Saturns strålingsbælter:En fremmed for solvinden

Jordens og Saturns strålingsbælter adskiller sig stærkere end tidligere antaget. I disse bælter, meget energirige partikler, såsom elektroner og protoner, bevæge sig rundt på planeten med høje hastigheder - fanget af dens magnetfelt. I tilfældet med Jorden, solvinden, en strøm af ladede partikler fra Solen med varierende styrke, styrer intensiteten af ​​strålingsbæltet både direkte og indirekte. Saturns strålingsbælter, imidlertid, udvikles helt uafhængigt af solvinden og bliver i stedet afgørende påvirket af gaskæmpens måner. Disse resultater er offentliggjort i dag i tidsskriftet Nature Astronomy af en gruppe forskere fra Max Planck Institute for Solar System Research (MPS) i Tyskland, der er med til at lede den mest omfattende undersøgelse om emnet til dato. Nøglen til de nye resultater er målinger af MIMI-LEMMS-instrumentet ombord på NASAs Cassini-rumsonde, som udforskede Saturn-systemet i mere end 13 år, før det dykkede ned i planeten den 15. september i år.

Solens aktivitet – og med den solvindens styrke – følger en elleve-årig cyklus. At undersøge solvindens langsigtede indflydelse på en planets strålingsbælter kræver derfor tålmodighed – og rummissioner af betydelig længde. "Hvis Cassinis mission til Saturn -systemet var slut efter fire år, som oprindeligt planlagt, vi ville aldrig have været i stand til at opnå disse resultater, "forklarer Dr. Elias Roussos fra MPS. Heldigvis missionen blev forlænget flere gange. Magnetospheric Imaging Instrument (MIMI) med sin højenergipartikeldetektor (LEMMS) ombord på Cassini var derfor i stand til at registrere fordelingen af ​​ladede partikler i nærheden af ​​Saturn over en periode, der inkluderer en komplet solcyklus. "Sådanne omfattende in situ-data om strålingsbælterne på en planet er ellers kun tilgængelige for Jorden, " siger MPS-forsker Dr. Norbert Krupp, der leder MIMI-LEMMS-teamet.

Som data fra Cassini viser, Saturns protonstrålingsbælter er gigantiske:de når fra planetens inderste ring til månen Tethys kredsløb – og dermed mere end 285, 000 kilometer ud i rummet. En afgørende forskel til Jorden:mens vores måne er placeret langt ud over grænserne for magnetosfæren og strålingsbælterne, Saturns strålingsbælter indeholder flere af dens satellitter, såsom de store måner Janus, Mimas, og Enceladus. "Saturns måner påvirker strålingsbælterne afgørende, " siger Krupp. De fungerer som en slags grænsevæg på meget energirige partikler, især protoner. Eventuelle protoner, der diffunderer længere ind fra deres oprindelsessted, absorberes og stoppes således, når de interagerer med en måne. "Dette skaber områder i strålingsbæltet, som er fuldstændig isoleret fra hinanden, " siger Roussos. I modsætning til Saturn, partikler, der opstår uden for Jordens strålingsbælter, kan rejse indad og genopbygge dets indhold.

På jorden, de højenergipartikler, der danner strålingsbælterne, har to oprindelser. Nogle leveres direkte af solvinden. Andre stammer fra indfaldende protoner af ekstrem energi, der stammer fra vores galakse, kaldet galaktiske kosmiske stråler. Når galaktiske kosmiske stråler når planetens atmosfære, det sætter en kæde af reaktioner i gang, i slutningen af ​​hvilken højenergielektroner og protoner skabes. Da solvinden delvist skærmer og dermed modulerer denne kosmiske stråling, Solens aktivitet spiller også en afgørende rolle i denne proces.

I det saturnske system er dette anderledes. "I de første år af Cassini-missionen, vi observerede, at solvinden kunne forårsage dramatiske ændringer i Saturns magnetosfære, " siger Roussos. "Men, denne direkte indflydelse stoppede brat ved kredsløbet om månen Tethys. "

Alligevel, i første omgang tydede alt på, at solvinden stadig er med til at forme strålingsbælterne – om end indirekte:de første år af Cassini-missionen faldt sammen med et fald i Solens aktivitet; intensiteten af ​​strålingsbælterne steg som forventet. I perioden fra 2010 til 2012, imidlertid, der var et hurtigt intensitetsfald, der ikke kunne tilskrives solvindmodulationen af ​​galaktiske kosmiske stråler, som ændrer sig på meget længere tidsskalaer. Og også solstorme, voldsomme udbrud af partikler og stråling fra solen, kunne ikke have været ansvarlig. Mens sådanne begivenheder gang på gang forårsager et pludseligt fald i intensitet, omfattende simuleringer udført af forskerne viser, at denne effekt heller ikke kan forklare det årelange fald, som Cassini var vidne til.

Hellere, forskerne formoder, at ekstrem ultraviolet stråling fra Solen kan være ansvarlig. Denne stråling kan lokalt opvarme atmosfæren på en planet. De resulterende turbulente vinde overfører denne information til ionosfæren, som er "forankret" til magnetosfæren gennem planetens magnetfelt. Som resultat, protonerne i strålingsbælterne spredes meget mere effektivt end normalt. På vej, de støder på Saturns måner og absorberes:strålingsbælternes intensitet falder derved betydeligt. "Vi observerer, at intensitetsfaldet i Saturns protonstrålingsbælter falder nøjagtigt sammen med stærke ændringer i EUV-strålingen fra Solen, Roussos beskriver de nye resultater. Det er derfor muligt, at mens solvinden ikke har nogen indflydelse på strålingsbælterne, solen kan stadig.

"Vores analyser minder os også om, hvor stærkt strålingsbælternes egenskaber afhænger af strukturen i det særlige planetsystem, det er, positionen og antallet af måner for Saturns tilfælde", siger Roussos. Denne viden kunne også være nyttig for et blik ud over kanten af ​​solsystemet:hvis strålingsbælterne fra en exoplanet i fremtiden kunne detekteres, disse data kan også indirekte indeholde information om systemets egenskaber og struktur.