Используя архивные данные и наблюдения телескопа «Хаббл» астроном-ветеран сделал интересное открытие, которое 40 лет было на виду и не привлекло к себе внимания. В своей работе он показал, что кольца Сатурна заставляют атмосферу планеты нагреваться. Такое явление никогда ранее не наблюдалось в Солнечной системе, и оно даёт в руки учёных инструмент для поиска колец у экзопланет в иных звёздных системах.

Источник изображения: NASA, ESA, Lotfi Ben-Jaffel (IAP & LPL)

О влиянии частиц колец на верхние слои атмосферы Сатурна в своё время сообщили данные с зонда «Кассини». В конце свей миссии в 2017 году зонд погрузился в атмосферу Сатурна и измерил её составляющие. Данные подтвердили, что многие частицы падают внутрь планеты из колец, но их влияние оставалось неизвестным. Забавно, но воздействие частиц колец на атмосферу Сатурна зафиксировала ещё пара зондов «Вояджер» 40 лет назад, когда пролетала мимо этой планеты. Но тогда учёные сочли сигналы на детекторах помехой и не придали им значение.

Разобраться в вопросе помогли свежие наблюдения за Сатурном с помощью спектрографа телескопа «Хаббл». Целью наблюдений были спектральные линии горячего атомарного водорода в атмосфере планеты. По яркости этих линий можно судить об интенсивности нагрева атмосферы и она явно превышала уровень нагрева от Солнца. Что-то ещё разогревало атмосферу и с явным избытком энергии.

Данные с «Хаббла» помогли откалибровать «шум» в измерениях «Вояджеров», информацию с «Кассини» и данные со старого орбитального телескопа International Ultraviolet Explorer, запущенного ещё в 1978 году и давно выведенного из эксплуатации. Обнаружилось, что избыток ультрафиолета в излучении атмосферы Сатурна присутствовал во всех данных независимо от времени года, орбитального положения Сатурна и активности Солнца. Логичным объяснением этому может быть только одно — частички колец падают в атмосферу и нагревают её, уверен сделавший открытие астрофизик Лотфи Бен-Джаффель (Lotfi Ben-Jaffel) из Института астрофизики в Париже и Лунной и планетарной лаборатории Аризонского университета, автор статьи, опубликованной 30 марта в журнале Planetary Science.

«Мы находимся только в самом начале изучения этого влияния характеристик колец на верхнюю атмосферу планеты. В конечном итоге мы хотим получить глобальный подход, который позволит получить реальные данные об атмосферах далеких миров, — говорит автор. — Одна из целей этого исследования — посмотреть, как мы можем применить его к планетам, вращающимся вокруг других звезд. Назовем это поиском "экзо-колец"».

Группа учёных из Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе создала модель, которая показывает возможные пути распространения геологических и биологических образцов из недр и океана ледяного спутника Сатурна Энцелада. Модель объясняет образование кольца E вокруг Сатурна и обещает более простые поиски биологической жизни под многокилометровым ледяным панцирем Энцелада.

Энцелад в кольце E Сатурна. Источник изображения: NASA/JPL/Space Science Institute)

Посетившая систему Сатурна межпланетная автоматическая станция «Кассини-Гюйгенс» среди прочих исследований сделала физико-химический анализ кольца E вокруг Сатурна, которое, как считается, в основном состоит из вещества, выброшенного из недр спутника Сатурна Энцелада. Об этом говорят размеры зёрен и химический состав вещества — кремнезём. Но как оно туда попадает, исходя из недр Энцелада, проходя 10-км толщу воды подлёдного океана и преодолевая 20-км ледяной щит подповерхностного океана, доподлинно неизвестно.

Предложенная учёными модель объясняет физику процесса, во-первых, гравитационным влиянием Сатурна на Энцелад, во-вторых, геологическими процессами на Энцеладе и, в-третьих, физическими процессами в его океане.

Поскольку орбита Энцелада не круговая, а эллиптическая, приливные силы деформируют ядро луны, порождая трещины и выход тепла ядра через них в океан. Тем самым происходит выброс частиц кремнезёма в толщу воды, где они вместе с возможным биологическим материалом подхватываются конвекционными потоками и возносятся к поверхности. Подчеркнём, всё это описано не словами, а математической моделью, имитирующей настоящие физические процессы с высокой точностью.

Через трещины во льдах минеральные образцы со дна Энцелада и возможные образцы биологической жизни выбрасываются гейзерами на поверхность и в космическое пространство луны. Аналогичные процессы наблюдаются в земных условиях и хорошо изучены на примере геотермальных источников, где, кстати, полно жизни даже в отсутствии солнечного света. Всё это по аналогии позволяет надеяться найти биологическую жизнь также и на Энцеладе или на другой из лун Сатурна или Юпитера с похожими условиями.

Проект посадочного зонда NASA для изучения спутника Сатурна Титана. Источник изображения: Johns Hopkins/APL

Самое замечательное во всей этой истории, что для поиска признаков жизни на ледяных лунах не нужно готовить невообразимую по сложности экспедицию с бурением десятков километров льда и погружением в океан и на его дно. Признаки жизни на Энцеладе будут везде на её поверхности, для нахождения которых будет достаточно сравнительно простого спускаемого аппарата. И такие аппараты уже проектируются, но это уже другая история.

Впервые загадочные радиальные образования на кольцах Сатурна чётко зафиксировали космические аппараты «Вояджер», посетившие систему Сатурна в 80-х годах прошлого века. С тех пор учёные пытаются разгадать загадку образования «спиц» и не могут положить конец научному спору об этом явлении. Мешает внести ясность сезонность явления, которое длится 7 лет из 30 во время полного оборота Сатурна вокруг Солнца.

Слева на кольцах видны тёмные пятна — это те самые спицы. Источник изображения: NASA, ESA и Amy Simon (NASA-GSFC);

В северном полушарии Сатурна весеннее равноденствие наступит 6 мая 2025 года. Возникновение спиц на кольцах планеты-гиганта ранее наступало за несколько лет до дня равноденствия и длилось несколько лет после него. Тем самым учёным можно приступать к наблюдению этого редкого явления, для чего в программе «Хаббла» предусмотрены соответствующие окна. И первые снимки спиц в новом цикле этот космический телескоп уже получил, о чём сообщили в NASA.

Новые наблюдения будут объединены с предыдущими наблюдениями зонда «Кассини». Эта межпланетная станция с относительно близкого расстояния наблюдала кольца Сатурна по 2017 год включительно. Последнее равноденствие Сатурна произошло в 2009 году, что позволило зонду собрать ценную информацию по спицам — светлым или тёмным (в зависимости от угла обзора) радиальным образованиям в области колец, отдалённо напоминающим спицы в колесе.

По мере приближения весеннего равноденствия в северном полушарии Сатурна его кольца всё сильнее наклоняются к Солнцу. К моменту летнего или зимнего солнцестояния, когда Солнце находится на максимально высокой или низкой широте спицы исчезают. Предполагаемая причина возникновения спиц — это переменное магнитное поле планеты. Поле взаимодействует с солнечным ветром, что создаёт электрически заряженную среду. На Земле, например, это ведёт к возникновению северного сияния.

Заряженная среда в области колец Сатурна может заставлять мельчайшие частицы колец взлетать над кольцами, временно и материально обозначая силовые линии магнитного поля планеты. Это делает их видимыми на фоне колец из более крупных глыб. Свет и тень сильнее подчёркивают эффект отделения, что позволит «Хабблу» лучше рассмотреть это явление и, быть может, поставить точку в вопросе о его происхождении и механизмах.

Спутник Сатурна под именем Мимас, возможно, генерирует достаточное количество тепла для поддержания существования водяного океана под его ледяной поверхностью. Недавнее моделирование ударного кратера Гершель — самого заметного объекта на поверхности спутника, а также отсутствие на объекте тектонической активности поддерживает теорию о существовании геологически молодого внутреннего океана, окружённого относительно тонкой ледяной «скорлупой».

Источник изображения: NASA

К соответствующим выводам пришли исследователи Юго-Западного исследовательского института (SwRI) в Сан-Антонио (Техас, США). Учёные сообщили, что в последние дни миссии Кассини у Сатурна космический аппарат зафиксировал любопытную либрацию — колебание характеристик вращения Мимаса, что часто свидетельствует о наличии геологической активности, способной поддерживать существование внутреннего океана.

Впрочем, несмотря на эти колебания, испещрённая кратерами поверхность Мимаса сначала заставила учёных рассматривать луну только как кусок льда, поскольку прочие океанические миры вроде Энцелада с его гейзерами или другие луны Сатурна, обычно демонстрируют разные признаки геологической активности. У Мимаса они отсутствуют.

Мимас казался маловероятным кандидатом на наличие океана, поскольку его замёрзшая поверхность с одним огромным ударным кратером не позволяла предполагать о наличии такой активности. Другими словами, если на Мимасе всё-таки есть жидкая вода, речь идёт о новом классе — «стелс-океане», никак не проявляющем себя.

Но, когда учёные моделировали формирование ударного кратера Гершель, они установили, что ледяная оболочка на момент удара должна была бы быть как минимум 55 км толщиной. Тем временем наблюдения и моделирование свидетельствуют, что сейчас её толщина составляет менее 30 км. Другими словами, внутренний океан потеплел и расширился с тех пор, как произошёл удар. Более того, форма кратера соответствовала моделям только при учёте возможного существования внутреннего океана. По мнению учёных, новые модели ставят под сомнение современное понимание термоорбитальной эволюции.

Как заявляют исследователи, если Мимас получит статус луны с внутренним океаном, это позволит оценить модели его формирования и эволюции, что поможет лучше понять природу колец Сатурна и лун среднего размера, а также оценить распространённость океанических лун, в частности, у Урана. Мимас является привлекательной целью для дальнейшего изучения.

Результаты исследований опубликованы в журнале Geophysical Research Letters 26 декабря.

NASA показали снимки облаков и атмосферы спутника Сатурна Титана, сделанные космическим телескопом «Джеймс Уэбб», которые позволят лучше изучить его атмосферу. Этот спутник является одним из самых интересных объектов в Солнечной системе. Зелёно-голубой окрас объекта напоминает Землю, и это единственное место в Солнечной системе помимо нашей планеты, в котором существуют моря, реки и озёра, только вот состоят они не из воды.

Источник изображения: NASA

Единственный мир в Солнечной системе помимо Земли, имеющий плотную атмосферу, также является и единственным планетарным телом в звёздной системе помимо нашей планеты, наделённым морями, реками и озёрами, только состоящими из жидких метана и этана. При этом атмосфера Титана заполнена густым туманом, скрывающим видимый свет, отражающийся от поверхности, что затрудняет изучение спутника, но для «Джеймса Уэбба» это не помеха.

По данным NASA, учёные годами ждали возможности использовать инфракрасные приборы «Джеймса Уэбба» для изучения атмосферы Титана, включая её удивительные погодные условия и газовый состав. Атмосфера Титана чрезвычайно интересна не только из-за метановых облаков и бурь, но и потому, что она может рассказать о прошлом Титана, включая то, всегда ли луна Сатурна имела атмосферу вообще.

Изучив изображения, снятые камерой NIRCam в ближнем инфракрасном диапазоне, учёные смогли установить, что яркое пятно в северном полушарии Титана фактически является большим облаком, а вскоре было обнаружено и второе облако. Выявление облаков является важным событием, поскольку подтверждает прежние компьютерные модели климата Титана, согласно которым облака формируются в середине северного полушария в конце лета, когда поверхность прогрета Солнцем.

Источник изображения: NASA

Позже учёные решили выяснить, двигались ли облака и меняли ли форму — это могло бы помочь изучить движение атмосферы на этой луне. Специалисты NASA связались с наземной Обсерваторией Кека на Гавайях, которая и подтвердила наличие облаков, к тому времени изменивших форму. Эксперты по моделированию атмосферных процессов не смогли подтвердить, что обнаруженные в разные дни облака — одни и те же, зато факт их присутствия служит подтверждением сезонности погодных изменений.

Дополнительно команда получила данные от спектрографа ближнего ИК-диапазона NIRSpec, получающего данные об излучении, недоступном для наземных обсерваторий из-за влияния земной атмосферы. Данные, которые всё ещё анализируются, позволят узнать о составе нижних слоёв атмосферы Титана и его поверхности, а также о том, чем является яркое пятно над южным полюсом.

В мае или июне 2023 года должны появиться дополнительные данные от NIRCam и NIRSpec, а также первые данные от инструмента среднего инфракрасного диапазона MIRI, все они установлены на «Джеймс Уэбб». Данные MIRI позволят изучить дополнительную часть спектра, включая излучение от Титана, ранее не регистрировавшееся в принципе. Это обеспечит исследователей информацией о сложных газах в атмосфере объекта, а также, вероятно, поможет открыть секрет — почему Титан является единственной луной в Солнечной системе, имеющей плотную атмосферу.