Астрономія
Астрономія

Коливання кілець Сатурна викрили розміри та склад його ядра

Американські астрономи скористалися архівними даними апарата «Кассіні» та за впливом гравітаційного поля Сатурна на його кільця змогли уточнити розміри та масу ядра планети, і визначити його склад. Так з'ясувалося, що у газовій оболонці ховається ядро радіусом принаймні 60 відсотків від радіуса планети, яке все ж має у складі тверді кам'янисті породи. Про те як на слух за коливаннями кілець газового гіганта можна розкрити його будову, вчені повідомили у Nature Astronomy.

Caltech

Caltech

З чого збудований Сатурн?

Кам'янистим планетам як-то наша Земля або Марс вистачило температури, щоб за час свого формування пройти через процес гравітаційної диференціації та утворити шарувату структуру з найважчими елементами в ядрі і легшими матеріалами вище. Газових гігантів Сонячної системи планетологи також прагнуть «розшарувати» і тому вважається, що у центрі Сатурна та Юпітера знаходиться тверде ядро, яке оточене шаром рідкого металевого водню, за яким слідує шар газорідкої суміші молекулярного водню і гелію. Втім, на зображеннях Юпітера і Сатурна, отриманих телескопами і космічними зондами, видно тільки їхні зовнішні шари, тож дізнатися про їхні нутрощі складніше. Найкращим способом викрити внутрішню структуру планет-гігантів є вимірювання їхніх гравітаційних моментів, які описують, як маса планети реагує на своє обертання. Втім, гравітаційні поля своєю природою досить чутливі, тож мало допомогли у визначенні внутрішньої будови і Сатурна, і подібного йому Юпітера. Для Сатурна невизначеність гравітаційних моментів стала взагалі головним каменем спотикання планетологів, бо у ньому відбувається перерозподіл маси, яке змінює гравітаційне поле, і тим самим обмежує спроби виміряти масу і розмір ядра, що надзвичайно важливо для розуміння процесу утворення і еволюції планети. На Сатурні гравітаційне поле, виміряне космічним апаратом «Кассіні», ускладнюється значним внеском глибоких зональних вітрів, вклад яких складно відділити від інших гравіметричних даних.

Чому його кільця коливаються?

Головний дослідник Сатурна — апарат «Кассіні» — з 2013 року в одному з кілець планети, а конкретно у кільці С, почав помічати хвилі, викликані пульсаціями всередині Сатурна. На С-кільці побачили кілька спіральних візерунків, які здаються хвилями щільності, викликаними періодичними гравітаційними збуреннями. Але більшість цих хвилеподібних деталей не були розташовані поблизу будь-якого сильного резонансу з будь-якої відомого супутника планети, на відміну від подібних спостережень інших кілець, що наштовхнуло на думку, що це сама планета ділиться з кільцем гравітаційними хвилями (g-модами). Так єдиним варіантом лишилося, що це хвилі, захоплені з центру планети, що перетворило концентричні утворення на унікальну можливість отримати інформацію про внутрішню будову планети. За пульсаціями g-мод вчені помітили, що частина внутрішньої структури Сатурна поділена на складові шари — можна виділити кілька видів хвиль з подібними швидкостями і тим самим визначити елементи, що рухаються всередині планети. У своїй роботі планетологи Каліфорнійського технологічного інституту Крістофер Маньковіч (Christopher R. Mankovich) і Джим Фуллер (Jim Fuller) вирішили переглянути дані гранд фіналу «Кассіні», останніх чотирьох місяців роботи, та порівняти сучасні моделі будови Сатурна з гравітаційними і сейсмічними вимірами.

Головні кільця Сатурна. Mikerar329 / Wikimedia Commons

Головні кільця Сатурна. Mikerar329 / Wikimedia Commons

Що дізналися вчені?

На думку дослідників, єдиним поясненням даним може бути лише дифузійна та розшарована перехідна область ядро-оболонка Сатурна, що займає приблизно 60 відсотка радіуса планети. Тобто межа ядра і оболонки займає майже 60 тисяч кілометрів, або більш ніж у дев'ять разів більше радіуса Землі. Також спектр пульсацій в g-моді вказує на стійкий поділ між ядром і оболонкою з огляду на щільність багатого льодом і кам'янистими породами першого та поширеності водню у другій. Тобто вченим вдалося підрахувати, що приблизно третину ядра складають важкі елементи, що узгоджується із теоріями про формування планет. Також вони виявили, що градієнт гелію, відповідний поділу фаз водень-гелій близ газової оболонки, робить значний внесок у рухомість елементів у структурі Сатурна. Результати контрастують з більш концентрованими по центру розподілами важких елементів, передбаченими класичними моделями акреції ядра, замість цього підкреслюючи більш поступовий розподіл, передбачений сучаснішими моделями акреції. Втім, альтернативно вчені пропонують, що Сатурн міг утворитися з більш різкою межею поділу ядро-оболонка, яка з часом набула дифузійної структури, що спостерігається сьогодні, через змішування води, силікатів і заліза у рідкому металевому водні. Однак, на їхню думку, малоімовірно, щоб таким чином могла з'явитися композиційна стратифікація до 0,6 радіуса планети. Втім, незалежно від цього, вченим вдалося обмежити внутрішню будову Сатурна, визначитися зі структурою його ядра, та навіть пояснити дивно високу світність планети — вона також викликана дифузною природою ядра, що затримує темпи охолодження.

NASA, ESA, A. Simon (GSFC) and the OPAL Team, and J. DePasquale (STScI)

NASA, ESA, A. Simon (GSFC) and the OPAL Team, and J. DePasquale (STScI)

Сатурн має багато особливостей, що приваблюють вчених, але знаємо ми про нього набагато менше, за інші планети. Так лише нещодавно нам вдалося уточнити його початкову орбіту, побачити зміну пір року та пояснити нахил.