Суп из камней и льда: кольца Сатурна рассказали о его ядре
Ученые выяснили, из чего состоит ядро Сатурна
Американские астрономы с помощью данных Cassini по возмущениям в кольцах Сатурна сумели выяснить, из чего состоит его ядро: оно не полностью каменное, в своей верхней части диффузное и занимает 60% диаметра планеты.
Два астронома Калифорнийского технологического института (Калтеха) с помощью данных, полученных автоматической станцией NASA Cassini о возмущениях в ближайших к планете кольцах Сатурна, сумели получить новую информацию о загадочном ядре газового гиганта. Их результаты, опубликованные в журнале Nature Astronomy, свидетельствуют о том, что ядро Сатурна представляет собой не твердый каменный шар, как предполагали некоторые предыдущие теории, а диффузный «суп» изо льда, камня и металлических водорода и гелия — так называемое диффузное ядро. Это ядро занимает до 60% диаметра планеты, что делает его значительно больше, чем предполагалось ранее.
Идея о том, что нестабильности в гравитационном воздействии со стороны ядра Сатурна на его кольца могут приводить к нарушениям в их структуре и что кольца таким образом могут использоваться в качестве гигантского сейсмографа для изучения внутренних частей планеты, впервые возникла в исследованиях начала 1990-х годов Марка Марли и Кэролин Порко, которые позже приняли участие в программе Cassini. Эта межпланетная станция на протяжении 13 лет изучала Сатурн и его окрестности, прежде чем навсегда погрузиться в его атмосферу в 2017 году.
Первое наблюдение изучаемого явления было проделано Мэттом Хедманом и П.Д. Николсоном в 2013 году, которые проанализировали данные, полученные Cassini. Выяснилось, что внутреннее С-кольцо Сатурна содержит спиральные узоры, отражающие колебания гравитационного поля планеты-гиганта, и что эти узоры заметно отличаются от других волн в кольцах, вызванных гравитационными взаимодействиями со стороны спутников Сатурна.
В новом исследовании астрономы Калтеха Кристофер Манкович и Джим Фуллер проанализировали структуру волн в кольцах, чтобы построить новые модели пульсаций внутренней части Сатурна. «Сатурн всегда немного дрожит, но это почти неуловимо, — поясняет Кристофер Манкович. — Поверхность планеты сдвигается примерно на метр за каждые 1-2 часа как медленно колеблющееся озеро. Кольца как чувствительный сейсмограф улавливают эти гравитационные возмущения, частицы колец начинают сдвигаться».
Сравнивая структурные модели с гравитационными и сейсмическими измерениями Cassini, удалось показать, что полученные данные можно связать только с диффузной переходной областью между ядром и внешней оболочкой Сатурна, содержащей лед и камни. Это распределение тяжелых элементов накладывает некоторые ограничения на процессы перемешивания, происходящие на Сатурне, и может нести в себе следы изначальной структуры планеты и историю ее аккреции (слипания окружающего материала из протопланетного облака).
Наблюдаемая гравитационная рябь указывает на то, что в своей глубине Сатурн все же колеблется как единое целое, его недра состоят из стабильных слоев, образовавшихся после того, как наиболее тяжелые компоненты опустились в самый низ и перестали смешиваться с более легкими соединениями на самом верху.
«Газообразные водород и гелий на планете постепенно смешиваются со все большим и большим количеством льда и камней по мере того, как вы приближаетесь к центру планеты. Это немного похоже на земные океаны, где соленость увеличивается по мере того, как вы погружаетесь на все более глубокие уровни. Чтобы гравитационное поле планеты могло колебаться на какой-то конкретной частоте, ее внутренняя часть должна быть стабильной, а это возможно только в том случае, если доля льда и камня постепенно увеличивается по мере приближения к центру планеты», — говорит Джим Фуллер.
Однако самые внешние слои ядра — совсем иное дело. «Мы знали, что у Сатурна нет твердой поверхности, но это смешно! Кольцевая сейсмология показывает нам, насколько размыто на самом деле ядро Сатурна», — написал Кристофер Манкович в своем Twitter-аккаунте.
Согласно полученным данным, ядро Сатурна в 55 раз массивнее всей Земли, на лед и камни при этом приходится 17 масс Земли, оставшаяся часть — водород и гелий.
Новые результаты создают некоторые проблемы для текущих моделей образования газовых гигантов, поскольку они предполагают, что сначала формируется твердое каменное ядро, к которому затем притягиваются обширные газовые оболочки. Если ядра таких планет действительно диффузные, как показывает новое исследование, то придется предположить, что планеты начинают собирать газ на более раннем этапе своей эволюции. Однако существование у Сатурна диффузного ядра хорошо согласуется с последними данными по миссии NASA Juno, которые указывают на то, что Юпитер тоже может иметь ядро сходного типа.