Ustalenie dziennego harmonogramu Saturna nie jest tak proste, jak mogłoby się wydawać.
Pomiary wykonane za pomocą sondy Cassini NASA pokazały, że planeta z pierścieniem ma dłuższy dzień niż wcześniej sądzono. Pierwsze obliczenia czasu trwania dnia na Saturnie przeprowadzono ponad 20 lat temu za pomocą aparatu Voyager 2. Aby dokładniej zmierzyć prędkość obrotu Saturna, grupa naukowców zastosowała podejście matematyczne oparte na pomiarach pola grawitacyjnego planety.
„Chociaż niedokładność 15 minut może wydawać się mała w porównaniu z około 10, 5 godzinami, podczas których Saturn wykonuje obrót wokół swojej osi, ważne jest, aby znać jej prędkość”, powiedział Ravit Helled, czołowy ekspert na Uniwersytecie w Tel Awiwie w Izraelu. „Znać okres rotacji jest ważny, aby lepiej zrozumieć dynamikę atmosfery i wewnętrznej struktury planety”.
Tajemnice odwołania
Kiedy Voyager 2 odwiedził Saturna w 1981 r., Jego pomiary wykazały, że planeta wykonuje jeden obrót w ciągu 1 godziny 39 minut. Ale kiedy Cassini po raz pierwszy poleciał do Saturna na początku XXI wieku, okazało się, że okres obiegu wynosił 10 godzin i 47 minut, a wartość ta zmieniała się z każdym nowym pomiarem.
Gazowe olbrzymy, takie jak Saturn, nie mają twardej powierzchni, więc naukowcy muszą szukać innych podejść. Voyager i Cassini zastosowali metodę pomiaru emisji radiowej, ale ze względu na fakt, że odczyty stale się zmieniają, uznano go za niemożliwego do zaakceptowania.
Emisja radiowa nie jest jedyną metodą pomiaru rotacji planet gazowych. Dla planet, których biegun magnetyczny nie pokrywa się z osią obrotu, pomiary pola magnetycznego mogą pomóc ustalić, jak szybko obraca się planeta. Jednak pole magnetyczne Saturna pokrywa się z osią obrotu, więc tej metody nie można do niego zastosować. Trzecim sposobem jest zmierzenie, jak szybko chmura w atmosferze Saturna obraca się wokół planety. Jednak prędkość chmury niekoniecznie pokrywa się z prędkością rotacji planety, co czyni tę metodę kontrowersyjną.
Helled i jej zespół postanowili zastosować bardziej matematyczne podejście do pomiaru prędkości obrotu Saturna. Zespół obliczył okres rotacji za pomocą współczynników reprezentujących wewnętrzną część planety, a następnie przeszukał wartość okresu rotacji, która odpowiada większości obliczeń.
„Nie chcieliśmy, aby obliczony okres był w pełni powiązany z wewnętrzną strukturą, więc wzięliśmy pod uwagę wiele możliwości w ich zakresie fizycznym”, powiedział Helled. „Istnieje wiele znaczeń szybkości konwersji, ale okazało się, że wszystkie mają tę samą wartość”.
Teoretyczna wartość okresu orbity wynosiła 10 godzin i 33 minuty, co korelowało dobrze z poprzednimi wynikami pomiarów.
Testowanie teorii
Nowe obliczenia zostały oparte na precyzyjnie zmierzonym polu magnetycznym planety. Kiedy Cassini latał wokół Saturna, zmierzył wpływ planety na sondę, określając wzrost lub spadek grawitacji. Chociaż zmiany grawitacji opierają się na zmianach w strukturze wewnętrznej, podejście matematyczne zespołu uwzględniło różnice w strukturze wewnętrznej, które wpływają na informacje o polu grawitacyjnym.
„Zaletą naszej metody jest to, że uwzględnia ona specyficzną strukturę wewnętrzną Saturna, nie opiera się na trajektorii chmury zależnej od wiatru i pozwala nam wziąć pod uwagę szeroki zakres wartości w mierzonych właściwościach fizycznych planety i ich niepewności” - powiedział Helled. Aby wyjaśnić obliczenia, zespół wykorzystał również pomiary płaskości planety. Spłaszczanie wynika z faktu, że wirujące ciała prawie nigdy nie są idealnymi sferami; im szybciej się obracają, tym bardziej rozciągają się wzdłuż równika. Piekło jednak podkreśliło, że wiatry wpływają również na płaskość - silne wiatry na równiku zwiększają go.
Po teoretycznych obliczeniach szybkości cyrkulacji Saturna, zespół przeszedł na Jowisza, którego prędkość obiegu jest dobrze znana. Korzystając z tego samego podejścia matematycznego, naukowcy uzyskali teoretyczną wartość prędkości krążenia, która pokrywa się z rzeczywistą. Wynik ten potwierdził ich metodę. Helled nazywa wyniki swojej pracy nad Jowiszem „bardzo inspirującym”.
Nowe, dokładne określenie szybkości krążenia Saturna pomoże naukowcom określić zewnętrzną i wewnętrzną strukturę planety. Pomoże to poznać strukturę dysku protoplanetarnego, z którego powstały planety, a także zrozumieć proces powstawania gazowych gigantów. Może również pomóc w badaniu dynamiki atmosfery.
„Ta wartość prędkości Saturna potwierdza, że struktura wiatrów równoleżnikowych jest bardziej symetryczna i zawiera zarówno wschodnie, jak i zachodnie huragany, takie jakie widzimy na Jowiszu” - powiedział Helled.
