Телескоп Джеймс Уэбб разгадал загадку вращения Сатурна

Исследователи из Университета Нортумбрии во главе с профессором Томом Сталлардом использовали космический телескоп Джеймса Уэбба (JWST), чтобы раскрыть причину давней загадки Сатурна — кажущегося изменения скорости вращения планеты в зависимости от способа измерения. Ученые обнаружили, что полярное сияние Сатурна создает самоподдерживающуюся петлю обратной связи, нагревая атмосферу и генерируя ветры, которые производят электрические токи, питающие само сияние. Результаты исследования опубликованы в журнале Journal of Geophysical Research: Space Physics.

Загадка вращения Сатурна долгие годы ставила планетологов в тупик. Измерения, полученные с зонда НАСА «Кассини» в 2004 году, показывали, что видимая скорость вращения газового гиганта медленно меняется со временем. С точки зрения физики это невозможно: планета не может произвольно ускоряться или замедляться как единое целое. В 2021 году профессор Том Сталлард из Университета Нортумбрии уже сделал важный шаг, доказав, что наблюдаемые изменения на самом деле не связаны с истинным вращением Сатурна. Он показал, что иллюзия возникает из-за ветров в верхних слоях атмосферы, которые генерируют электрические токи, создающие вводящий в заблуждение сигнал полярного сияния. Однако тогда оставался открытым главный вопрос: что же вызывает сами эти ветры?

Новое исследование, проведенное международной группой ученых из Великобритании и США, наконец дало прямой ответ. Для этого команда использовала космический телескоп Джеймс Уэбб. Наблюдая за северной областью полярного сияния Сатурна (аналогом земного северного сияния) непрерывно в течение полных сатурнианских суток, исследователи получили данные беспрецедентной детализации. Ключевым объектом анализа стало инфракрасное свечение молекулы триводородного катиона, которая образуется в верхних слоях атмосферы Сатурна и работает как естественный термометр. Это позволило впервые составить карты высокого разрешения температуры и плотности частиц в области полярного сияния.

Точность новых измерений в десять раз превысила возможности предыдущих инструментов. Раньше погрешность составляла около 50 градусов Цельсия, что примерно равнялось тем самым различиям, которые ученые пытались уловить. Теперь же детализация стала настолько высокой, что команда смогла проследить мельчайшие закономерности нагрева и охлаждения. Исследователи обнаружили, что эти закономерности удивительно точно совпадают с компьютерными моделями, созданными более десяти лет назад, но только при одном условии: источник тепла должен располагаться именно там, где основные полярные сияния проникают в атмосферу. Это означало, что полярное сияние Сатурна — не просто красивое световое шоу, а активный механизм нагрева атмосферы в конкретной точке.

Профессор Том Сталлард так объяснил суть открытия: «По сути, мы наблюдаем планетарный тепловой насос. Полярное сияние Сатурна нагревает его атмосферу, атмосфера приводит в движение ветры, ветры создают течения, которые питают полярное сияние, и так далее. Система подпитывает себя сама». Другими словами, локальный нагрев от сияния порождает ветры, ветры генерируют электрические токи, ответственные за само сияние, а сияние снова нагревает атмосферу, замыкая петлю обратной связи.

Результаты имеют значение не только для Сатурна. Исследование показывает прямую двустороннюю связь между атмосферой планеты и ее магнитосферой — обширной областью космического пространства, формируемой магнитным полем. Энергия от атмосферных процессов влияет на условия в магнитосфере, а та, в свою очередь, возвращает энергию обратно в систему. Это объясняет, почему наблюдаемый эффект настолько стабилен и долговременен. Как подчеркнул Том Сталлард, если атмосферные условия планеты могут вызывать токи в окружающем космическом пространстве, то понимание стратосфер других миров может открыть взаимодействия, которые ранее даже не предполагались.

В итоге, используя телескоп Джеймс Уэбб, ученые впервые доказали, что кажущееся изменение скорости вращения Сатурна вызвано самоподдерживающимся циклом: полярное сияние нагревает атмосферу, порождая ветры и электрические токи, которые заново питают сияние. Этот планетарный тепловой насос окончательно объясняет давнюю загадку и показывает, как атмосфера и магнитосфера планеты могут влиять друг на друга, формируя устойчивую во времени систему.