Сорок років Сатурн грав з нами в хованки. Вчені вимірювали його обертання і отримували різні цифри, ніби планета раптово прискорювалась чи гальмувала. Десятки років астрономи перевіряли прилади, перераховували розрахунки і ламали голови. Тепер телескоп Джеймса Вебба нарешті показав, що відбувалося насправді і відповідь виявилася красивішою, ніж будь-яка з гіпотез.
Загадка зародилася ще в минулому столітті, коли апарати Voyager пролітали повз кільцевого гіганта і фіксували його радіосигнали. Але особливо загострилася вона після запуску орбітального зонда Cassini у 2004 році. Дані зондів свідчили: швидкість обертання Сатурна змінюється з часом. Це було неможливо. Планети не прискорюють і не сповільнюють обертання просто так їхній момент імпульсу залишається стабільним протягом мільйонів років. Якщо Сатурн дійсно змінював швидкість, це суперечило фундаментальним законам фізики. Щось інше створювало цей ілюзорний ефект, і знайти це «щось» стало одним із головних викликів планетології.
У 2021 році команда під керівництвом професора Тома Стелларда з Університету Нортумбрії запропонувала сміливу гіпотезу. Вони довели: Сатурн насправді не змінює швидкість обертання. Замість цього електричні сигнали, пов’язані з полярним сяйвом планети, спотворювалися через вітри у верхніх шарах атмосфери. Ці вітри генерували електричні струми, які змінювали сигнал, за яким вчені вираховували період обертання. Це пояснило, чому різні інструменти давали різні результати вони фіксували не саме обертання планети, а рух атмосферних хвиль, замаскований під планетарний спін.
Але одне питання лишалося без відповіді.
Що саме породжувало ці атмосферні вітри?
Один день на Сатурні
Щоб знайти відповідь, Стеллард разом із колегами з Великої Британії та США звернулися до космічного телескопа Джеймса Вебба. Команда спостерігала за північним полярним сяйвом Сатурна безперервно протягом цілого сатурніанського дня майже десять з половиною годин за земним часом. За цей час планета зробила один повний оберт навколо своєї осі, і камери зафіксували все, що відбувалося у верхніх шарах її атмосфери.
Спостереження дали деталізацію, недоступну жодному попередньому інструменту. Вчені зосередилися на інфрачервоному випромінюванні молекули тригідридного катіона (H₃⁺) речовини, що утворюється у верхній атмосфері Сатурна і слугує природним індикатором температури. Ця молекула чутлива до найтонших теплових коливань і світиться саме в тому діапазоні, де JWST має неперевершену чутливість. Аналізуючи це світіння, дослідники створили найдетальніші на сьогодні карти температур та густини заряджених частинок у зоні полярного сяйва.
Точність зросла вражаюче. Раніше вимірювання мали похибку близько 50 градусів Цельсія, що робило неможливим відстеження тонких змін. Спостереження JWST були приблизно удесятеро точнішими. Вперше вчені побачили локальні патерни нагрівання та охолодження і зрозуміли, де шукати джерело енергії. На зображеннях чітко проступила асиметрична структура: одна сторона авроральної зони була помітно теплішою за іншу, і саме цей перекіс запускав величезні атмосферні потоки.
Планетарний тепловий насос
Нові дані майже ідеально збіглися з комп’ютерними моделями, створеними понад десять років тому. Але моделі працювали лише за однієї умови: джерело атмосферного нагрівання мало розташовуватися точно там, де найпотужніші частинки полярного сяйва входять у атмосферу Сатурна.
Результат виявився приголомшливим. Полярне сяйво Сатурна це набагато більше, ніж просто космічне світло-шоу для телескопів.
Енергія, що виділяється під час авроральних процесів, нагріває конкретні ділянки атмосфери. Нагрівання породжує вітри, які рухаються зі швидкістю сотень кілометрів на годину. Вітри створюють електричні струми. Ці струми живлять саме полярне сяйво, яке знову нагріває атмосферу і цикл замикається. Самопідтримуваний механізм, що працює мільярди років без зупинки, подібно до вічного двигуна, але цілком реального і законного з точки зору термодинаміки.
«Ми бачимо, по суті, планетарний тепловий насос. Полярне сяйво Сатурна нагріває його атмосферу, атмосфера породжує вітри, вітри створюють струми, які живлять сяйво і так далі. Система сама себе підживлює».
Так прокоментував відкриття провідний автор дослідження професор Том Стеллард. Його слова наведені у пресрелізі Університету Нортумбрії.
Дослідник додав:
«Десятиліттями ми знали, що зі швидкістю обертання Сатурна відбувається щось дивне, але не могли це пояснити. Потім ми показали, що це спричинено атмосферними вітрами, але досі не розуміли, чому ці вітри існують. Нові спостереження, зроблені завдяки JWST, нарешті дали нам докази, необхідні, щоб замкнути цей ланцюг».
Що це змінює
Відкриття може мати значення далеко за межами однієї планети. Дослідники знайшли докази тісного зв’язку між атмосферою Сатурна та його магнітосферою гігантською областю космосу, що формується навколо планети під впливом її магнітного поля. Ця область простягається на мільйони кілометрів і захищає Сатурн від сонячного вітру.
Активність у атмосфері впливає на стан магнітосфери, а магнітосфера повертає енергію назад у атмосферу. Цей постійний обмін пояснює, чому процес залишається стабільним протягом геологічних епох. Виявляється, планета це не статична куля, а живий організм, де кожен шар дихає в такт із сусіднім.
За словами вчених, подібні взаємодії можуть відбуватися й на інших планетах. Якщо атмосферні умови здатні генерувати струми, що виходять у навколишній космос, то вивчення стратосфер інших світів може відкрити взаємозв’язки, про які ми досі навіть не здогадувалися.
До списку потенційних кандидатів належать:
- Юпітер його полярне сяйво вивчають десятиліттями, і недавно розгадали загадку його рентгенівського випромінювання; атмосферні процеси там можуть бути ще потужнішими;
- Уран і Нептун крижані гіганти з потужними магнітними полями, про внутрішню динаміку яких ми знаємо обмаль; телескоп Вебба вже зробив вражаючі знімки Урана;
- Екзопланети гарячі юпітери, що обертаються навколо далеких зір, де атмосферні процеси можуть бути ще екстремальнішими, а магнітні поля сильнішими.
Як це працює
Щоб зрозуміти машину, яку побудувала природа, варто розглянути її деталі. Полярне сяйво на Сатурні виникає, коли заряджені частинки з магнітосфери падають у верхні шари атмосфери, збуджуючи молекули газу. Раніше вчені вважали це переважно оптичним явищем красивим, але пасивним.
Тепер з’ясувалося, що це термодинамічний двигун.
Частинки занурюються в атмосферу в певних ділянках і саме там відбувається локальне нагрівання до температур, значно вищих за оточення. Різниця температур між цими ділянками та навколишнім простором створює тискові градієнти. Вони запускають вітри, що тягнуться на сотні кілометрів і переносять тепло в більш холодні регіони. Рух іонізованого газу в магнітному полі породжує електричні струми. Ці струми замикаються через магнітосферу, повертаючись до зони полярного сяйва і підживлюють нові порції заряджених частинок, які знову падають у атмосферу.
Коло замкнулося. Планета дихає електрикою.
Команда за лаштунками
Дослідження стало результатом масштабної міжнародної співпраці. До нього долучилися вчені з Університету Нортумбрії, Бостонського університету, Лестерського університету, Аберіствітського університету, Редінзького університету, Імперського коледжу Лондона, Ланкастерського університету та Лабораторії прикладної фізики Університету Джонса Гопкінса. Фінансування надала Рада з наукових та технологічних установ Великої Британії (STFC).
Телескоп Джеймса Вебба проект NASA у партнерстві з Європейським космічним агентством (ESA) та Канадським космічним агентством (CSA). Його здатність спостерігати у інфрачервоному діапазоні з безпрецедентною роздільною здатністю дає змогу заглянути в найпотаємніші куточки Сонячної системи. Для Сатурна це означає, що ми більше не змушені гадати ми можемо бачити.
Результати опубліковані в журналі Journal of Geophysical Research: Space Physics.
Сатурн більше не обдуриш нас.
Але Всесвіт залишив собі ще тисячу таких загадок і ми лише починаємо їх розгадувати.
Про автора
