Новые исследования показывают, что Сатурн, как и Юпитер, имеет “нечеткое” ядро, которое простирается на 60% пути до его поверхности. Это открытие вместе с другими меняет наше представление о формировании гигантов в нашей Солнечной системе и за ее пределами.
Сатурн дрожит, как тяжелое желе, его газовая поверхность вздымается на метр каждые пару часов. Эти тонкие толчки тянут кольца гиганта, поднимая спирали, которые показывают внутреннюю структуру планеты.
Теперь изучение спиралей колец показало, что Сатурн, как и Юпитер, имеет “нечеткое” ядро, которое простирается на 60% до его поверхности. Открытие, опубликованное 16 августа в журнале Nature Astronomy, полностью меняет наши представления не только о Сатурне, но и обо всех планетах-гигантах.
Астрономы давно обсуждают, как выглядят внутренности Сатурна: является ли ядро твердым или жидким? Это все перепутано или многослойно? И как планета генерирует магнитное поле, ось которого почти точно центрирована на оси вращения планеты — необычная вещь для планет, чьи магнитные поля происходят от вспенивания в ядре.
Для исследования этих идей астрономы использовали наблюдения за кольцами планеты с космического аппарата НАСА Cassini, который наблюдал за планетой в течение 13 лет. В то время как луны тянут за внешние кольца, сама планета тянет за внутренние кольца, формируя частицы льда в спирали.
Кассини не получал изображения кольцевых спиралей непосредственно; вместо этого астрономы использовали космический аппарат, чтобы смотреть сквозь кольца на фоновую звезду. Когда звезда проходила за заданным кольцом, приборы космического корабля измеряли, насколько звезда затуманилась, чтобы определить, насколько плотно упакован материал кольца. Используя множество таких звездных затмений, астрономы смогли измерить спирали в кольце С.
Однако астрономы в то время не могли понять всего того, что они видели. В частности, одна из волн имела очень низкую частоту, которую они не могли объяснить. Теперь Кристофер Манкович и Джим Фуллер (оба из Калтеха) утверждают, что эта частота указывает на дрожь, которая проникла глубоко в планету.
Такой низкочастотный колчан указывает на то, что нет твердой границы между ядром и огибающей вокруг него. Вместо этого камни и льды в ядре планеты “размазываются”, растворяются в жидком гелии и водороде под сильным давлением, объясняет Манкович.
“С точки зрения требований кольцевой сейсмологии, с одной стороны, и ожиданий физики материалов-с другой, твердое ядро Сатурна выглядит очень маловероятным”, — добавляет Манкович.
Объединив эти сейсмические данные с измерениями Кассини локальных гравитационных полей и компьютерными моделями недр Сатурна, исследователи пришли к выводу, что ядро планеты в 55 раз больше массы Земли, а скалы и лед составляют 17 земных масс (водород и гелий составляют остальное).
Чтобы сохранить устойчивость при хлюпании, весь этот материал должен быть слоистым, причем самые тяжелые слои находятся внизу.
“Водород и гелий на планете постепенно смешиваются со все большим количеством льда и камней по мере продвижения к центру планеты”, — говорит Манкович. “Это немного похоже на части земных океанов, где соленость увеличивается по мере того, как вы достигаете все более и более глубоких уровней, создавая стабильную конфигурацию”.
В дополнение к увеличению каменно-ледяной “соли” происходит также постепенное изменение смеси водорода и гелия. Когда Манкович и Фуллер сложили измерения гравитации Кассини, они увидели, что гелий также должен быть более сконцентрирован к центру Сатурна, что согласуется с предыдущими представлениями о “гелиевом дожде”, в котором капли гелия конденсируются из водорода и оседают к ядру.
Переосмысление гигантов
“Это очень интересный результат, который действительно меняет то, как мы думаем о Сатурне и планетах-гигантах в целом”, — говорит планетолог Равит Хеллед (Цюрихский университет), который не участвовал в исследовании.
Например, в одном из сценариев формирования планет газообразные водород и гелий накапливаются в скалистом ядре, образуя планеты, подобные Сатурну. Возможно, что скальное ядро затем распалось под давлением, рассеиваясь наружу в текущее размытое ядро — или, возможно, там никогда не было скального ядра.
Интерьер слоеного пирога Сатурна также влияет на его магнитное поле. На большинстве планет бурлящие электрические жидкости, создающие глобальные магнитные поля, находятся в ядре. Но если ядро Сатурна слоистое, оно не может быть и вспенивающимся. Вместо этого магнитное поле планеты должно было бы исходить из внешней газовой оболочки. — Это следует расследовать дальше,” — говорит Хеллед.
Результаты нового исследования выходят далеко за пределы Солнечной системы. Когда мы исследуем гигантские планеты вокруг других звезд, мы предполагаем, что понимаем гигантов нашей собственной системы. Хеллед считает, что это новое понимание внутренней части Сатурна также повлияет на то, как мы характеризуем экзопланеты.
