Астрономія
Астрономія

Дані останнього польоту «Кассіні» дозволили змоделювати надра Сатурна

Використовуючи дані про внутрішнє магнітне поле Сатурна, зібрані під час завершення місії «Кассіні», астрономи змогли змоделювати, як воно утворюється і які компоненти для цього потрібні. Вони виявили, що шар гелію, який не змішується з воднем, сягає на глибину близько 70% радіуса Сатурна. Стаття про це доступна у журналі AGU Advances.

Художнє зображення. «Кассіні» між кільцями Сатурна. NASA

Художнє зображення. «Кассіні» між кільцями Сатурна. NASA

У чому особливість магнітного поля і надр Сатурна?

Магнітне поле Сатурна вирізняється серед полів інших планет Сонячної системи за декількома характеристиками. Зокрема, воно надзвичайно симетричне відносно своєї осі, і такий рівень симетрії зазвичай не спостерігається при моделюванні магнітного динамо. Крім того, воно змінюється дуже повільно. Спостереження за останні 40 років демонструють, що за цей час зміни у магнітному полі Сатурна відбувалися принаймні на порядок повільніше, ніж у магнітного поля Землі. Це вказує на незвичайну динаміку в надрах Сатурна, яка може відрізнятися від динаміки інших планет.

Схема надр Сатурна. Частина b) демонструє ті шари, що використовувалися при моделюванні у дослідженні, а c) показує збурення теплового потоку в верхній частині шару випадання гелію. C. Yan, S. Stanley

Схема надр Сатурна. Частина b) демонструє ті шари, що використовувалися при моделюванні у дослідженні, а c) показує збурення теплового потоку в верхній частині шару випадання гелію. C. Yan, S. Stanley

Внутрішня структура Сатурна визначаються за допомогою досліджень його об’єму, гравітаційного поля, сейсмології кілець, теплового потоку та магнітного поля. Визначити, які щари існують у надрах планети, можна комбінуючи ці дані із даними щодо її складу. Експерименти демонструють, що Сатурн містить тверде або стабільно розшароване крижане чи кам'янисте внутрішнє ядро, над яким конвективний електропровідний металевий шар, багатий на водень, створює динамо. Цю область оточує ізолюючий атмосферний шар, що містить переважно молекулярний водень. Крім того, у надрах Сатурна гелій не змішується з воднем, коли тиск сягає одного мегабар. Це стається на глибині, що дорівнює приблизно 0,62 радіуса планети. У результаті гелій постійно випадає, утворюючи ще один шар над електроповідним шаром, який стримує конвекцію. При більш високих тисках гелій знову змішується з металевим воднем, забезпечуючи конвекцію та динамо у глибшій області. Однак де саме це відбувається, і яка товщина шару гелію, що випадає у надрах Сатурна, лишалося невизначеним.

Які дані дозволив отримати «Кассіні»?

У 2017 році апарат «Кассіні», що досліджував Сатурн, завершив свою місію, згорівши у атмосфері планети. Цей останній етап дістав назву Grand Finale (Великий фінал). Під час нього астрономи отримали унікальну можливість дослідити внутрішнє магнітне поле Сатурна. У новій роботі дослідники скористалися цими даними, щоб точніше змоделювати внутрішню структуру планети. Вони сфокусувалися на двох цілях: перевірці стабільності і товщини шару випадіння гелію, а також дослідженні термальних вітрів у цьому регіоні.

Про що дізналися астрономи?

Для того, щоб утворити спостережуване симетричне відносно осі магнітне поле, необхідний відносно товстий стійкий шар випадіння гелію з помірним рівнем розшарування. Дослідники визначили, що він може сягати на глибину до 70% радіусу Сатурна. Їхня модель демонструє збурення теплового потоку в верхній частині цього шару: він слабкий у екваторіальних областях та сильнішає у високих широтах.