Кольца Сатурна помогли определить строение его ядра17 августа 2021
Обновлено 18 августа 2021
Точно так же, как землетрясения сотрясают поверхность нашей планеты, колебания внутри Сатурна слегка раскачивают газовый гигант. Эти движения, в свою очередь, вызывают волнообразные возмущения в кольцах Сатурна.
Наблюдая за этими волнами, ученые из Калифорнийского технологического института сумели измерить размер и форму ядра планеты - и оно оказалось намного больше и причудливее, чем считалось ранее.
По словам ученых, природа этих возмущений предполагает, что ядро, несмотря на колебания, состоит из стабильных слоев различной плотности. Более тяжелые материалы располагаются у центра планеты и не смешиваются с более легкими материалами ближе к поверхности.
В новом исследовании использовались данные зонда НАСА "Кассини", который обращался вокруг Сатурна и его спутников в течение 13 лет - с 2004 по 2017 год. В 2013 году удалось обнаружить, что внутреннее кольцо Сатурна, D-кольцо, колеблется таким образом, что это нельзя полностью объяснить гравитационным влиянием спутников планеты.
Авторы нового исследования сосредоточились на кольцах Сатурна, чтобы получить представление о происходящих внутри планеты процессах.
ЯдроОгромное ядро Сатурна составляет до 60% диаметра планеты. По-видимому, оно состоит из льда, твердых пород и газа, смешанных в жидкий "суп" с размытыми краями.
"Оно огромно, - говорит Крис Манкович из Калифорнийского технологического института, один из авторов нового исследования, опубликованного в журнале Nature Astronomy. - Это определенно не то, что мы ожидали найти".
Характеристики и размеры ядра Сатурна заставили ученых по-новому взглянуть на процессы, которые привели к образованию планеты и помогают ей генерировать свое удивительно однородное магнитное поле.
Для исследования внутреннего строения Сатурна ученые обратились к его кольцам. Они действуют как своего рода сейсмограф, регистрируя внутренние колебания и пульсации газового гиганта. Анализ этих возмущений позволил уточнить объем ядра Сатурна - примерно в 17 раз больше объема Земли, и выяснить, что это не компактная смесь камня и металла, как считалось ранее.
Теперь ученым предстоит понять, как планеты-гиганты могут дорастать до своих огромных размеров с такими подвижными ядрами. Более того, новая модель ядра Сатурна не укладывается в наши представления о том, как планета поддерживает свое загадочное магнитное поле.
КольцаКольца Сатурна вращаются вокруг планеты и издалека выглядят цельными. В действительности они состоят из множества ледяных осколков, некоторые размером с дома, другие меньше, чем галька. Их структура определяется гравитационным взаимодействием с планетой и ее лунами. Некоторые из этих лун "вырезают" пустоты в кольцах, другие ограничивают их рост и делают кольца похожими на, собственно, кольца - с ярко выраженными краями.
По кольцам также можно наблюдать за тем, что происходит внутри планеты. Обычно для этого ученые используют колебания гравитационного поля планеты, но с газовыми гигантами этот метод не работает. Кольца же, вернее, их колебания, дают возможность заглянуть под поверхность.
В начале 1990-х годов ученый-планетолог Марк Марли предположил, что возмущения во внутренней структуре Сатурна могут создавать наблюдаемую рябь в С-кольце планеты, представляющую собой широкое, но тусклое кольцо. Перемещающиеся относительно друг друга внутренности планеты заставляют ее пульсировать. Эти колебания взаимодействуют с кольцевыми частицами и формируют внутри С-кольца так называемые спиральные волны плотности, похожие на рябь на поверхности воды.
Все эти идеи "оказались стопроцентно правильными", говорит Манкович. Но для подтверждения предсказаний потребовалось два десятка лет и многомиллиардная космическая миссия.
КроносейсмологияВ 2013 году, изучая данные с зонда "Кассини", ученые обнаружили первые признаки сейсмических возмущений в кольцах и воспользовались этим, чтобы заглянуть внутрь планеты. Для описания этой новой области исследований был придуман термин "кроносейсмология". Ученым удалось связать большинство наблюдаемых волн с движением внутри планеты. В 2019 году с помощью методов кроносейсмологии удалось точно установить период обращения Сатурна: 10 часов 33 минуты.
Этих волн в кольцах Сатурна оказалось около двух десятков, что примерно соответствовало прогнозам. Но среди них оказалась как минимум одна "неучтенная", которую Манкович и его коллега Джим Фуллер использовали, чтобы заглянуть прямо в сердце Сатурна.
Объяснить происхождение этой дополнительной волны можно, только предположив наличие у Сатурна сложного по строению и неоднородного ядра, говорит сам Марли, который рецензировал работу Манковича и Фуллера.
Этот снимок зонд "Кассини" сделал в 2012 году.
С помощью этой "ряби" на кольцах Сатурна Манкович и Фуллер установили, что ядро занимает большую часть планеты. Вопреки ожиданиям ядро представляет собой диффузную жидкую смесь водорода, гелия, льда и горных пород, а не каменно-железный монолит. Если "разрезать" Сатурн пополам, отдельных слоев, как у луковицы или ядра Земли, увидеть не получится. Ядро Сатурна не имеет четкой границы, и чем ближе к его центру, тем плотнее материал.
При исключительно высоких температурах и давлении в ядре Сатурна газы ведут себя скорее как жидкие металлы, и ядро представляет собой смесь экзотических материалов, которые трудно воспроизвести в лабораториях на Земле. Манкович говорит, что полученная ими картина оказалась столь странной, что он и Фуллер поначалу попытались найти другое объяснение сейсмическим возмущениям в кольцах.
Новая модель ядра Сатурна, однако, прекрасно сочетается с огромным количеством предыдущих наблюдений за гравитационным полем планеты и перекликается с данными с космического зонда "Юнона", согласно которым ядро Юпитера тоже может представлять собой похожую диффузную смесь ингредиентов.
У Юпитера, однако, колец нет. "Придется взорвать одну из маленьких лун Юпитера, - шутит Марли, - чтобы создать кольцо, которое будет регистрировать пульсации его ядра".
ПроисхождениеКак считается, жизнь газового гиганта начинается с газопылевого облака, которое становится все более массивными и компактным, пока не подберет все близлежащие "стройматериалы". Но пока не ясно, может ли у планеты, появившейся таким образом, быть такое сложное ядро.
Возможно, ядро Сатурна за 4,5 миллиарда лет жизни медленно растворялось в жидком металлическом водороде или изменялось в ходе других, пока неизвестных процессов. "Мы пока просто этого не знаем", - говорит Манкович.
Другой сюрприз заключается в том, что, согласно выводам Манковича и Фуллера, ядро не является конвективным, что означает, что оно не переносит тепло, как ожидалось. Это может объяснить столь мощное излучение Сатурна в инфракрасном диапазоне. "Яркость Юпитера сегодня примерно такая же, как и должна быть спустя 4,5 миллиарда лет, но Сатурн слишком яркий, - говорит Марли. - Поскольку ядро не желает переносить тепло, оно замедляет охлаждение и становится ярче, чем должно быть".
Магнитное полеВ свою очередь, неконвективное ядро представляет собой серьезную проблему для понимания магнитного поля планеты. Обычно планетарные магнитные поля приводятся в действие "динамо-машиной" - вращающимся конвективным слоем электропроводящей жидкости глубоко внутри ядра планеты. Но, согласно новому исследованию, Сатурн с его неконвективным ядром, занимающим 60% планеты, на такое не способен. Ученые сейчас задаются вопросом, может ли тонкий слой жидкого металлического водорода создавать необходимые условия для возникновения магнитного поля внутри ядра или, возможно, в пограничном с ним слое.
Но даже эти гипотезы не в состоянии объяснить удивительно симметричное магнитное поле Сатурна, которое не похоже на наклонные и неправильные поля Земли и Юпитера. Сложные гипотезы, вроде гелиевого дождя, сглаживающего силовые линии магнитного поля, прежде чем они достигнут поверхности планеты, проблемы не решают.
Ответы на все эти вопросы потребуют тщательного изучения огромного количества информации, собранной зондом "Кассини", детального моделирования планетных недр с помощью суперкомпьютеров и наблюдений с помощью наземных телескопов. В будущем ученые смогут использовать эти методы для изучения колец других планет - Урана и Нептуна.
https://www.bbc.com/russian/features-58247921
