Det har gått nästan fyrtio år sedan Voyager 1 och 2 uppdrag besökte Saturn-systemet. När proberna flög av gasjätten kunde de fånga några fantastiska, högupplösta bilder av planetens atmosfär, dess många månar och dess ikoniska ringsystem. Dessutom avslöjade sonderna också att Saturn sakta tappade sina ringar, i en takt som skulle se dem försvinna på cirka 100 miljoner år.
På senare tid Cassini orbiter besökte Saturn-systemet och tillbringade över 12 år med att studera planeten, dess månar och dess ringsystem. Och enligt ny forskning baserad på Cassinis data, det verkar som att Saturn tappar sina ringar med den maximala hastighet som förutses av Voyager uppdrag. Enligt studien surras Saturns ringar av gasjätten i en takt som innebär att de kan vara borta på mindre 100 miljoner år.
Studien, som nyligen dök upp i tidskriften Icarus, leddes James O’Donoghue från NASA: s Goddard Space Flight Center och inkluderade medlemmar från NASA Jet Propulsion Laboratory, Centre for Space Physics, Space Research Corporation, University of Leicester och University College London.
Enligt de uppgifter som erhållits av Voyager sonder 1980 och 1981 dras isiga partiklar från Saturns ringar in av planetens tyngdkraft efter att ha blivit föremål för Saturnus magnetfält - som förvandlar dem till ett dammigt "ringregn" i Saturnus övre atmosfär. Men som James Donahue antydde i ett nyligen pressmeddelande från NASA, kan situationen vara värre än vad man ursprungligen misstänkte:
”Vi uppskattar att detta‘ ringregn ’dränerar en mängd vattenprodukter som kan fylla en simbassäng i olympisk storlek från Saturnus ringar på en halvtimme. Från detta enbart kommer hela ringsystemet att försvinna om 300 miljoner år, men lägg till detta Cassini-rymdskeppets uppmätta ringmaterial som detekterats falla i Saturnus ekvator, och ringarna har mindre än 100 miljoner år att leva. Detta är relativt kort jämfört med Saturns ålder på över 4 miljarder år. "
Cassini studerade förlusten av Saturns ringmaterial som en del av sin Grande Finale, där rymdskeppet tillbringade sitt återstående bränsle för att leda 22 banor mellan Saturnus och dess ringar. Detta var en betydelsefull prestation, eftersom hantverket Cassini åkte dit ingen rymdskepp någonsin har vågat gå och inte ens var designad för att flyga i denna miljö.
Ändå, Cassini kunde få information som bekräftade vad Voyager sonder som observerades för decennier sedan, samt svara på ett tidigt gammalt mysterium om Saturnus ringar. I grund och botten har forskare länge undrat om Saturnus bildades med sina ringar eller förvärvade dem senare i livet. Denna nya forskning indikerar att det troligen är det senare scenariot och att Saturn förvärvade dem relativt nyligen i sin historia.
Enligt deras studie uppskattade O'Donahue och hans kollegor att Saturns ringsystem sannolikt inte är äldre än 100 miljoner år, eftersom det skulle ta så lång tid för C-ringen att gå från att vara lika tät som B-ringen till vad det är idag. I detta avseende, förklarar O’Donoghue, är mänskligheten tur att vara i en tid då ringarna fortfarande var där:
”Vi har tur att vara med och se Saturns ringsystem, som verkar vara mitt i sin livstid. Men om ringar är tillfälliga, kanske vi bara missade att se gigantiska ringsystem av Jupiter, Uranus och Neptune, som bara har tunna ringlets idag! ”
Som nämnts kom de första antydningarna av "ringregn" från Voyager uppdrag, som resulterade från observationer av vad som ansågs vara tre orelaterade fenomen. Dessa inkluderade variationer i Saturns elektriskt laddade jonosfär, täthetsvariationer i Saturns ringar och smala mörka band som omkretsar de nordliga mellanlängderna på planeterna.
1986 publicerade Jack Connerney - en forskare från NASAs Goddard Space Center och en medförfattare till den senaste studien - ett forskningsdokument som kopplade dessa mörka band till formen av Saturns magnetfält. I ett nötskal föreslog han att elektriskt laddade ispartiklar från Saturnus ringar flödade ned osynliga magnetfältlinjer och deponerades som vatten i Saturns övre atmosfär.
Dessa partiklar, enligt Connerney, blev elektriskt laddade antingen av UV-strålning från solen eller av plasmamoln orsakade av mikrometeoroider som bombade ringarna. När det händer skulle partiklarna känna att Saturns magnetfält dras och skulle dras in av Saturnus tyngdkraft längs fältlinjerna som skulle avsätta dem i den övre atmosfären.
Dessa ispartiklar förångas sedan och samverkar kemiskt med Saturnus jonosfär, vilket skulle ha effekt att tvätta bort diset i stratosfären. Dessa områden verkar mörkare i reflekterat ljus och därmed skapa utseendet på mörkare band i Saturnus atmosfär. Ett annat resultat skulle vara en ökad livslängd i de elektriskt laddade partiklarna som kallas H3 + -joner (som består av tre protoner och två val).
Närvaron av dessa joner var hur O’Donoghue och hans team kunde bekräfta Connerneys teori. Med hjälp av Keck-teleskopet kunde teamet observera dessa joner i Saturnus norra och södra halvklot tack vare hur de glödar i det infraröda spektrumet (vilket händer när de interagerar med solljus). Dessa band observerades på platser där magnetfältlinjer som korsar ringplanet kommer in i planeten.
De analyserade därefter ljuset för att bestämma mängden regn som interagerar med Saturnus jonosfär, vilket skulle indikera hur mycket i vägen för ispartiklar drogs från Saturnus ringar. Vad de fann var att det matchade de höga värden som Connerney och hans kollegor härledde i deras studie från 1986.
Teamet upptäckte också ett glödande band på en högre latitud på den södra halvklotet, vilket råkar vara platsen där Saturns magnetfält korsar varvid Enceladus omloppsbana. Under en tid har astronomer visat att gejsrarna som periodvis bryter ut från Enceladus södra polära region (som är resultatet av geologisk aktivitet i det inre) är ansvariga för att fylla på Saturns E-ring.
Denna senaste konstatering skulle indikera att några av de isiga partiklarna som Enceladus släpper ut regnar även på Saturnus, vilket också bidrar till planetens mörka band. Som Connerney antydde:
”Det var ingen fullständig överraskning. Vi identifierade Enceladus och E-ringen som en riklig vattenkälla också, baserat på ett annat smalt mörkt band i den gamla Voyager-bilden. ”
Med tanke på framtiden skulle laget vilja se hur ringregnet förändras till följd av säsongsbyten på Saturnus. Saturnus omloppsperiod, som är 29,4 år, gör att dess ringar utsätts för varierande solsken. Eftersom exponering för UV-ljus laddar iskorn i ringen och får dem att interagera med Saturns magnetfält, bör varierande exponeringsnivåer ha en direkt inverkan på mängden ringregn i den övre atmosfären.
Dessa fynd, som får forskare att tänka om sina tidigare antagna antaganden om Saturn-systemet, är bara den senaste upptäckten som kommer från Cassini uppdrag. Även om orbitern avslutade sitt uppdrag för två år sedan genom att krascha i Saturnus atmosfär, utmanar de data som den har skickat tillbaka fortfarande vissa äldre teorier om Saturnus medan de bekräftar andra.
Se till att kolla in denna animering av Saturnus försvinnande ringar, med tillstånd av NASA Goddard Space Center:
