Saturn traci swoje pierścienie w zastraszającym tempie

Wizja artystyczna przedstawiająca Saturna w ciągu najbliższych stu milionów lat. Wewnętrzne pierścienie znikną pierwsze opadając na planetę, stopniowo ciągnąc za sobą pierścienie zewnętrzne. Źrodło: NASA/Cassini/James O’Donoghue

Najnowsze badania potwierdzają, że Saturn traci swoje charakterystyczne pierścienie w maksymalnym tempie oszacowanym na podstawie pomiarów wykonanych kilkadziesiąt lat temu przez sondy Voyager 1 oraz 2. Pierścienie ściągane są grawitacyjnie na Saturna jako pyłowy deszcz cząsteczek lodu przy współudziale pola magnetycznego planety.

“szacujemy, że ten “deszcz z pierścieni” co pół godziny usuwa z pierścieni tyle wody ile potrzeba do wypełnienia basenu olimpijskiego” mówi James O’Donoghue z NASA Goddard Space Flight Center w Greenbelt w stanie Maryland. “Już przez to, cały system pierścieni może zniknąć w ciągu 300 milionów lat, ale jeżeli dodamy do tego zmierzone przez sondę Cassini  cząsteczki materii z pierścieni opadające na równik Saturna, to pierścienie mają przed sobą mniej niż 100 milionów lat. To stosunkowo niewiele biorąc pod uwagę wiek planety szacowany na nieco ponad 4 miliardy lat”. O’Donoghue jest głównym autorem artykułu opisującego pierścieniowe deszcze Saturna, który ukazał się dzisiaj, 17 grudnia 2018 r. w periodyku Icarus.

Naukowcy od dawna zastanawiali się czy Saturn powstał już z pierścieniami, czy też pojawiły się one na późniejszym etapie ewolucji planety. Najnowsze badania wspierają ten drugi scenariusz, wskazując, że nie mają one więcej niż 100 milionów lat, bowiem tylko potrzeba by pierścień C wyewoluował w to czym jest dzisiaj, zakładając, że kiedyś był równie gęsty co pierścień B. “Mamy szczęście żyć w czasach istnienia układu pierścieni, a nawet dokładnie w środku okresu jego istnienia. Z drugiej strony, jeżeli pierścienie istnieją tylko okresowo, być może ominęły nas czasy istnienia gigantycznych systemów pierścieni Jowisza, Urana i Neptuna, które dzisiaj mają tylko delikatne i słabe pierścienie”.

W kwestii pochodzenia pierścieni wysuwano wiele różnych teorii. Jeżeli planeta zyskiwała pierścienie na późniejszym etapie życia, mogły one powstać wskutek zderzenia małych lodowych księżyców krążących po swoich orbitach wokół Saturna. Do zderzenia mogło dojść na przykład wskutek perturbacji ich orbit po bliskim przejściu w ich pobliżu planetoidy czy komety.

Pierwsze informacje wskazujące na deszcze materii z pierścieni opadające na Saturna przesłały na Ziemię sondy Voyager w formie pozornie niezwiązanych ze sobą zjawisk: osobliwych wariacji w elektrycznie naładowanych górnych warstwach atmosfery planety (jonosfery), wariacjach gęstości pierścieni Saturna oraz trzech wąskich, ciemnych pasm wokół planety na północnej półkuli planety. Te ciemne pasma pojawiły się na zdjęciach górnych warstw atmosfery Saturna (stratosfery) wykonanych przez sondę Voyager 2 w 1981 roku.

W 1986 roku Jack Connerney z NASA Goddard opublikował artykuł w periodyku Geophysical Research Letters, który łączył te wąskie, ciemne pasma z kształtem potężnego pola magnetycznego Saturna, sugerując, że elektrycznie naładowane cząstki lodu z pierścieni Saturna spływają wzdłuż niewidocznych linii pola magnetycznego, zrzucając wodę w górne warstwy atmosfery Saturna, w miejscach gdzie owe linie wychodziły z planety. Dopływ wody z pierścieni, widoczny na określonych szerokościach, wymywał mgły stratosferyczne, powodując powstawanie ciemnych pasm widzianych na zdjęciach z Voyagera.

Pierścienie Saturna w dużej mierze składają się z brył lodu wodnego rozmiarów od mikroskopijnych ziaren pyłu do głazów o rozmiarach rzędu kilku metrów. Tworzące pierścienie cząsteczki krążą wokół planety przyciągane z jednej strony przez jej grawitację, a utrzymywane na orbicie dzięki swojej prędkości orbitalnej.  Drobne cząstki mogą zyskiwać ładunek elektryczny oddziałując z promieniowaniem ultrafioletowym ze Słońca lub z obłokami plazmy pochodzącymi z bombardowania pierścieni mikrometeoroidami. W niektórych częściach pierścieni, po zyskaniu ładunku elektrycznego, ten delikatny balans sił ulega zachwianiu i grawitacja Saturna ściąga cząstki lodu wzdłuż linii pola magnetycznego w górne warstwy jego atmosfery.

Gdy już tam dotrą, lodowe cząstki pierścieni odparowują, a woda reaguje chemicznie z jonosferą Saturna. Jednym ze skutków tego procesu jest wzrost długości życia elektrycznie naładowanych cząstek – jonów H3+, składających się z trzech protonów i dwóch elektronów. Wzbudzone promieniowaniem słonecznym, jony H3+ świecą w podczerwieni, co zaobserwował zespół O’Donoghue korzystający ze specjalnych instrumentów zamocowanych na teleskopie Keck na szczycie Mauna Kea na Hawajach.

Ich obserwacje odkryły świecące pasma na północnej i południowej półkuli Saturna, w miejscach gdzie linie pola magnetycznego przecinające płaszczyznę pierścieni wnikają w atmosferę planety. Badacze przeanalizowali to światło, aby określić ilość deszczu z pierścieni i jego wpływ na jonosferę Saturna. Okazało się, że ilość deszczu zaskakująco dobrze zgadza się ze zdumiewająco wysokimi wartościami wyprowadzonymi ponad trzydzieści lat temu przez Connerneya i jego współpracowników.

Źródło: NASA Goddard Space Flight Center

Artykuł naukowy: http://dx.doi.org/10.1016/j.icarus.2018.10.027

Author: Radek Kosarzycki

Niedoszły astronom. Prawie filolog. Aspołeczny popularyzator nauki. Kulturalny cham.