Тайна вращения Сатурна

Согласно новому исследованию, Сатурн может создавать небольшие электромагнитные колебания и изгибы, которые затрудняют попытки ученых определить, сколько времени требуется планете для вращения вокруг своей оси.

Обнаружение продолжительности суток на любой планете кажется простой задачей: найти какую-то особенность на планете и установить время, за которое она вращается один раз. Или, если это газовый гигант, такой как Юпитер, который не имеет твердых поверхностей, ученые могут прослушивать периодические модуляции интенсивности радиосигналов, создаваемых внутри вращающегося магнитного поля планеты.

И еще есть Сатурн, который десятилетиями не поддавался попыткам определить точный период вращения. Теперь новое исследование возможно, наконец раскрыло уловку газового гиганта для сокрытия своего вращения и предоставило ключ к раскрытию его секрета.

Новое исследование показывает, как сезонные изменения на Сатурне могут сбивать с толку попытки ученых рассчитать точный период его вращения.

Период вращения планеты является одним из фундаментальных фактов о планете, наряду с ее размером, составом, орбитальным периодом и другими фактами, которые не только описывают планету, но и помогают объяснить ее поведение, историю и даже дают ключи к ее формированию.

Сатурн излучает только низкочастотные радиосигналы, которые заблокированы атмосферой Земли, что затрудняет изучение вращения Сатурна с поверхности Земли. Напротив, Юпитер испускает радиосигналы на более высоких частотах, которые позволили радиоастрономам определять период его вращения до начала космической эры.

Только когда космические аппараты был отправлены к Сатурну, ученые смогли собрать данные о его вращении. Voyager 1 и 2 отправили на Землю первые данные о вращении Сатурна в 1980 и 1981 годах. Они обнаружили модуляцию интенсивности радиоизлучения, из которой можно было предположить, что планета вращается один раз каждые 10 часов и 40 минут.

Когда космический зонд Кассини прибыл на Сатурн 23 года спустя, чтобы изучить планету в течение 13 лет, он обнаружил нечто удивительное. «Примерно в 2004 году мы увидели, что период изменился на 6 минут, примерно на 1 процент», — говорят исследователи.

Но как целая планета меняет скорость своего вращения за 20 лет? Это такие изменения, которые занимают сотни миллионов лет. Еще более загадочным было обнаружение Кассини электромагнитных закономерностей, которые предполагали, что вращение планеты различно в северном и южном полушариях.

Чтобы выяснить, что на самом деле происходит, ученые начали с рассмотрения того, как Сатурн отличается от своего ближайшего брата, Юпитера.

«Что есть у Сатурна, чего нет у Юпитера, кроме явных колец?» Ответ: времена года. Ось Сатурна наклонена примерно на 27 градусов, аналогично наклону Земли на 23 градуса. Юпитер почти не наклоняется — всего 3 градуса.

Наклон означает, что северное и южное полушария Сатурна получают различное количество излучения от Солнца в зависимости от сезона. Различные дозы ультрафиолетового света воздействуют на разряженные атомы, называемые плазмой, на границе атмосферы Сатурна.

Согласно новой модели, предложенной исследователями, колебания ультрафиолетового излучения от лета к зиме в разных полушариях влияют на плазму, так что она создает большее или меньшее сопротивление на высотах, где она сталкивается с газовой атмосферой планеты.

Эта разница в сопротивлении заставляет атмосферу замедляться, что определяет период, видимый в радиосигналах. Измените плазму в зависимости от времени года, и вы измените период радиоизлучения, что видно на Сатурне.

Новая модель позволяет решить загадку невозможности изменения периодов вращения Сатурна. Это также показывает, что наблюдаемые периоды не являются периодом вращения ядра Сатурна, который остается неизмеренным.

E.L. Brooks et al. Saturn’s multiple, variable periodicities: A dual‐flywheel model of thermosphere‐ionosphere‐magnetosphere coupling, Journal of Geophysical Research: Space Physics (2019). DOI: 10.1029/2019JA026870