczeniu i ciemnieją wskutek oddziaływania z gruzem międzyplanetarnym.
„Powyższe pomiary były możliwe tylko dzięki temu, że sonda Cassini przeleciała tak blisko powierzchni w swoich ostatnich godzinach” mówi Militzer. „To był klasyczny, spektakularny sposób na zakończenie misji”.
Źródło: University of California-Berkeley
Artykuł naukowy: http://science.sciencemag.org/cgi/doi/10.1126/science.aat2965