Таинственные колебания в кольцах Сатурна раскрывают его «нечеткое» внутренне строение
Внутреннее строение Юпитера и Сатурна на самом деле довольно сложно исследовать. Но уникально великолепная и обширная кольцевая система Сатурна оказалась отличным инструментом для определения плотности глубоко под его толстыми слоями облаков, вплоть до ядра.
Это ядро, согласно новому анализу «колебаний» во внутреннем главном кольце Сатурна не является плотным шаром из никеля и железа, как предполагалось в настоящее время, а «нечеткой» областью, состоящей в основном из водорода и гелия. И более тяжелых элементов содержащих около 17 земных масс льда и горных пород.
Это открытие, опубликованное на сервере препринтов arXiv и ожидающее экспертной оценки, аналогично недавним открытиям о внутренней части Юпитера, основанным на данных Juno, и может изменить наши предположения о структуре и истории формирования Сатурна.
Как мы можем узнать это по кольцам Сатурна? Все это связано с тем, как сейсмология Сатурна влияет на внешнее гравитационное поле планеты.
Акустические волны и колебания внутри космических тел — прекрасный инструмент для исследования их внутренней структуры. Мы делаем это здесь, на Земле, где землетрясения посылают похожие волны на планету; то, как эти волны движутся там, может показывать различную плотность, позволяя нам идентифицировать структуры, которые мы никогда не могли бы надеяться увидеть. На Солнце и других звездах внутренние акустические волны проявляются в виде колебаний яркости.
На Сатурне нет места для сейсмометра, и он не подвержен колебаниям яркости, но несколько лет назад ученые заметили характерные узоры в С-кольце Сатурна, самом внутреннем из его главных колец.
Они пришли к выводу, что они вряд ли могут быть созданы спутниками Сатурна, поскольку такие узоры есть во внешних кольцах; вместо этого они кажутся вызванными колебаниями глубоко внутри планеты, которые влияют на гравитационное поле.
Так возникла область кроносейсмологии: изучение внутренней части Сатурна путем анализа этих волн в кольце C.
Астрофизики Кристофер Манькович и Джим Фуллер из Калифорнийского технологического института провели новый анализ ранее охарактеризованной внутренней кольцевой волны С, частота которой была намного ниже, чем ожидалось от установленной внутренней модели Сатурна. Они обнаружили, что этот частотный паттерн накладывает новые строгие ограничения на внутренний состав Сатурна.
«Наши модели накладывают жесткие ограничения на массу и размер ядра тяжелых элементов Сатурна, даже несмотря на то, что разреженная природа этого ядра требует более детального описания, чем в традиционных слоистых моделях», — написали они в своей статье.
Основываясь на этих данных, они пришли к выводу, что масса ядра примерно в 55 раз больше массы Земли, и в нем содержатся камни и лед на 17 масс Земли. Остальное преимущественно водород и гелий; все это расплывчато и постепенно перемешано, а не строго очерчено стратификацией, с более плотной концентрацией более тяжелых элементов в самом центре.
Это создает некоторую проблему для моделей образования планет. Считается, что планеты формируются по восходящей модели срастания гальки, в которой маленькие куски породы электростатически связаны друг с другом, пока планетарное «семя» не станет достаточно большим, чтобы гравитационно притягивать все больше и больше материала — в конечном итоге формируя планету.
Для газовых гигантов, таких как Юпитер и Сатурн, считалось, что более тяжелый материал опускается к центру, образуя твердое ядро и позволяя газу с низкой плотностью подниматься во внешние области.
Последние модели предполагают постепенное распределение материала; или возможно, что конвективное перемешивание приводит к постепенному распределению.
Тем не менее, моделирование путей формирования нечеткого ядра оказалось сложной задачей, и вполне вероятно, что потребуется более сложная наука, чтобы полностью понять, как это может происходить.
Хотя это может означать, что телега ставится немного впереди лошади. Новое исследование основано на одной кольцевой волне C. Еще немного кроносейсмологии поможет подтвердить интерпретацию нечеткого ядра Сатурна.
Исследование доступно на arXiv.
Источники: Фото: NASA/JPL-Caltech
