Хаббл обнаружил, что кольца Сатурна нагревают его атмосферу

С помощью космического телескопа "Хаббл" и данных более ранних миссий выяснено, что огромная система колец Сатурна нагревает верхние слои атмосферы планеты-гиганта.

Это явление никогда ранее не наблюдалось в Солнечной системе, рассказывают в НАСА.

Это неожиданное взаимодействие между Сатурном и его кольцами потенциально может стать инструментом для предсказания того, есть ли у планет вокруг других звезд системы колец, такие удивительные как у Сатурна.

Свидетельством является избыток ультрафиолетового излучения, видимый как спектральная линия горячего водорода в атмосфере Сатурна. Всплеск излучения означает, что что-то загрязняет и нагревает верхние слои атмосферы извне.

На этом композитном изображении на Сатурне показан выпуклый участок спектральной линии Лайман-альфа - эмиссия водорода, которая является постоянным и неожиданным избытком. Кольца кажутся намного темнее тела планеты, поскольку они отражают гораздо меньше ультрафиолетового солнечного света. Над кольцами и темным экваториальным регионом участок Лайман-альфа имеет вид расширенной (30 градусов) широтной полосы, которая на 30 процентов ярче, чем окружающие регионы. Небольшая часть южного полушария видна между кольцами и экваториальной областью, но она более тусклая, чем северное полушарие. К северу от области выпуклости (правая верхняя часть изображения) яркость диска постепенно уменьшается по широте в направлении яркой области авроры, которая показана здесь для справки (масштаб не указан). Темное пятно внутри области авроры представляет собой след оси вращения планеты. Считается, что частицы ледяных колец, которые падают на атмосферу на определенных широтах, и сезонные эффекты вызывают нагрев атмосферы, что заставляет водород верхней атмосферы отражать больше солнечного света Лайман-альфа в области выпуклости. Credits: NASA, ESA, Lotfi Ben-Jaffel (IAP & LPL)

Наиболее вероятным объяснением является то, что нагрев вызван частицами ледяного кольца, которые падают на атмосферу Сатурна. Это может быть вызвано ударами микрометеоритов, бомбардировкой частицами солнечного ветра, солнечным ультрафиолетовым излучением или электромагнитными силами, поднимающими электрически заряженную пыль. Все это происходит под влиянием гравитационного поля Сатурна, притягивающего частицы к планете. Когда зонд "Кассини" погрузился в атмосферу Сатурна в конце своей миссии 2017 года, он измерил составляющие атмосферы и подтвердил, что многие частицы падают внутрь планеты из колец.

"Хотя медленный распад колец хорошо известен, его влияние на атомарный водород планеты является неожиданностью. Благодаря зонду "Кассини" мы уже знали о влиянии колец. Однако мы ничего не знали о содержании атомарного водорода", - говорит Лотфи Бен-Джаффель из Института астрофизики в Париже и Лунной и планетарной лаборатории Аризонского университета, автор статьи, опубликованной 30 марта в журнале Planetary Science.

"Все происходит благодаря частицам из колец, которые каскадом попадают в атмосферу на определенных широтах. Они модифицируют верхнюю атмосферу, изменяя ее состав", - говорит Бен-Джаффель. "Кроме того, происходят столкновения с атмосферными газами, которые, вероятно, нагревают атмосферу на определенной высоте".

Для вывода Бен-Джаффеля понадобилось собрать вместе архивные наблюдения в ультрафиолетовом (УФ) свете, полученные во время четырех космических миссий, изучавших Сатурн. Сюда входят наблюдения двух зондов "Вояджер", которые пролетали мимо Сатурна в 1980-х годах и измеряли избыток ультрафиолетового излучения. В то время астрономы признали эти измерения шумом в детекторах. Миссия "Кассини", которая прибыла к Сатурну в 2004 году, также собрала данные об ультрафиолетовом излучении атмосферы (в течение нескольких лет). Дополнительные данные поступили от Хаббла и Международного ультрафиолетового исследователя, запущенного в 1978 году, который представлял собой международное сотрудничество НАСА, Европейского космического агентства (ЕКА) и Совета по научным и инженерным исследованиям Соединенного Королевства.

Но оставался нерешенным вопрос, могут ли все эти данные быть иллюзорными, или же они отражают настоящее явление на Сатурне.

Ключ к разгадке был найден Бен-Джаффелем в решении использовать измерения, полученные с помощью Спектрографа визуализации космического телескопа (STIS) Хаббла. Его точные наблюдения Сатурна были использованы для калибровки архивных ультрафиолетовых данных всех четырех других космических миссий, наблюдавших Сатурн. Он сравнил УФ-наблюдения Сатурна, полученные с помощью STIS, с распределением света от нескольких космических миссий и инструментов.

"Когда все было откалибровано, мы ясно увидели, что спектры согласуются между всеми миссиями. Это стало возможным потому, что у нас есть одна и та же точка отсчета, полученная от Хаббла, относительно скорости передачи энергии из атмосферы, измеряемой в течение десятилетий", - говорит Бен-Джаффель. "Для меня это был настоящий сюрприз. Я просто построил график различных данных о распределении света вместе, а потом понял: вау - это одно и то же".

Четыре десятилетия данных об ультрафиолетовом излучении охватывают несколько солнечных циклов и помогают астрономам изучать сезонное влияние Солнца на Сатурн. Собрав все разнообразные данные вместе и откалибровав их, Бен-Джаффель обнаружил, что нет никакой разницы в уровне ультрафиолетового излучения. "В любое время, в любом положении на планете мы можем следить за уровнем ультрафиолетового излучения", - говорит он. Это указывает на постоянный "ледяной дождь" из колец Сатурна как на лучшее объяснение.

"Мы находимся только в самом начале изучения этого влияния характеристик колец на верхнюю атмосферу планеты. В конце концов мы хотим получить глобальный подход, который позволит получить реальные данные об атмосферах далеких миров. Одна из целей этого исследования - посмотреть, как мы можем применить его к планетам, вращающимся вокруг других звезд. Назовем это поиском экзоколец".

Космический телескоп "Хаббл" - это проект международного сотрудничества между НАСА и ЕКА. Управление телескопом осуществляет Центр космических полетов НАСА имени Годдарда в Гринбелте, штат Мэриленд. Научный институт космического телескопа (STScI) в Балтиморе осуществляет научные операции Хаббла. STScI управляется для НАСА Ассоциацией университетов для исследований в области астрономии в Вашингтоне, округ Колумбия.

.