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.
Wspieraj Puls Kosmosu na Patronite.pl
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