Иллюстрация Сатурна и его «нечеткого» ядра. Предоставлено: Caltech / R. Hurt (IPAC)
Сатурн создает волны в собственных кольцах
Точно так же, как землетрясения вызывают грохот на нашей планете, колебания внутри Сатурн заставить газового гиганта чуть-чуть покачиваться. Эти движения, в свою очередь, вызывают рябь в кольцах Сатурна.
В новом исследовании, принятом в журнал Астрономия природы, два астронома Калифорнийского технологического института проанализировали эти колеблющиеся кольца, чтобы получить новую информацию о ядре Сатурна. Для своего исследования они использовали более старые данные, собранные НАСААвтора Cassini, космический корабль, который вращался вокруг окольцованного гиганта в течение 13 лет, прежде чем он нырнул в атмосферу планеты и распался в 2017 году.
Полученные данные предполагают, что ядро планеты - это не твердый каменный шар, как предполагали некоторые предыдущие теории, а диффузный суп из льда, горных пород и металлических жидкостей - или то, что ученые называют «нечетким» ядром. Анализ также показывает, что ядро простирается на 60 процентов диаметра планеты, что делает его значительно больше, чем предполагалось ранее.
«Мы использовали кольца Сатурна как гигантский сейсмограф для измерения колебаний внутри планеты», - говорит соавтор Джим Фуллер, доцент кафедры теоретической астрофизики в Калифорнийском технологическом институте. «Это первый раз, когда мы смогли сейсмически исследовать структуру газовой планеты-гиганта, и результаты были довольно неожиданными».
«Детальный анализ колеблющихся колец Сатурна - очень элегантная форма сейсмологии, позволяющая вывести характеристики ядра Сатурна», - говорит Дженнифер Джексон, профессор минеральной физики Уильяма Э. Леонхарда в сейсмологической лаборатории Калифорнийского технологического института. исследования, но использует различные типы сейсмических наблюдений, чтобы понять состав ядра Земли и потенциально обнаруживать сейсмические события на Venus в будущем.
Кристофер Манькович.
Ведущим автором исследования является Кристофер Манькович, научный сотрудник-исследователь в области планетологии, который работает в группе Фуллера.
Полученные данные являются лучшим доказательством нечеткого ядра Сатурна и согласуются с недавними данными миссии НАСА Juno, которые указывают на то, что газовый гигант Юпитер может также иметь аналогично разбавленную сердцевину.
«Нечеткие ядра похожи на отстой», - объясняет Манькович. «Газообразные водород и гелий на планете постепенно смешиваются со все большим и большим количеством льда и камней по мере того, как вы приближаетесь к центру планеты. Это немного похоже на части океанов Земли, где соленость увеличивается по мере того, как вы переходите все глубже и глубже, создавая стабильную конфигурацию ».
Идея о том, что колебания Сатурна могут создавать волны в его кольцах и что кольца, таким образом, могут использоваться в качестве сейсмографа для изучения внутренней части Сатурна, впервые возникла в исследованиях в начале 1990-х годов Марка Марли (BS '84) и Кэролайн Порко (PhD '83. ), который позже стал руководителем группы обработки изображений Cassini. Первое наблюдение этого явления было сделано Мэттом Хедманом и П.Д. Николсоном (доктор философии '79) в 2013 году, которые проанализировали данные, полученные Кассини. Астрономы обнаружили, что С-кольцо Сатурна содержит несколько спиральных узоров, вызванных колебаниями гравитационного поля Сатурна, и что эти узоры отличаются от других волн в кольцах, вызванных гравитационным взаимодействием с лунами планеты.
Теперь Манькович и Фуллер проанализировали структуру волн в кольцах, чтобы построить новые модели внутренней части Сатурна.
«Сатурн всегда дрожит, но неуловимо», - говорит Манькович. «Поверхность планеты движется примерно на метр каждые XNUMX-XNUMX часа, как медленно волнующееся озеро. Как сейсмограф, кольца улавливают гравитационные возмущения, и частицы кольца начинают раскачиваться », - говорит он.
Джим Фуллер.
Исследователи говорят, что наблюдаемая гравитационная рябь указывает на то, что глубокая внутренняя часть Сатурна, хотя и колеблется в целом, состоит из стабильных слоев, которые образовались после того, как более тяжелые материалы опустились к середине планеты и перестали смешиваться с более легкими материалами над ними.
«Чтобы гравитационное поле планеты могло колебаться с этими конкретными частотами, внутренняя часть должна быть стабильной, а это возможно только в том случае, если доля льда и горных пород постепенно увеличивается по мере того, как вы приближаетесь к центру планеты», - говорит Фуллер.
Их результаты также показывают, что ядро Сатурна в 55 раз массивнее всей Земли, из которых 17 масс Земли составляют лед и скалы, а остальное - жидкость из водорода и гелия.
Хедман, который не участвует в данном исследовании, говорит: «Кристофер и Джим смогли показать, что одна особенность кольца является убедительным доказательством того, что ядро Сатурна чрезвычайно размыто. Я с нетерпением жду возможности подумать о том, что все другие особенности кольца, созданные Сатурном, могут рассказать нам об этой планете ».
Кроме того, полученные данные бросают вызов существующим моделям образования газовых гигантов, которые утверждают, что сначала формируются скальные ядра, а затем притягиваются большие газовые оболочки. Если ядра планет действительно нечеткие, как показывает исследование, планеты могут вместо этого включать газ на более раннем этапе процесса.
Источник: «Диффузное ядро Сатурна, обнаруженное кольцевой сейсмологией» Кристофера Р. Маньковича и Джима Фуллера, 16 августа 2021 г., Астрономия природы.
DOI: 10.1038/s41550-021-01448-3
Ассоциация Астрономия природы Исследование под названием «Диффузное ядро Сатурна, обнаруженное кольцевой сейсмологией» финансировалось Фондом Роуз Хиллс и Фондом Слоуна.
