Overraskende kemisk kompleksitet af Saturns ringe skiftende planeter øvre atmosfære

Den politiske humorist Mark Russel jokede engang, "Den videnskabelige teori, jeg bedst kan lide, er, at Saturns ringe udelukkende består af tabt flybagage."

Godt, der er ingen bagage, det viser sig. Men en ny undersøgelse dukker op i Videnskab baseret på data fra de sidste kredsløb sidste år af NASAs Cassini-rumfartøj viser, at Saturns ringe - nogle af de mest visuelt overvældende objekter i universet - er langt mere kemisk komplicerede, end man tidligere har forstået.

Desuden, papiret viser, at den inderste D-ring af gasgiganten kaster støvkorn belagt med sin kemiske cocktail ind i planetens øvre atmosfære med en ekstraordinær hastighed, mens den snurrer. Over lange tidsrum, forskerne siger, at dette nedrivende materiale kan ændre kulstof- og iltindholdet i atmosfæren.

"Dette er et nyt element i, hvordan vores solsystem fungerer, sagde Thomas Cravens, professor i fysik og astronomi ved University of Kansas og medforfatter til det nye papir. "To ting overraskede mig. Den ene er den kemiske kompleksitet af, hvad der kom fra ringene - vi troede, at det næsten udelukkende ville være vand baseret på det, vi så tidligere. Den anden ting er den store mængde af det - meget mere end vi oprindeligt forventede. Kvaliteten og kvantiteten af ​​de materialer, ringene sætter i atmosfæren, overraskede mig."

Cravens er medlem af Cassini's Ion og Neutral Mass Spectrometer (INMS) team. Under Cassinis "Grand Finale" kastede sig ind i Saturns inderste ring og øvre atmosfære i 2017, massespektrometeret ombord på sonden udtog kemikalier i højder mellem Saturns ringe og atmosfæren.

Mere end blot vand, INMS fandt, at ringene var sammensat af vand, metan, ammoniak, carbonmonoxid, molekylært nitrogen og kuldioxid.

"Det, som papiret beskriver, er miljøet i mellemrummet mellem den indre ring og den øvre atmosfære, og nogle af de fundne ting var forventet, såsom vand, " sagde Cravens. "Det, der var en overraskelse, var, at massespektrometeret så metan - det havde ingen forventet. Også, det så noget kuldioxid, hvilket var uventet. Ringene menes at være helt vand. Men de inderste ringe er ret forurenede, det viser sig, med organisk materiale fanget i is."

Et yderligere nyt fund fra Cassinis massespektrometer viste, at store mængder af det kemiske bryg fra Saturns D-ring bliver slynget ind i planetens øvre atmosfære ved, at ringen drejer hurtigere end selve planetens atmosfære.

"Vi så, at det skete, selvom det ikke er fuldt ud forstået, ", sagde KU-forskeren. "Det, vi så, er dette materiale, inklusive noget rensebenzin, ændrede den øverste atmosfære af Saturn i ækvatorialområdet. Der var både korn og støv, der var forurenet.«

Cravens sagde, at fundene kunne kaste nyt lys over mekanismer, der ligger til grund for vores solsystem såvel som andre solsystemer og eksoplaneter - og også stille en lang række nye videnskabelige spørgsmål.

"Dette kunne hjælpe os med at forstå, hvordan får en planet ringe? Nogle gør, nogle gør ikke, " sagde han. "Hvad er levetiden for en ring? Og hvad fylder ringene op? Var der engang, hvor Saturn ikke havde ringe? Hvordan kom den sammensætning ind der i første omgang? Er det tilovers fra dannelsen af ​​vores solsystem? Dateres det tilbage til proto før-sol-tågen, nebulaen, der kollapsede ud af interstellare medier, der dannede solen og planeterne?"

Ifølge Cravens, den højere end forventet hastighed af materiale, der udstødes fra Saturns D-ring ind i planetens øvre atmosfære, eller ionosfæren, er tilstrækkeligt til, at astronomer nu tror, ​​at ringens levetid kan være kortere end tidligere anslået.

"På grund af disse data, vi har nu forkortet de indre ringes levetid på grund af mængden af ​​materiale, der flyttes ud - det er meget mere, end vi troede før, " sagde Cravens. Vi ved, at det støder materiale ud af ringene mindst 10 gange hurtigere, end vi troede. Hvis det ikke bliver genopfyldt, ringene holder ikke – du har et hul i din spand. Jupiter havde sandsynligvis en ring, der udviklede sig til den nuværende pjuskede ring, og det kan være af lignende årsager. Ringe kommer og går. På et tidspunkt dræner de gradvist væk, medmindre de på en eller anden måde får nyt materiale."

Assisteret af KU kandidat- og bachelorstuderende, en første fase af Cravens' arbejde involverede sortering og rensning af rådata fra Cassinis INMS-instrument.

"De rå data kom igennem fra vores instrument på Cassini til dybrumsantenner til NASA's Jet Propulsion Laboratory og derefter til computere på Southwest Research Institute i San Antonio, hvor Hunter Waite, den første forfatter, er baseret, " han sagde.

Men Cravens' vigtigste bidrag involverede at fortolke disse data med fokus på, hvordan materialer fra ringene ændrer Saturns ionosfære. Cravens og hans kolleger rapporterer, at tilstrømningen af ​​kemikalier fra ringene ændrer Saturns ækvatoriale ionosfæriske kemi ved at omdanne hydrogenioner og triatomiske hydrogenioner til tungere molekylære ioner, udtømmer planetens ionosfæriske tæthed.

"Min interesse var i ionosfæren, miljøet med ladede partikler, og det var det, jeg fokuserede på, " sagde Cravens. "Denne gunk, der kommer ind, tygger meget af ionosfæren op, påvirker dets sammensætning og forårsager observerbare effekter - det er det, vi forsøger at forstå nu. Dataene er klare, men forklaringer modelleres stadig, og det vil tage et stykke tid. Materialet kommer ind i Saturn med høje hastigheder, fordi ringene bevæger sig hurtigere end atmosfæren ganske lidt. Det falder ikke bare blidt ind. Den kommer flyvende derind som en satellit, der kommer ind på vores egen planet igen. Disse støvkorn bevæger sig med satellithastighed, aflejring af energi, der kan dissociere atmosfæren. Per atom, det er ret energiske ting på grund af hastighedsdifferentieringen mellem ringene og atmosfæren. Vi tror, ​​det kan opvarme den øvre atmosfære, ændre dens sammensætning."