Радиосигналы от двух зондов НАСА, “Кассини” у Сатурна и “Юноны” у Юпитера, позволили исследователям пробить клубящиеся облака, скрывающие необъятные и загадочные пространства этих двух гигантов нашей Солнечной системы. Там сокрушительное давление превращает материю в состояния, которые неизвестны ученым на Земле. Но сегодня уже точно ясно одно: гигантские планеты – это не простые шары из водорода и гелия.
Содержание
Радиосигналы Ка-диапазона из глубин газовых гигантов
Разработчики, возглавляемые Лучано Меном из Университета Ла Сапиенца в Риме, смогли создать аппаратуру для космических зондов, с помощью которой стало возможно изучение гравитационных колебаний, зарождающихся глубоко внутри этих газовых гигантов.
Еще в 1980-х годах Мен помог создать радиоприбор для зонда “Кассини”, который давал исключительно четкий сигнал, поскольку работал в Ка диапазоне (Kₐ-диапазон — диапазон частот сантиметровых и миллиметровых длин волн, используемых в основном для спутниковой радиосвязи и радиолокации), который относительно свободен от шумов межпланетной плазмы. Отслеживая колебания радиосигнала, команда планировала искать гравитационные волны из космоса и проверять общую относительность во время путешествия космического аппарата к Сатурну, которое началось в 1997 году, а позднее с помощью аналогичного прибора и на миссии “Юнона” к Юпитеру, которая стартовала в 2011 году.
Лучано и коллеги использовали радиоколебания для составления карт формы гравитационных полей на обеих планетах, что позволило им сделать вывод о плотности и движении материала в глубине планеты.
Исследование истоков мощных ветров
Одной из целей, было исследование истоков зарождения мощных ветров, которые разбивают облака на газовых гигантах на четкие горизонтальные полосы. Ученые предполагали, что ветры будут либо неглубокими, как у нас на Земле, либо наоборот очень глубокими, проникающими на десятки тысяч километров вглубь планет, где экстремальное атмосферное давление, вырывает электроны из водорода, превращая его в проводник, подобный металлу.
Юпитер – загадка
Результаты исследования для Юпитера преподнесли новую загадку: на планете ветры со скоростью 500 километров в час не являются мелкими, но они достигают всего 3000 километров вглубь планеты, что составляет только около 4% от ее радиуса. Сатурн же представил другую загадку: Несмотря на меньший объем, его поверхностные ветры, скорость которых достигает 1800 километров в час, дуют в три раза глубже, по крайней мере, до 9000 километров вглубь планеты. “Мы были застигнуты врасплох”, – признался Лучано Мен.
Глубокие магнитные поля дают ключ к разгадке
Ученые считают, что объяснение обоих открытий кроется в мощных и протяженных магнитных полях планет. При давлении, примерно в 100 000 раз превышающем давление в земной атмосфере – что намного меньше давления, при котором образуется металлический водород – водород частично ионизируется, превращаясь в полупроводник. Это позволяет магнитному полю контролировать движение материала, не позволяя ему пересекать линии поля.
“Магнитное поле как бы замораживает поток, и планета становится жесткой, – говорит Йохай Каспи, планетолог из Научного института Вейцмана в Реховоте, Израиль. Масса Юпитера в три раза больше массы Сатурна, что вызывает гораздо более быстрое увеличение атмосферного давления – примерно в три раза быстрее. “По сути, это тот же результат, – поясняет Каспи, – но жесткость наступает на меньшей глубине”.
Только слабые подсказки о больших глубинах
Полученные данные от зондов “Юнона” и “Кассини” предлагают лишь слабые подсказки о крайне больших величинах глубины атмосферы. Когда-то ученые считали, что газовые гиганты формируются подобно Земле, создавая скалистое ядро, а затем притягивая газ из протопланетного диска. Такой стадийный процесс, вероятно, привел бы к образованию отдельных слоев, включая дискретное ядро, обогащенное более тяжелыми элементами.
Но измерения “Юноны”, интерпретированные с помощью моделей, показали, что ядро Юпитера имеет очень нечеткую границу, а содержание тяжелых элементов в нем сужается до половины радиуса. Это говорит о том, что вместо формирования каменистого ядра и последующего добавления газа, Юпитер, возможно, с самого начала формировался из испарившихся камней и газа и у него нет скалистого ядра.
Темная сторона гравитации Сатурна
Картина Сатурна еще более туманна. Данные “Кассини” указывают на то, что у него ядро есть, и его ядро может иметь массу примерно в 15-18 раз больше земной, с более высокой концентрацией тяжелых элементов, чем у Юпитера.
Но, по признанию ученых, эти выводы носят пока предварительный характер. Более того, во время прохождения своей миссии зонд “Кассини” был притянут чем-то, находящимся глубоко внутри Сатурна. И это воздействие не может быть объяснено ветрами. Мен и коллеги называли это “темной стороной гравитации Сатурна”.
Наиболее вероятным объяснением странной дополнительной гравитации являются загадочные колебания Сатурна. Это по сути, длинноволновые звуковые волны, не похожие на те, которые мы видим на Солнце или Земле.
Большое красное пятно в планетарном масштабе
Что бы ни вызывало это гравитационное воздействие на Сатурне, на Юпитере оно не было обнаружено. Йохай Каспи прокомментировал это так:
“Я не думаю, что мы понимаем происходящее там, но это важный результат. Мы пока не знаем причину, но я подозреваю, что эти продольные колебания гравитационного поля вызваны глубокими штормами или внутренней конвекцией. Эти колебания несколько похожи на колебания, которые недавно были обнаружены на Юпитере из-за Большого красного пятна, но в планетарном масштабе”.
Лучшего измерения в ближайшее время не будет. Миссия “Кассини” завершилась грандиозным финалом, кульминацией которого стало огненное и преднамеренное уничтожение зонда в атмосфере Сатурна – хорошо продуманный и осуществленный эксперимент по получению данных путем столкновения зонда с планетой.
Сатурн вибрирует и причина неизвестна
Хотя кольца затрудняют гравитационные измерения, но они также дают некоторые подсказки. По какой-то неизвестной причине – возможно, из-за ветров, возможно, из-за притяжения многочисленных лун – но Сатурн вибрирует. Гравитационное влияние этих колебаний мельчайшим образом искажает форму его колец, образуя узор, похожий на спиральные рукава галактики. В результате возникает наглядная запись колебаний, подобная следам на сейсмографе. По предположениям ученых, некоторые из этих колебаний достигают глубоких недр планеты.
Возраст колец менее 10 миллионов лет
Последним подарком зонда “Кассини” стали данные с последних орбит аппарата, которые позволили команде исследователей определить, что масса колец мала, а значит, они должны быть молодыми, не более 10 миллионов лет – в противном случае, наступающая межпланетная пыль затемнила бы блестящие кольца газового гиганта. Кроме этого, команда “Кассини” обнаружила, что материал, из которого состоят кольца сыплется твердым дождем на Сатурн, истончая кольца, что в один прекрасный день может привести к их исчезновению.
Читайте также: Пришельцы из темного сектора – мы абсолютно не знаем, что там происходит