Strona główna /In Świat Saturn traci swoje pierścienie

saturnrings — Wizja artystyczna przedstawiająca Saturna w ciągu najbliższych stu milionów lat. Wewnętrzne pierścienie znikną pierwsze opadając na planetę, stopniowo ciągnąc za sobą pierścienie zewnętrzne. Źrodło: NASA/Cassini/James O’Donoghue

Saturn traci swoje pierścienie

Przez

20 grudnia 2018

Pierścienie lodowe Saturna należą do najbardziej charakterystycznych i zachwycających cech Układu Słonecznego. Trudno wyobrazić sobie Układ Słoneczny bez pierścieni Saturna, ale okazuje się, że są przemijającym, choć majestatycznym zjawiskiem.

Naukowcy od dawna debatowali nad wiekiem i oczekiwaną żywotnością pierścieni. W ubiegłym roku opublikowali wyniki sugerujące, że nie są to starożytne relikty z narodzin Układu Słonecznego, 4,5 miliarda lat temu. Zamiast tego powstały w ciągu ostatnich kilkuset milionów lat – dokładnie w czasach dinozaurów. Teraz wiele linii dowodów zbiega się i sugeruje, że pierścienie mają krótką datę wygaśnięcia. Materiał z pierścieni opada na planetę w tak dużej ilości, że w ciągu 300 milionów lat pierścienie mogą przestać istnieć, pozostawiając Saturna bez śladu pierścieni.

Nowe badania NASA potwierdzają, że Saturn traci kultowe pierścienie w tempie, które zgodne jest z szacunkami na podstawie obserwacji sond Voyager 1 i 2, dokonanych dziesiątki lat temu. Pierścienie są przyciągane grawitacyjnie do Saturna w formie pyłowego deszczu cząsteczek lodu pod wpływem pola magnetycznego Saturna.

Mamy szczęście żyć w czasach istnienia układu pierścieni, a nawet dokładnie w środku okresu jego istnienia. Z drugiej strony, jeżeli pierścienie istnieją tylko okresowo, być może ominęły nas czasy istnienia gigantycznych systemów pierścieni Jowisza, Urana i Neptuna, które dzisiaj mają tylko delikatne i szczątkowe pierścienie.

– powiedział James O’Donoghue z NASA Goddard Space Flight Center, który przedstawił wnioski z badań w czasopiśmie Icarus.

Deszcz pierścieniowy

Pierwsze informacje wskazujące na deszcz materii z pierścieni Saturna przesłały na Ziemię sondy Voyager. Do takich wniosków doszli naukowcy łącząc ze sobą fakty dotyczące trzech teoretycznie nie związanych ze sobą fenomenów: wariacji w elektrycznie naładowanych górnych warstwach atmosfery planety (jonosferze), wariacji gęstości pierścieni Saturna oraz trzech wąskich, ciemnych pasmach wokół planety na północnej półkuli. Te ciemne pasma pojawiły się na zdjęciach górnych warstw atmosfery Saturna (stratosfery) wykonanych przez sondę Voyager 2 w 1981 roku.

„To, czego jesteśmy świadkiem, to utrata rzędu około półtora tony materiału na sekundę. Pierścienie Saturna nie istniały od zawsze. I pewnego dnia znikną.”

– powiedziała Linda Spilker z NASA Jet Propulsion Laboratory, naukowiec pracujący nad misją Cassini, która badała Saturna.

W 1986 roku Jack Connerney z NASA Goddard opublikował artykuł w periodyku Geophysical Research Letters, który łączył te wąskie, ciemne pasma z kształtem pola magnetycznego Saturna, sugerując, że elektrycznie naładowane cząstki lodu z pierścieni spływają wzdłuż niewidocznych linii pola magnetycznego, zrzucając wodę w górne warstwy atmosfery Saturna. Dopływ wody z pierścieni, widoczny na określonych szerokościach geograficznych, wymywał mgły stratosferyczne, powodując powstawanie ciemnych pasm widzianych na zdjęciach z Voyagera.

Zakładając stałą częstotliwość deszczu pierścieni, zespół obliczył, że pierścienie Saturna mogą popaść w zapomnienie w ciągu 300 milionów lat. Szybkość rozpadu pierścieni, zależy jednak nie tylko od ilości materiału w pierścieniach, ale także od innych czynników jak pory roku Saturna i sposoby uzupełniania materiału pierścieni.

Ostatnie badania wykorzystujące dane z sondy kosmicznej Cassini, która przelatywała w pobliżu Saturna i jego księżyców przez ponad dekadę, potwierdzają szacunkowe wartości deszczu pierścieni obliczone przez zespół O’Donoghue’a. Ale sonda Cassini odkryła również, że kolosalna ilość cząsteczek organicznych i lodu wodnego dodatkowo spada na równik planety w innym, potencjalnie przejściowym procesie, który może przyspieszyć śmierć pierścieni. To może oznaczać, że pierścienie mogą zniknąć jeszcze wcześniej, za mniej niż 100 milionów lat.

Naukowcy długo zastanawiali się, czy Saturn powstał razem z pierścieniami, czy też planeta nabyła je w późniejszym okresie życia. Nowe badania sprzyjają drugiemu scenariuszowi, wskazując, że jest mało prawdopodobne, aby pierścienie były starsze niż 100 milionów lat. Zaproponowano różne teorie dotyczące ich pochodzenia. Gdyby planeta zdobyła je później, pierścienie mogły powstać w wyniku zderzeń małych, lodowych księżyców na orbicie wokół Saturna, lub gdy orbity księżyców zostały zakłócone przez grawitacyjny wpływ z przelatującej w pobliżu asteroidy lub komety.

Czym są pierścienie Saturna?

Pierścienie Saturna to w większości kawałki lodu wodnego o różnych rozmiarach, od mikroskopijnych ziaren pyłu po głazy o średnicy kilku metrów. Cząsteczki pierścieni balansują między przyciąganiem grawitacyjnym Saturna w kierunku planety, a ich prędkością orbitalną, która odrzuca je na zewnątrz w przestrzeń kosmiczną. Małe cząsteczki mogą zostać naładowane elektrycznie w wyniku światła ultrafioletowego pochodzącego ze Słońca lub przez chmury plazmy pochodzące z bombardowania pierścieni przez mikrometeoroidy (kosmiczne okruchy). Kiedy tak się dzieje, cząsteczki mogą wpaść w przyciąganie pola magnetycznego Saturna. W niektórych częściach pierścieni, po naładowaniu, równowaga sił tych drobnych cząstek zmienia się dramatycznie, a grawitacja Saturna wciąga je wzdłuż linii pola magnetycznego do górnej atmosfery.

Tam cząsteczki pierścieni parują, a woda może reagować chemicznie z jonosferą Saturna. Jednym z rezultatów tych reakcji jest wzrost żywotności elektrycznie naładowanych cząstek zwanych jonami H3+, które składają się z trzech protonów i dwóch elektronów. Pod wpływem światła słonecznego jony H3+ świecą w świetle podczerwonym, które zespół O’Donoghue zaobserwował za pomocą specjalnych instrumentów podłączonych do teleskopu Keck w Mauna Kea na Hawajach.

Zespół odkrył także świecące pasmo na półkuli południowej. Tutaj pole magnetyczne Saturna przecina orbitę Enceladusa, geologicznie aktywnego księżyca, który strzela gejzerami lodu wodnego w przestrzeń kosmiczną. Część tych cząstek spada na Saturna, tworząc pierścień E. Gejzery, które po raz pierwszy zaobserwowano na instrumentach Cassini w 2005 roku, prawdopodobnie pochodzą z oceanu ciekłej wody pod zamarzniętą powierzchnią księżyca. Jego aktywność geologiczna i ocean wodny sprawiają, że Enceladus jest jednym z najbardziej obiecujących miejsc do poszukiwania życia pozaziemskiego.

Enceladus, strzelający gejzerami księżyc Saturna, świeci nad pierścieniami i małym księżycem Pandora. Zdjęcie uchwycone 1 listopada 2009 roku za pomocą sondy NASA Cassini. Źródło: NASA/JPL-Caltech/Space Science Institute

Naukowcy chcieliby zbadać, jak zmienia się deszcz pierścieni wraz z porami roku na Saturnie. Gdy planeta przemieszcza się po swojej 29,4-letniej orbicie, pierścienie są wystawiane na Słońce w różnym stopniu. Ponieważ światło ultrafioletowe Słońca naładowuje cząsteczki lodu i sprawia, że reagują one z polem magnetycznym Saturna, zmienna ekspozycja na światło słoneczne powinna zmieniać ilość deszczu pierścieniowego.

Więcej o interakcji pierścieni Saturna z atmosferą planety możecie przeczytać w artykule Pierścienie Saturna wpływają nie tylko na jego wygląd, ale też na jego atmosferę.

Wideo łączące prawdziwe obrazy systemu Saturna zarejestrowane przez sondę NASA Cassini. Źródło: NASA/Cassini.

Woda w pierścieniach Saturna i jego księżycach podobna jest do tej na Ziemi

Opracowując nową metodę zdalnego pomiaru proporcji izotopów wody i dwutlenku węgla, naukowcy odkryli, że woda w pierścieniach i satelitach Saturna niespodziewanie przypomina wodę na Ziemi. Wyjątkiem jest księżyca Saturna, Febe (ang. Phoebe), gdzie woda jest bardziej niezwykła niż na jakimkolwiek innym obiekcie badanym do tej pory w Układzie Słonecznym. Wyniki badań zostały opublikowane w czasopiśmie Icarus przez naukowca planetarnego Rogera N. Clarka.

Izotopy są różnymi postaciami pierwiastków, ale różnią się liczbą neutronów. Dodanie neutronu zwiększa masę cząsteczki, co może zmienić procesy tworzenia się planety, komety lub księżyca. Woda (H2O) składa się z dwóch atomów wodoru (H) i jednego atomu tlenu (O). Dodanie neutronu do jednego atomu wodoru, zwanego deuterem (D), zwiększa masę cząsteczki wody (HDO) o około 5 procent. Ta niewielka zmiana powoduje różnice izotopowe w tworzeniu się planety, księżyca lub komety i zmienia poziom odparowania wody po formowaniu się takiego ciała niebieskiego. Stosunek deuteru do wodoru (D/H) jest odciskiem palca warunków formowania i ewolucji w czasie takiego ciała.

Modele formowania Układu Słonecznego wskazują, że D/H powinno być znacznie wyższe w zimniejszym zewnętrznym Układzie Słonecznym, niż w cieplejszym układzie wewnętrznym, w którym uformowała się Ziemia. Deuter jest bardziej obfity w zimnych obłokach molekularnych. Niektóre modele przewidują, że D/H powinien być 10 razy wyższy dla systemu Saturna niż na Ziemi. Ale nowe pomiary pokazują, że tak nie jest w przypadku pierścieni Saturna i jego księżyców, z wyjątkiem jednego – Febe.

Księżyc Febe i Saturn. Źródło: NASA/Cassini

Odkrycie niezwykłego stosunku izotopowego wodoru (D/H) dla księżyca Febe oznacza, że powsta�