Необычайное полярное сияние генерируют ветры Сатурна

Сатурн уникален среди наблюдаемых на сегодняшний день планет тем, что некоторые из его полярных сияний генерируются закрученными ветрами в собственной атмосфере, а не только из окружающей магнитосферы планеты.

На всех остальных наблюдаемых планетах, в том числе и на Земле, полярные сияния формируются только мощными зарядами, поступающими в атмосферу планеты из окружающей магнитосферы. Они вызваны либо взаимодействием с заряженными частицами Солнца (как на Земле), либо вулканическим материалом, извергнутым с Луны, вращающейся вокруг планеты (как на Юпитере и Сатурне).

Это открытие меняет представление ученых о планетарных полярных сияниях и дает ответ на одну из первых загадок, поднятых зондом НАСА Кассини, который достиг Сатурна в 2004 году: почему мы не можем легко измерить продолжительность дня на кольцеобразной планете?

Впервые прибыв на Сатурн, Кассини попытался измерить общую скорость вращения планеты, которая определяет продолжительность ее дня, отслеживая «импульсы» радиоизлучения из атмосферы Сатурна. К большому удивлению проводивших измерения, они обнаружили, что скорость изменилась за два десятилетия с тех пор, как последний космический корабль, пролетевший мимо планеты, — «Вояджер-2 — в 1981 году.

Исследователь Нахид Чоудхури из Лестера, член Планетарной научной группы Школы физики и астрономии и автор исследования, опубликованного в Geophysical Research Letters, сказал:

«Внутренняя скорость вращения Сатурна должна быть постоянной, но в течение десятилетий исследователи показывали, что многочисленные периодические свойства, связанные с планетой — те измерения, которые мы использовали на других планетах для определения скорости внутреннего вращения, такие как радиоизлучение — имеют тенденцию к изменению со временем. Более того, в северном и южном полушариях наблюдаются также независимые периодические особенности, которые сами меняются в течение сезона на планете».

«Наше понимание физики недр планет говорит, что истинная скорость вращения планеты не может измениться так быстро, поэтому на Сатурне должно происходить что-то уникальное и странное, чтобы объяснить механизм/ы, лежащие в основе этих наблюдаемых изменений. Это исследование представляет собой первое обнаружение фундаментальной движущей силы, расположенной в верхних слоях атмосферы планеты, которая продолжает генерировать как наблюдаемые планетарные периодичности, так и полярные сияния».

«Волнующе получить возможность дать ответ на один из самых давних вопросов в нашей области. Это вызовет некоторое переосмысление того, как локальные атмосферные погодные эффекты на планете влияют на создание полярных сияний, не только в нашей Солнечной системе, но и дальше».

Астрономы и планетологи из Университета Лестера провели исследование вместе с коллегами из Лаборатории реактивного движения НАСА (JPL), Японского агентства аэрокосмических исследований (JAXA) и университетов Висконсин-Мэдисон, Бостон и Ланкастер, а также Имперский и Университетский колледжи в Лондоне, чтобы решить многолетний вопрос.

Они измерили инфракрасное излучение верхних слоев атмосферы газового гиганта с помощью обсерватории Кека на Гавайях и нанесли на карту различные потоки ионосферы Сатурна, расположенные намного ниже магнитосферы, в течение месяца в 2017 году.

Эта карта, совмещенная с известным импульсом радиополярных сияний Сатурна, показала, что значительная часть полярных сияний планеты создается вихревой структурой погоды в ее атмосфере и отвечает за наблюдаемую переменную скорость вращения планеты.

Исследователи полагают, что система управляется энергией термосферы Сатурна, а ветры в ионосфере наблюдаются со скоростью от 0,3 до 3,0 километров в секунду.

Доктор Том Сталлард, адъюнкт-профессор планетарной астрономии Лестерского университета, добавил: «Университет Лестера уже давно участвует в измерении последствий этого нового открытия — мы наблюдали, как пульсирующие полярные сияния и колеблющиеся силовые линии магнитного поля, уходящие в космос, подчеркивают очевидное изменение скорости вращения. В течение двух десятилетий наши исследователи вместе с более широким научным сообществом размышляли о том, что может быть движущей силой этих странных периодов».

На протяжении многих лет на научных собраниях велись ночные дискуссии о том, может ли быть причиной вулканическая луна Энцелад, или взаимодействие с плотной атмосферой спутника Титана, или взаимодействие с яркими кольцами Сатурна. Но в последнее время многие исследователи сосредоточились на возможности того, что причиной этой изменчивости являются верхние слои атмосферы Сатурна.

Поиск нового типа полярного сияния восходит к некоторым из самых ранних теорий о земном полярном сиянии. Теперь известно, что полярные сияния на Земле питаются от взаимодействия с потоком заряженных частиц, исходящих от Солнца. Но мне нравится, что название Aurora Borealis происходит от «Рассвета северного ветра». Эти наблюдения показали, что на Сатурне есть истинное северное сияние — первое в истории северное сияние, движимое ветрами в атмосфере планеты».

Доктор Кевин Бейнс, соавтор исследования из Лаборатории реактивного движения и Калифорнийского технологического института и член научной группы Кассини, добавил: «Наше исследование, убедительно определив происхождение загадочной изменчивости радиоимпульсов, устраняет большую часть путаницы в отношении скорости вращения Сатурна и продолжительности дня на Сатурне».

Из-за переменных скоростей вращения, наблюдаемых на Сатурне, ученые не могли использовать регулярные импульсы радиоизлучения для расчета общей скорости внутреннего вращения. К счастью, учеными «Кассини» был разработан новый метод с использованием вызванных гравитацией возмущений в сложной системе колец Сатурна, который теперь кажется наиболее точным средством измерения основного периода вращения планеты, который был определен в 2019 году как 10 часов 33 минуты и 38 секунд.

Статья была опубликована в Geophysical Research Letters.