«Невозможная» тайна скорости Сатурна наконец-то разгадана

Сатурн на протяжении многих десятилетий вводил астрофизиков в ступор. Измерения показывали, что газовый гигант вращается то быстрее, то медленнее. Создавалось впечатление, словно кто-то невидимый нажимает на педаль газа, а потом отпускает. Для планеты такое поведение — это чистая бессмыслица, однако ученые год за годом фиксировали аномальное изменение скорости у газового гиганта.


Завесу тайну удалось приподнять лишь совсем недавно, после серии наблюдений, которые провел космический телескоп «Джеймс Уэбб». И разгадка оказалась совсем не такой, как предполагали исследователи.

Призрак перемен

В 2004 году к Сатурну прибыл зонд «Кассини». Аппарат NASA должен был подробно изучить кольца, луны и атмосферу планеты, но вместо этого вызывал у астрофизиков головную боль. Данные, переданные «Кассини», показали, что скорость вращения Сатурна постепенно меняется. Сама по себе планета, конечно, не может произвольно крутиться быстрее или медленнее в таких масштабах времени. Для этого потребовалось бы колоссальное внешнее воздействие. А его ученые, к их огромной досаде, не наблюдали.



Загадку пытались объяснить по-разному, но ни одна гипотеза не выдерживала проверки. В итоге ситуация стала весьма неловкой для планетологов: они не могли понять даже такую базовую характеристику одного из главных тел Солнечной системы, как период его собственного вращения.

Шли годы, и в 2021 году группа исследователей под руководством профессора Тома Сталларда из Нортумбрийского университета предложила радикальную идею. Они заявили: на самом деле Сатурн вообще не меняет скорость вращения. Все эти кажущиеся ускорения и замедления — это не более чем иллюзия, вызванная электрическими сигналами.

Дело в том, что ученые оценивают вращение планеты по ее полярным сияниям, а те, в свою очередь, подвержены влиянию мощных ветров в верхних слоях атмосферы. Ветры генерируют электрические токи, которые искажают картину полярного сияния. В в итоге создается ложное впечатление, будто планета то ускоряется, то тормозит.

Это объяснение звучало убедительно, но оставляло один огромный пробел. Если ветры искажают измерения, то откуда берутся сами эти ветры? Что заставляет атмосферу Сатурна двигаться так, чтобы создавать ложный сигнал? Ученые понимали: без ответа на этот вопрос вся картина останется неполной, а тайна — лишь наполовину раскрытой. Нужно было заглянуть глубже, туда, где рождаются эти неуловимые потоки. И для этого потребовался самый мощный космический телескоп в истории человечества.

Взгляд сквозь инфракрасный туман

«Джеймс Уэбб» — это совместный проект NASA Европейского и Канадского космических агентств. Телескоп способен видеть то, что было недоступно его предшественникам, и это давало надежду. Исследователи нацелились на северное полярное сияние Сатурна и наблюдали за ним непрерывно в течение целого сатурнианского дня. Им требовалось не просто красивое изображение, а тонкая физическая информация. А именно: температура атмосферы и плотность заряженных частиц в полярной области.



Для этого они использовали инфракрасное излучение, которое испускает молекула под названием тригидрокатион. Это странное соединение образуется в верхних слоях атмосферы Сатурна и ведет себя как естественный термометр. По тому, как сильно оно светится, можно судить о нагреве окружающего газа.

Раньше подобные измерения были очень грубыми: погрешность достигала 50 °C, и это делало почти невозможным обнаружение локальных изменений. Но «Джеймс Уэбб» обеспечил точность в десять раз выше, и перед учеными предстала картина, которой они не видели никогда.

Впервые удалось зафиксировать отдельные зоны нагрева и охлаждения в атмосфере Сатурна с такой детализацией. На полученных картах были видны участки, где температура резко повышалась, и области, где она падала. Когда исследователи сравнили эти данные с компьютерными моделями, разработанными более десяти лет назад, они обнаружили почти идеальное совпадение.

Однако модели работали только при одном условии: источник нагрева должен был находиться именно там, где самые мощные заряженные частицы из космоса врываются в атмосферу Сатурна. Это был ключевой момент. Ученые поняли, что стоят на пороге разгадки, но требовалось сделать последний шаг.

Планетарный тепловой насос

Новые наблюдения показали, что полярное сияние на Сатурне — это не просто красивый световой спектакль. Это гигантский механизм, который сам себя подпитывает. Энергия, выделяющаяся во время полярных сияний, нагревает определенные участки атмосферы. Нагретый газ расширяется и приходит в движение, рождая мощные ветры. Они, в свою очередь, генерируют электрические токи, и эти токи питают полярное сияние.



Замкнутый цикл работает без остановки: сияние греет атмосферу, ветры создают токи, токи усиливают сияние. Такой вот вечный двигатель, только не нарушающий законы физики, а существующий в полном согласии с ними.

Профессор Том Сталлард назвал это «планетарным тепловым насосом». Система действительно напоминает тепловой насос в технике, только гигантских масштабов и полностью автономная.

Именно этот процесс на протяжении десятилетий вводил астрономов в заблуждение. Электрические токи, возникающие из-за ветров, искажали сигналы полярного сияния, по которым ученые привыкли оценивать скорость вращения планеты. Им казалось, что меняется само вращение Сатурна, но на самом деле менялись лишь условия, в которых рождалось полярное сияние.

Когда «Кассини» зафиксировал постепенное изменение скорости, он был прав ровно настолько, насколько прибор может быть прав — он измерил то, что видел. Однако интерпретация этих данных оказалась ошибочной из-за того, что исследователи не знали о существовании саморегулирующегося теплового насоса в атмосфере Сатурна. Теперь круг замкнулся.