Saturn laver bølger i sine egne ringe

På samme måde som jordskælv får vores planet til at rumle, svingninger i det indre af Saturn får gasgiganten til at rykke lidt rundt. De bevægelser, på tur, forårsage krusninger i Saturns ringe.

I en ny undersøgelse accepteret i tidsskriftet Natur astronomi , to Caltech-astronomer har analyseret disse rislende ringe for at afsløre ny information om Saturns kerne. Til deres studie, de brugte ældre data fanget af NASAs Cassini, et rumfartøj, der kredsede om den ringmærkede kæmpe i 13 år, før det dukkede ind i planetens atmosfære og gik i opløsning i 2017.

Resultaterne tyder på, at planetens kerne ikke er en hård kugle af sten, som nogle tidligere teorier havde foreslået, men en diffus suppe af is, klippe, og metalliske væsker - eller hvad forskerne omtaler som en "fuzzy" kerne. Analysen afslører også, at kernen strækker sig over 60 procent af planetens diameter, hvilket gør det væsentligt større end tidligere anslået.

"Vi brugte Saturns ringe som en kæmpe seismograf til at måle oscillationer inde i planeten, " siger medforfatter Jim Fuller, adjunkt i teoretisk astrofysik ved Caltech. "Det er første gang, vi har været i stand til seismisk at undersøge strukturen af ​​en gasgigantisk planet, og resultaterne var ret overraskende."

"Den detaljerede analyse af Saturns rislende ringe er en meget elegant form for seismologi for at udlede karakteristika af Saturns kerne, " siger Jennifer Jackson, William E. Leonhard professor i mineralfysik i det seismologiske laboratorium ved Caltech, som ikke var involveret i undersøgelsen, men bruger forskellige typer seismiske observationer til at forstå sammensætningen af ​​Jordens kerne og for potentielt at opdage seismiske begivenheder på Venus i fremtiden.

Hovedforfatteren af ​​undersøgelsen er Christopher Mankovich, en postdoc-forsker i planetarisk videnskab, der arbejder i Fullers gruppe.

Resultaterne giver det bedste bevis endnu for Saturns uklare kerne og stemmer overens med nylige beviser fra NASAs Juno-mission, hvilket indikerer, at gasgiganten Jupiter også kan have en tilsvarende fortyndet kerne.

"De uklare kerner er som et slam, " forklarer Mankovich. "Brinten og heliumgassen i planeten blandes gradvist med mere og mere is og sten, mens du bevæger dig mod planetens centrum. Det er lidt ligesom dele af Jordens oceaner, hvor saltheden stiger, efterhånden som du kommer til dybere og dybere niveauer, skabe en stabil konfiguration."

Ideen om, at Saturns svingninger kunne lave bølger i dens ringe, og at ringene dermed kunne bruges som seismograf til at studere Saturns indre opstod først i undersøgelser i begyndelsen af ​​1990'erne af Mark Marley (BS '84) og Carolyn Porco (Ph.D. . '83), som senere blev leder af Cassini Imaging Team. Den første observation af fænomenet blev lavet af Matt Hedman og P.D. Nicholson (Ph.D. '79) i 2013, der analyserede data taget af Cassini. Astronomerne fandt ud af, at Saturns C-ring indeholdt flere spiralmønstre drevet af fluktuationer i Saturns gravitationsfelt, og at disse mønstre var forskellige fra andre bølger i ringene forårsaget af tyngdekraftens interaktioner med planetens måner.

Nu, Mankovich og Fuller har analyseret bølgemønstret i ringene for at bygge nye modeller af Saturns brusende indre.

"Saturn ryster altid, men det er subtilt, " siger Mankovich. "Planetens overflade bevæger sig omkring en meter hver til anden time som en langsomt rislende sø. Som en seismograf, ringene opfanger tyngdekraftsforstyrrelserne, og ringpartiklerne begynder at vrikke rundt, " han siger.

Forskerne siger, at de observerede gravitationsbølger indikerer, at Saturns dybe indre, mens de skvulper rundt som helhed, er sammensat af stabile lag, der er dannet efter tungere materialer sunket til midten af ​​planeten og holdt op med at blande sig med lettere materialer over dem.

"For at planetens gravitationsfelt kan svinge med disse særlige frekvenser, interiøret skal være stabilt, og det er kun muligt, hvis andelen af ​​is og sten gradvist øges, når du går ind mod planetens centrum, " siger Fuller.

Deres resultater indikerer også, at Saturns kerne er 55 gange så massiv som hele Jorden, hvoraf 17 jordmasser er is og sten og resten en væske af brint og helium.

Hedman, som ikke er en del af den aktuelle undersøgelse, siger, "Christopher og Jim var i stand til at vise, at et bestemt ringtræk gav stærke beviser på, at Saturns kerne er ekstremt diffus. Jeg er spændt på at tænke på, hvad alle de andre ringtræk, der er genereret af Saturn, kan være i stand til at fortælle os om den planet."

Ud over, resultaterne udgør udfordringer for de nuværende modeller for gasgigantdannelse, som holder, at stenede kerner dannes først og derefter tiltrækker store hylstre af gas. Hvis planeternes kerner virkelig er uklare, som undersøgelsen viser, planeterne kan i stedet inkorporere gas tidligere i processen.

Det Natur astronomi undersøgelse, med titlen, "En diffus kerne i Saturn afsløret af ringseismologi, " blev finansieret af The Rose Hills Foundation og Sloan Foundation.