Хвилі у кільцях розкрили структуру ядра Сатурна

Точно так само, як землетруси спричиняють гул нашої планети, коливання у нетрях Сатурна змушують газового гіганта злегка похитуватися. Ці рухи, своєю чергою, викликають брижі в кільцях Сатурна.

Про це розповідається в пресрелізі Каліфорнійського технологічного інституту (Калтех).

У новому дослідженні, прийнятому на публікацію в журналі Nature Astronomy, два астрономи з Калтеху проаналізували ці сколихані кільця, щоб виявити нову інформацію про ядро Сатурна. Для свого дослідження вони використали старі дані, отримані "Кассіні" – космічним апаратом НАСА, який обертався навколо кільцевого гіганта протягом 13 років, перш ніж занурився в атмосферу планети та розпався у 2017 році.

Висновки свідчать про те, що ядро планети являє собою не тверду кам’яну кулю, як пропонували деякі попередні теорії, а дифузний суп з льоду, порід та металевих рідин – або те, що вчені називають "нечітким" ядром. Аналіз також показує, що ядро простягається на 60 відсотків діаметра планети, що робить його значно більшим, ніж вважалося раніше.

"Ми використовували кільця Сатурна як гігантський сейсмограф для вимірювання коливань всередині планети", - каже співавтор Джим Фуллер, доцент теоретичної астрофізики в Калтеху. "Це перший раз, коли нам вдалося сейсмічно дослідити структуру планети-газового гіганта, і результати були досить дивовижними".

"Детальний аналіз вкритих брижами кілець Сатурна є дуже елегантною формою сейсмології для визначення характеристик ядра Сатурна", - каже Дженніфер Джексон, професор кафедри мінеральної фізики у Сейсмологічній лабораторії Калтех, яка не брала участі в дослідженні, але використовує різні типи сейсмічних спостережень для розуміння складу ядра Землі та для потенційного виявлення сейсмічних подій на Венері в майбутньому.

Провідний автор дослідження – Крістофер Манкович, постдокторант, науковий співробітник у галузі планетарних наук, який працює у групі Фуллера.

Висновки дають найкращі докази існування у Сатурна нечіткого ядра та узгоджуються з останніми даними місії НАСА «Юнона», які вказують на те, що газовий гігант Юпітер також може мати аналогічно розведене ядро.

"Нечіткі ядра схожі на мул", - пояснює Манкович. "Гази водень та гелій у планеті поступово змішуються з дедалі більшою кількістю льоду та породи у міру просування до центру планети. Це трохи нагадує частини земних океанів, де солоність зростає у міру просування до все більш глибоких рівнів до створення стабільної конфігурації".

Ідея про те, що коливання Сатурна можуть створювати хвилі в його кільцях і що таким чином кільця можуть бути використані як сейсмограф для вивчення надр Сатурна, вперше виникла в дослідженнях на початку 1990-х років Марка Марлі (BS ′84) та Керолін Порко (Ph.D. ′83), яка згодом стала лідером команди візуалізацій Кассіні. Перше спостереження за цим явищем зробили Метт Хедман та П.Д. Ніколсон (Ph.D. ′79) у 2013 році, які проаналізували дані, взяті Кассіні. Астрономи виявили, що C-кільце Сатурна містить безліч спіральних структур, обумовлених коливаннями гравітаційного поля Сатурна, і що ці структури відрізняються від інших хвиль у кільцях, викликаних гравітаційною взаємодією зі супутниками планети.

Тепер Манкович та Фуллер проаналізували структуру хвиль у кільцях, щоб побудувати нові моделі розхлюпаних нутрощів Сатурна.

"Сатурн завжди тремтить, але це ледь помітно", - каже Манкович. "Поверхня планети переміщується приблизно на метр кожні одну-дві години, як озеро з повільними хвилями. Подібно сейсмографу, кільця вловлюють гравітаційні порушення, і частинки кілець починають хитатися", - говорить він.

Дослідники кажуть, що спостережувані гравітаційні брижі вказують на те, що глибокі надра Сатурна, хоча в цілому й переміщуються, складаються зі стабільних шарів, які утворилися після того, як важчі матеріали опустилися на середину планети та перестали змішуватися з більш легкими матеріалами над ними.

"Для того, щоб гравітаційне поле планети коливалося конкретно з цими частотами, внутрішня частина повинна бути стабільною, і це можливо лише в тому випадку, якщо частка льоду та порід поступово збільшується у міру наближення до центру планети", - говорить Фуллер.

Їхні результати також вказують на те, що ядро Сатурна в 55 разів масивніше за всю Землю, з них 17 мас Землі складають лід та породи, а решта – рідина з водню та гелію.

Хедман, який не є учасником поточного дослідження, каже: "Крістоферу та Джиму вдалося продемонструвати, що одна особливість кілець є вагомим доказом того, що ядро Сатурна надзвичайно дифузне. Мені захопливо подумати про те, що можуть розповісти нам про цю планету всі інші риси кілець, генеровані Сатурном".

Крім того, отримані результати кидають виклик сучасним моделям формування газових гігантів, згідно з якими спочатку утворюються кам’янисті ядра, а потім залучаються великі газові оболонки. Якщо ядра планет дійсно нечіткі, як показує дослідження, то планети можуть включати газ на більш ранніх стадіях.

Дослідження у Nature Astronomy під назвою "Дифузне ядро Сатурна, виявлене за допомогою кільцевої сейсмології", профінансовано Фондом Роуз-Гіллс та Фондом Слоуна.

! Читайте ще цікаві новини про космос на сайті, або слідкуйте за ними на Facebook.