Dziękujemy za zapisanie się do Eos Buzz.

Przez ponad dekadę sonda Cassini miała prawdopodobnie najbardziej spektakularny widok w Układzie Słonecznym.

Czasami krążyła wokół Saturna, oglądając wspaniałe pierścienie pod wieloma kątami. Wykreślała pojedyncze pierścienie, dostrzegała fale i falowanie, odkrywała „śmigła” i inne dziwne elementy osadzone w systemie pierścieni.

A potem widok stał się jeszcze lepszy. Podczas swoich ostatnich 22 orbit Cassini zanurzył się w przestrzeń pomiędzy szczytami chmur Saturna a wewnętrzną krawędzią pierścieni, przechodząc tak blisko nich, że musiał użyć swojej anteny radiowej jako osłony przed cząsteczkami pierścieni.

Ta perspektywa przyniosła imponujące wyniki naukowe, jak również imponujące widoki. Obserwacje Cassiniego ujawniły masę pierścieni i pozwoliły lepiej oszacować, kiedy się uformowały i jak długo mogą trwać.

„Przed finałem Cassiniego były dwie wielkie niewiadome, które teraz zostały rozwiązane: Jaka jest masa pierścieni i jakie jest tempo utraty masy przez pierścienie” – powiedział Luke Moore, starszy pracownik naukowy Uniwersytetu Bostońskiego.

Na podstawie tych pomiarów naukowcy doszli do wniosku, że tak się składa, iż widzimy pierścienie Saturna w środku stosunkowo krótkiego okresu życia, który rozpoczął się być może 100 milionów lat temu i może trwać 100 milionów lat dłużej.

Odkrycia pierścieni przez Cassiniego nie skończyły się jednak na tym. Statek przeleciał przez „deszcz pierścieni” – deszcz cząstek z pierścieni do atmosfery Saturna – co pozwoliło mu bezpośrednio zmierzyć skład pierścieni. Jego instrumenty zmierzyły również wpływ deszczu pierścieniowego na atmosferę Saturna. Naukowcy wykorzystali wygląd pierścieni do wyznaczenia długości dnia Saturna, dodając jeszcze jedno osiągnięcie do rozpoznania pierścieni Saturna przez Cassiniego.

Becoming „Lord of the Rings”

Główne pierścienie Saturna rozciągają się na około 275 000 kilometrów – mniej więcej dwie trzecie odległości między Ziemią a Księżycem – choć ich średnia grubość nie przekracza kilkudziesięciu metrów. Od zewnątrz do wewnątrz pierścienie oznaczone są jako A, B, C i D, przy czym pierwsze trzy składają się z wielu mniejszych pojedynczych pierścieni. (Kilka słabych, niskomasowych pierścieni czai się poza pierścieniem A, ale są one nieistotne w porównaniu z głównymi pasmami). Pierścienie A i B są szerokie i gęste, i zawierają większość masy systemu pierścieniowego.

Pierścień C pomógł astronomom rozwiązać kłopotliwą zagadkę Saturna: długość jego dnia, która była trudna do ustalenia.

Chris Mankovich, absolwent Uniwersytetu Kalifornijskiego w Santa Cruz, badał fale w pierścieniu C do swojej pracy doktorskiej. Fale te są generowane przez ruchy warstw znajdujących się kilka tysięcy kilometrów pod szczytami chmur Saturna.

„Masa wewnątrz planety przemieszcza się tam i z powrotem, a pierścienie 'czują' to poprzez grawitację” – powiedział.

Cassini wykrył fale mierząc okluzje gwiazd przez cząsteczki w pierścieniu C, który jest znacznie mniej gęsty niż pierścienie A i B. Dokładny wzór fal ujawnia ruchy planety, które Mankovich wykorzystał do obliczenia tempa obrotu Saturna: 10 godzin, 33 minuty, 38 sekund.

Większość badań nad pierścieniami skupiła się jednak na samych pierścieniach i ich interakcjach z atmosferą Saturna. Cassini przeszedł wewnątrz widmowego pierścienia D, który znajduje się w odległości około 6500 kilometrów od chmur Saturna – tak blisko, że jest zanurzony w delikatnej zewnętrznej atmosferze planety, znanej jako egzosfera.

Zanurzenia Cassiniego wewnątrz pierścienia D były częścią wielkiego finału misji, 5-miesięcznego etapu, który zakończył się upadkiem Cassiniego 15 września 2017 roku.

Kiedy Cassini wyczerpała swoje materiały pędne, planiści misji zdecydowali się zakończyć jej podróż poprzez wrzucenie jej w atmosferę Saturna, gdzie spłonęłaby. To wyeliminowałoby ryzyko uderzenia w księżyce Tytan i Enceladus, które wykazują oznaki zamieszkiwania, i być może skażenia ich ziemskimi mikrobami, które mogły przetrwać rygory przestrzeni kosmicznej.

Inżynierowie opracowali trasę lotu, która wykorzystałaby koniec misji Cassiniego, aby dostarczyć nowych informacji na temat Saturna i pierścieni. W miarę jak Cassini zbliżał się do Saturna, mógł z większą dokładnością zbadać wnętrze planety, uzyskać bardziej szczegółowe spojrzenie na wierzchołki chmur i zbadać pierścienie pod nowym kątem.

Jednym z najważniejszych odkryć wielkiego finału było to, że kąt „inside-out” pozwolił naukowcom na dokonanie najlepszego jak dotąd pomiaru masy pierścieni Saturna.

Kiedy Cassini pozostawał poza pierścieniami, był ciągnięty przez połączoną grawitację Saturna i systemu pierścieni, więc trudno było wyizolować siłę ciążenia tylko pierścieni. Kiedy jednak Cassini przeszedł do środka pierścieni, Saturn ciągnął statek w jednym kierunku, podczas gdy pierścienie ciągnęły w innym.

Precyzyjne śledzenie radiowe ujawniło grawitacyjny wpływ pierścieni na drogę Cassiniego, co pozwoliło naukowcom obliczyć ich masę: 41% masy małego księżyca Saturna, Mimasa (plus minus 13%), lub 0,05% masy księżyca Ziemi – mniej więcej połowa wartości wielu szacunków sprzed wielkiego finału.

W połączeniu z innymi parametrami, masa pozwoliła naukowcom oszacować wiek pierścieni.

W artykule w Science, opublikowanym w styczniu, członkowie radiowego zespołu naukowego założyli, że pierścienie zaczęły się jako prawie czysty lód wodny i zostały zaciemnione przez materiał meteoroidalny spoza systemu Saturna, który spada na pierścienie w znanym tempie. Ciemność pierścieni ujawnia stosunek lodu do skał, co z kolei ujawnia ich wiek: od 10 milionów do 100 milionów lat.

„Nie mogą być starsze niż około sto milionów lat, ponieważ byłyby ciemniejsze”, powiedział Burkhard Militzer, profesor nadzwyczajny nauk o Ziemi i planetach na Uniwersytecie Kalifornijskim w Berkeley i autor pracy. „To mówi nam niezbicie, że pierścienie są bardzo młode. Mój ulubiony komentarz na temat tych badań pochodzi z rosyjskiej strony internetowej, która w zasadzie powiedziała, że znaleźliśmy moment, w którym Saturn stał się 'Władcą Pierścieni'.”

„Wiek nie rozwiązuje problemu, ale zawęża paski błędów,” powiedział Moore. „Jest spójny z pierścieniami innych planet olbrzymów. Są to bardzo różne środowiska, ale fakt, że nie widzimy podobnie dużych systemów na Jowiszu czy innych planetach byłby zgodny z młodym wiekiem pierścieni Saturna, które z czasem po prostu by wyparowały.”

Śpiew w deszczu

Obserwacje Cassiniego mogą również pomóc naukowcom w ustaleniu jak uformowały się pierścienie. Jedna z koncepcji mówi, że powstały one, gdy grawitacja Saturna rozerwała przelatującą kometę, a jej pozostałości okrążyły planetę, podczas gdy inna mówi, że powstały one w wyniku jednego lub więcej zderzeń pomiędzy małymi księżycami lub pomiędzy księżycem a kometą.

Wskazówki co do pochodzenia mogą pochodzić z bezpośrednich pomiarów materiału pierścieni dokonanych przez Cassiniego. Podczas przelotu przez płaszczyznę pierścienia, sonda wykryła zaskakująco silny „deszcz” bogatych w substancje organiczne neutralnych cząstek na równiku – wystarczający do szybkiego opróżnienia pierścieni.

Naukowcy już wcześniej wykryli opad z pierścieni na średnich szerokościach geograficznych planety, który Moore opisuje jako „klasyczny deszcz pierścieniowy”, ponieważ był to pierwszy opisany opad pierścieniowy. Po raz pierwszy został on przewidziany w latach 80. na podstawie pomiarów jonosfery wykonanych przez Voyagera. Naukowcy zauważyli niespodziewany spadek ładunku jonosfery na pewnych szerokościach geograficznych, a także ciemne strefy w chmurach.

Mikrometeoryty mogą uderzać w wewnętrzną część pierścienia B, tworząc plazmę. Niektóre z cząsteczek plazmy podążają za liniami pola magnetycznego Saturna w kierunku planety, wpadając do atmosfery wzdłuż obserwowanych pasów szerokości geograficznych. Cząstki te łączą się z elektronami w jonosferze, zmniejszając gęstość elektronów na tych szerokościach geograficznych. Deszcz usuwa również zamglenie na dużych wysokościach, pozwalając nam zajrzeć głębiej w atmosferę, tworząc ciemne strefy.

Badania opublikowane na początku tego roku w Icarus, oparte na reanalizie obserwacji z Teleskopu Kecka z 2011 roku, potwierdziły opad w pasmach wokół 45°N i 39°S szerokości geograficznej. Badanie mówi, że proces ten dostarcza około 432 do 2 870 kilogramów wody do średnich obszarów Saturna co sekundę, co wystarcza do osuszenia pierścieni w ciągu około 300 milionów lat.

Cassini potwierdził naziemne ustalenia. Ale odkrył również, że te opady mogą być zwykłym prysznicem w porównaniu z napływem wody na równiku Saturna.

Analizator pyłu kosmicznego stwierdził na przykład, że region pomiędzy pierścieniem D a zewnętrzną atmosferą jest wypełniony dość stałą populacją ziaren lodu wodnego i krzemianów o średnicy kilkudziesięciu nanometrów.

Magnetospheric Imaging Instrument (MIMI), który został zaprojektowany do pomiaru energetycznych neutralnych atomów, jonów i elektronów, wykrył jeszcze mniejsze ziarna (porównywalne do wielkości cząsteczek dymu) na wysokościach od około 1700 do 3000 kilometrów nad równikiem planety.

„Nie spodziewano się pyłu tuż przy równiku, więc fakt, że Cassini znalazł tam skoncentrowaną populację był sporym zaskoczeniem,” powiedział Don Mitchell, fizyk z Johns Hopkins University Applied Research Laboratory w Baltimore, Mdd.., i główny badacz MIMI. „Rozmawialiśmy z ludźmi od pyłu, a oni nie wierzyli nam przez pierwsze trzy czy cztery razy, kiedy im o tym mówiliśmy. W końcu zrozumieli, że to się dzieje.”

Ziarna prawdopodobnie pochodzą z D68, najbardziej wewnętrznego pierścienia w pierścieniu D. Zderzenia z atomami wodoru w egzosferze Saturna uderzają w ziarna pyłu, które następnie w ciągu zaledwie kilku godzin wpadają w atmosferę planety. Zaobserwowana populacja sugeruje, że około 5 kilogramów tych cząstek wchodzi w atmosferę Saturna na sekundę.

Breaking Up Isn’t Hard to Do

Prawdopodobnie najbardziej intrygujące wyniki uzyskano dzięki spektrometrowi mas jonowych i neutralnych (INMS), instrumentowi, który określa skład i strukturę jonów i cząstek neutralnych. Został on zaprojektowany do badania Tytana i magnetosfery Saturna, gdzie cząsteczki uderzają z prędkością około 6 kilometrów na sekundę. Jednak w wielkim finale Cassini osiągnął szczytowe prędkości ponad 30 kilometrów na sekundę, zmuszając instrumenty do pracy w sposób, jakiego naukowcy nigdy nie przewidzieli.

Cząstki z górnej atmosfery Saturna dostały się do przedsionka, a następnie powędrowały do detektorów, gdzie zostały przefiltrowane i policzone. Przy dużych prędkościach, większe cząstki były rozbijane na kawałki wewnątrz instrumentu, więc bardziej złożone molekuły prawdopodobnie zostały rozbite, rozbijając je na mniejsze cząsteczki.

„Martwiliśmy się o fragmentację, ale wydawało się, że wszystko działa dobrze w sposób, którego jeszcze nie do końca rozumiemy,” powiedział J. Hunter Waite, dyrektor programowy w Southwest Research Institute w San Antonio, Texas, i główny badacz INMS. „W niektórych aspektach komplikowało to sprawę, ale w innych było naszym najlepszym przyjacielem, ponieważ pozwoliło nam zobaczyć duże cząsteczki, których nie moglibyśmy zobaczyć, gdyby się nie rozpadły.”

INMS wykrył melanż pierwiastków i związków, z których wiele było nieoczekiwanych, w tym metan (16% masy próbki), amoniak, tlenek węgla, dwutlenek węgla, azot cząsteczkowy i fragmenty cięższych związków organicznych (37%). Prawie wszystkie z nich opadały od wewnętrznego pierścienia D do 8° pasa wyśrodkowanego na równiku.

„Woda jest obecna, ale nie wydaje się dominować” – powiedział Moore. „To była duża niespodzianka, ponieważ kiedy patrzysz na pierścienie spektroskopowo, są one w 90-kilku procentach pokryte lodem wodnym.”

Zapadający się materiał może zmienić chemię atmosfery Saturna. Jedno z badań wykazało na przykład, że dziwna nadwyżka metanu zaobserwowana w atmosferze Saturna mogłaby zostać wyjaśniona, gdyby obecne tempo infalacji zostało utrzymane przez cały okres istnienia pierścieni. Metan dostałby się na równiku, a następnie zostałby rozprowadzony po reszcie planety w ciągu milionów lat.

A Hundred Million Years to Go

Naukowcy z instrumentu oszacowali, że w każdej sekundzie z pierścienia D do atmosfery spada od 4 500 do 48 000 kilogramów materiału. „Przy obecnym tempie opadania pierścień D zniknie za 10 000 do 70 000 lat,” powiedział Waite, a pierścień C utrzyma się nie dłużej niż kilka milionów lat.

Ale Cassini wykrył zmiany w tempie opadania zarówno na długości geograficznej jak i w czasie, co sugeruje, że tempo nie jest stałe, więc Cassini mógł badać pierścienie w czasie niezwykle intensywnego opadania. W ostatnich dekadach, w rzeczywistości, duże meteoroidy mogły pękać po zderzeniu z pierścieniami, dostarczając świeżego materiału.

„Część pierścienia D znacznie się rozjaśniła w 2015 roku”, powiedział Mitchell. „Myślenie jest takie, że kilka dość sporych rozmiarów kawałków materiału zderzyło się ze sobą lub inaczej meteoroid nadleciał i zderzył się z kawałkiem materiału w pierścieniu D.”

W dodatku, „istnieją wyraźne oznaki epizodycznego transferu materiału z pierścienia C do pierścienia D”, powiedział Waite. Ale on powiedział, że nie ma znanych sposobów na przeniesienie materiału z pierścieni A i B, które zawierają większość masy systemu pierścieniowego, aby utrzymać lżejsze pierścienie wewnętrzne.

Ta równowaga infalling materiału pierścienia versus dodatki do systemu pierścieni z komet i meteoroidów pozostawia los pierścieni trochę niepewne, chociaż Mitchell powiedział, że prawdopodobnie nie będzie żyć, że dużo dłużej-by astronomiczne standardy.

„Pierwotnie, to było szacowane, że pierścienie urodziły się cztery i pół miliarda lat temu i pozostał dość stabilny,” Mitchell powiedział. „Ale wygląda na to, że powstały całkiem niedawno. A jeśli obliczysz wszystkie straty z pierścieni, prawdopodobnie nie będą one w pobliżu przez więcej niż kolejne sto milionów lat lub tak, co jest znacznie krótsze niż czas życia Układu Słonecznego. Więc ten argument jest już całkiem rozstrzygnięty.”

„Być może powinniśmy docenić pierścienie nieco bardziej następnym razem, gdy spojrzymy na nie przez teleskop,” powiedział Militzer z uśmiechem. „Jest to szczególny moment – pierścienie nie będą istniały wiecznie.”

-Damond Benningfield (), Science Writer