De første resultater fra Cassinis sidste mission fase viser protoner af ekstreme energier mellem planeten og dens tætte ringe

For cirka et år siden, et spektakulært dyk ned i Saturn sluttede NASAs Cassini -mission - og med det en enestående, 13-årig forskningsekspedition til det saturniske system. I missionens sidste fem måneder, sonden kom ind på ukendt område igen:22 gange, den kastede sig ud i det næsten uudforskede område mellem planeten Saturn og dens inderste ring, D -ringen. På fredag, 5. oktober 2018, tidsskriftet Videnskab frigiver seks artikler, der beskriver de første resultater fra denne missionsfase.

I et af disse papirer, et forskerhold ledet af Max Planck Institute for Solar System Research i Tyskland og Applied Physics Laboratory ved Johns Hopkins University i USA rapporterer om de unikke protonstrålingsbælter dannet i umiddelbar nærhed af planeten. På grund af tilstedeværelsen af ​​den tætte A, B, og C -ringe, dette område er næsten fuldstændig afkoblet fra hovedstrålingsbæltet og resten af ​​magnetosfæren, som strækker sig længere udad.

Da rumsonden Cassini svingede ind i sin første bane omkring Saturn og dens ringe den 1. juli, 2004, Magnetospheric Imaging Instrument (MIMI) partikeldetektorsuite, herunder lavenergimagnetosfærisk målesystem (LEMMS), udviklet og bygget under ledelse af MPS, fik et kort glimt af regionen mellem planeten og den inderste D -ring. Målingerne indikerede, at der kan være en population af ladede partikler, men dens nøjagtige sammensætning og egenskaber forblev uklare. I de følgende år, MIMI-LEMMS undersøgte partiklerne, der er fanget af Saturns stærke magnetfelt uden for dets ringe, danner dets vigtigste strålingsbælte, der består af høj-energi protoner og elektroner. Protonstrålingsbæltet strækker sig mere end 285, 000 kilometer ud i rummet og er stærkt påvirket af Saturns mange måner, der opdeler det i fem sektorer. "Først 13 år senere, kort før missionens afslutning, vi fik mulighed for at følge op på vores allerførste målinger ved Saturn og se, om der findes en yderligere strålingsbæltsektor sammen med D-ringen og planetens øvre atmosfære, "forklarer Elias Roussos, forsker ved Max Planck Institute for Solar Systems hovedforfatter til den aktuelle undersøgelse.

Den 13 år lange tålmodighedstest har nu givet pote. I deres nuværende Videnskab artikel, forskerne tegner et omfattende billede af protonerne omkring Saturn i umiddelbar nærhed. To artikler i tidsskriftet Geofysiske forskningsbreve uddybe disse fund.

Ligner det vigtigste protonbælte i Saturn, protonerne, der befolker området tæt på planeten, genereres af indfaldende galaktisk kosmisk stråling. Når kosmisk stråling interagerer med materiale i Saturns atmosfære eller i dens tætte ringe, det udløser en kæde af reaktioner, der genererer højenergiprotoner, der efterfølgende fanges af planetens magnetfelt.

Saturns magnetfelt er mere end 10 gange stærkere nær planeten, end det er i hovedstrålingsbælterne. Det gør fangst så effektiv, at protoner kan forblive i årevis i den samme magnetfeltlinje. Det tvinger dem til kontinuerligt at interagere med D -ringen og den saturniske atmosfære og gradvist miste deres fulde energi. Men med densiteten af ​​den svage D -ring ukendt, det var uklart, hvor hurtigt dette energitab udvikler sig, og om et strålingsbælte kunne opretholdes. Teoretisk modellering indikerede, at et levedygtigt scenario kan være, at MIMI ikke måler andet end støj.

Det skete heldigvis ikke - i hvert fald for protoner. LEMMS -målinger afslørede en stabil ophobning af energiske protoner, der strækker sig fra atmosfæren i Saturn og over hele D -ringen. Den energi, som mange af disse protoner har, er ekstrem:mere end 10 gange højere end hvad LEMMS var designet til at måle. "Vi var nødt til at grave gamle mekaniske tegninger af instrumentet ud og konstruere nye modeller af det for at forstå, hvordan det ville måle i et så ekstremt miljø, "Tilføjer Roussos.

"Uden for D -ringen, Saturns A, B- og C -ringe er betydeligt tættere og støvere, danner en effektiv 62, 000 kilometer barriere til fangst af ladede partikler, "Roussos fortsætter. Det betød, at den ydre kant af D -ringen var så langt som dette nye protonbælte kunne strække sig - og LEMMS -målinger bekræftede det." Dette skaber et strålingsbælte, der er fuldstændigt isoleret fra resten af ​​magnetosfæren, "siger MPS -videnskabsmand Dr. Norbert Krupp, Hovedundersøger i MIMI-LEMMS-teamet og medforfatter af undersøgelsen i Videnskab .

Denne region er unik i solsystemet. Det giver mulighed for at undersøge et strålingsbælte under laboratorielignende forhold, da dets protoner er skabt af en meget stabil proces, styret og styret af Saturns stærke magnetfelt. I Saturns hovedstrålingsbælte og i strålingsbælterne på Jorden og Jupiter, disse betingelser er forskellige - og meget mere komplicerede. På Jorden, for eksempel, en variabel tilstrømning af højenergipartikler fra solen kan have en stærk indflydelse på strålingsbåndets struktur.

Lige så værdifuld er de nye oplysninger, LEMMS tilføjer om D -ringsystemet, som er for svag til at studere ved billeddannelse alene. Denne ring indeholder i alt tre smalle ringlets, alle lysere end resten af ​​ringen og navngivet som D68, D72 og D73. Mens protonernes intensitet blev reduceret med ringlets D68 og D73, ringlet D72, der ligger mellem dem, ser ikke ud til at have en effekt. "Selvom ringerne D72 og D68 er tilsvarende lyse, LEMMS -målinger viser os, at de faktisk skal være meget forskellige, "siger Roussos.

MIMI -målinger afslørede også en sekundær, lavere energi-protonstrålingsbælte i en højde under flere tusinde kilometer. Dette bælte dannes lejlighedsvis, når hurtige neutrale brintatomer skabt i Saturns magnetosfære bliver fanget nær planeten, når de påvirker dens atmosfære og bliver ladet. "Tilstedeværelsen af ​​dette bælte i lavere højde viser, at nogle minimale oplysninger fra Saturns variabel, fjern magnetosfære kan overføres på tværs af planetens tætte ringe, "Tilføjer Krupp.

I de 13 år, MIMI/LEMMS -instrumentet blev brugt på Saturn, den gennemførte en af ​​de mest omfattende undersøgelser af et andet planetarisk strålingsbælte end Jordens og hjalp endda med at opdage ukendte ringe. Et resumé af disse og yderligere opdagelser kan findes i bogen Saturn i det 21. århundrede , som udgives af Cambridge University Press i denne måned. Dr. Norbert Krupp fra MPS er blandt dets fire redaktører.