Габбл виявив, що кільця Сатурна нагрівають його атмосферу

За допомогою космічного телескопа "Габбл" та даних більш ранніх місій з′ясовано, що величезна система кілець Сатурна нагріває верхні шари атмосфери планети-гіганта.

Це явище ніколи раніше не спостерігалося в Сонячній системі, розповідають в НАСА.

Це несподівана взаємодія між Сатурном та його кільцями потенційно може стати інструментом для передбачення того, чи є у планет навколо інших зірок системи кілець, такі дивовижні як у Сатурна.

Свідченням є надлишок ультрафіолетового випромінювання, видимий як спектральна лінія гарячого водню в атмосфері Сатурна. Сплеск випромінювання означає, що щось забруднює та нагріває верхні шари атмосфери ззовні.

На цьому композитному зображенні на Сатурні показано випуклу ділянку спектральної лінії Лайман-альфа - емісію водню, яка є постійним і несподіваним надлишком. Кільця здаються набагато темнішими за тіло планети, оскільки вони відбивають набагато менше ультрафіолетового сонячного світла. Над кільцями та темним екваторіальним регіоном ділянка Лайман-альфа має вигляд розширеної (30 градусів) широтної смуги, яка на 30 відсотків яскравіша, ніж навколишні регіони. Невелику частину південної півкулі видно між кільцями та екваторіальною областю, але вона більш тьмяна, ніж північна півкуля. На північ від області опуклості (права верхня частина зображення) яскравість диска поступово зменшується за широтою в напрямку яскравої області аврори, яку показано тут для довідки (масштаб не вказано). Темна пляма всередині області аврори являє собою слід осі обертання планети. Вважається, що частинки крижаних кілець, які падають на атмосферу на певних широтах, і сезонні ефекти спричиняють нагрівання атмосфери, що змушує водень верхньої атмосфери відбивати більше сонячного світла Лайман-альфа в ділянці опуклості. Credits: NASA, ESA, Lotfi Ben-Jaffel (IAP & LPL)

Найімовірнішим поясненням є те, що нагрівання спричиняють частинки крижаного кільця, які падають на атмосферу Сатурна. Це може бути викликано ударами мікрометеоритів, бомбардуванням частинками сонячного вітру, сонячним ультрафіолетовим випромінюванням або електромагнітними силами, що підіймають електрично заряджений пил. Все це відбувається під впливом гравітаційного поля Сатурна, що притягує частинки до планети. Коли зонд "Кассіні" занурився в атмосферу Сатурна наприкінці своєї місії 2017 року, він виміряв складові атмосфери та підтвердив, що багато частинок падають всередину планети з кілець.

"Хоча повільний розпад кілець добре відомий, його вплив на атомарний водень планети є несподіванкою. Завдяки зонду "Кассіні" ми вже знали про вплив кілець. Однак ми нічого не знали про вміст атомарного водню", - каже Лотфі Бен-Джаффель з Інституту астрофізики в Парижі та Місячної й планетарної лабораторії Аризонського університету, автор статті, опублікованої 30 березня в журналі Planetary Science.

"Усе відбувається завдяки частинкам з кілець, які каскадом потрапляють в атмосферу на певних широтах. Вони модифікують верхню атмосферу, змінюючи її склад", - каже Бен-Джаффель. "Крім того, відбуваються зіткнення з атмосферними газами, які, ймовірно, нагрівають атмосферу на певній висоті".

Для висновку Бен-Джаффеля знадобилося зібрати разом архівні спостереження в ультрафіолетовому (УФ) світлі, отримані під час чотирьох космічних місій, що вивчали Сатурн. Сюди входять спостереження двох зондів "Вояджер", які пролітали повз Сатурн у 1980-х роках і вимірювали надлишок ультрафіолетового випромінювання. У той час астрономи визнали ці вимірювання шумом у детекторах. Місія "Кассіні", яка прибула до Сатурна 2004 року, також зібрала дані про ультрафіолетове випромінювання атмосфери (протягом кількох років). Додаткові дані надійшли від Габбла та Міжнародного ультрафіолетового дослідника, запущеного 1978 року, що являв собою міжнародне співробітництво НАСА, Європейського космічного агентства (ЄКА) та Ради з наукових та інженерних досліджень Сполученого Королівства.

Але залишалося невирішеним питання, чи можуть всі ці дані бути ілюзорними, або ж вони відображають справжнє явище на Сатурні.

Ключ до розгадки був знайдений Бен-Джаффелем у рішенні використати вимірювання, отримані за допомогою Спектрографа візуалізації космічного телескопа (STIS) Габбла. Його точні спостереження Сатурна були використані для калібрування архівних ультрафіолетових даних усіх чотирьох інших космічних місій, які спостерігали Сатурн. Він порівняв УФ-спостереження Сатурна, отримані за допомогою STIS, з розподілом світла від кількох космічних місій та інструментів.

"Коли все було відкалібровано, ми ясно побачили, що спектри узгоджуються між усіма місіями. Це стало можливим тому, що у нас є одна й та сама точка відліку, отримана від Габбла, щодо швидкості передавання енергії з атмосфери, вимірюваної протягом десятиліть", - каже Бен-Джаффель. "Для мене це був справжній сюрприз. Я просто побудував графік різних даних про розподіл світла разом, а потім зрозумів: вау - це одне й те саме".

Чотири десятиліття даних про ультрафіолетове випромінювання охоплюють кілька сонячних циклів і допомагають астрономам вивчати сезонний вплив Сонця на Сатурн. Зібравши всі різноманітні дані разом і відкалібрувавши їх, Бен-Джаффель виявив, що немає жодної різниці в рівні ультрафіолетового випромінювання. "У будь-який час, у будь-якому положенні на планеті ми можемо стежити за рівнем ультрафіолетового випромінювання", - каже він. Це вказує на постійний "крижаний дощ" з кілець Сатурна як на найкраще пояснення.

"Ми перебуваємо тільки на самому початку вивчення цього впливу характеристик кілець на верхню атмосферу планети. Зрештою ми хочемо отримати глобальний підхід, який дасть змогу отримати реальні дані про атмосфери далеких світів. Одна з цілей цього дослідження - подивитися, як ми можемо застосувати його до планет, що обертаються навколо інших зірок. Назвемо це пошуком екзокілець".

Космічний телескоп "Габбл" - це проєкт міжнародного співробітництва між НАСА та ЄКА. Управління телескопом здійснює Центр космічних польотів НАСА імені Годдарда в Грінбелті, штат Мериленд. Науковий інститут космічного телескопа (STScI) в Балтіморі здійснює наукові операції Габбла. STScI управляється для НАСА Асоціацією університетів для досліджень у галузі астрономії у Вашингтоні, округ Колумбія.

.