Новое исследование, основанное на данных космического корабля «Кассини-Гюйгенс», показывает, что структура и поведение магнитосферы, защитного магнитного поля вокруг Сатурна, сильно отличаются от того, что ожидали ученые, основываясь на опыте на Земле. Исследовательская группа отметила, что это открытие показывает, что быстро вращающиеся планеты-гиганты, такие как Сатурн, следуют иному набору «правил», чем земные, когда дело касается формирования и функционирования магнитосферы.
Это исследование было опубликовано в журнале Nature Communications. В команду авторов вошли доктор Лисия Рэй и доктор Сара Бэдман из Ланкастерского университета в Великобритании, а также доктор Крис Арридж, работавший в школе. Они использовали данные, полученные Кассини, когда он вращался вокруг Сатурна с 2004 по 2010 год, сосредоточившись на анализе пространственного положения и изменения структуры так называемого «магнитосферного каспа» в магнитосфере Сатурна.
Миссия «Кассини-Гюйгенс», совместно реализованная НАСА, Европейским космическим агентством и Итальянским космическим агентством, вращалась вокруг Сатурна с 2004 по 2017 год, систематически исследуя тело планеты, кольца, многочисленные спутники и окружающую ее космическую среду. В ходе долгосрочного накопления данных исследователи зафиксировали статистическое положение кончика магнитосферы Сатурна и сравнили его с аналогичными наблюдениями с Земли. Магнитосфера — это область, где магнитное поле планеты противостоит «солнечному ветру» заряженных частиц Солнца. Он действует как невидимый «щит», который отклоняет и блокирует частицы высокой энергии в больших масштабах; но вблизи полюсов магнитосфера будет иметь воронкообразное отверстие — кончик магнитосферы, — через которое частицы солнечного ветра смогут достигать верхних слоев атмосферы по магнитным линиям.
Результаты показывают, что положение кончика магнитосферы Сатурна существенно отличается от положения Земли. На Земле из-за ее медленного вращения и относительно простого баланса между магнитным полем и давлением солнечного ветра кончик магнитосферы обычно расположен вблизи направления «местного полудня», то есть стороны планеты, обращенной к Солнцу. Для Сатурна ситуация совершенно иная: эффект сильного вращения, похоже, «перетаскивает» кончик магнитосферы с «полуденного направления» на вечернюю сторону. Статистика показывает, что кончик магнитосферы Сатурна находится в среднем между 13:00 и 15:00 по местному времени и может смещаться вплоть до 20:00, очевидно, отклоняясь в «сумеречное направление».
Исследовательская группа отметила, что это «сумеречное смещение стороны» означает, что скорости вращения самой планеты достаточно, чтобы в значительной степени изменить космическую среду вокруг нее, даже преодолев контроль над солнечным ветром. Один оборот Сатурна занимает около 10,7 часов, что намного быстрее, чем 24 часа Земли, а его магнитосфера также заполнена большим количеством ионизированного материала со спутника «Энцелад». Эти факторы вместе усиливают эффект вращательного «торможения» магнитного поля и плазмы. При таком механизме магнитное поле Сатурна и быстро вращающаяся заряженная материя внутри него будут образовывать более сложный угол с солнечным ветром, в результате чего общая структура магнитосферы систематически смещается в сторону сумерек.
Этот новый результат не только обновляет понимание людьми геометрической структуры магнитосферы планеты-гиганта, но и выдвигает требования к пересмотру понимания множества ключевых физических процессов. Изменения положения кончика магнитосферы будут напрямую влиять на площадь и эффективность магнитного пересоединения. Это взрывное явление «разрыва и повторного соединения» силовых линий магнитного поля может за очень короткое время преобразовать магнитную энергию в кинетическую энергию заряженных частиц, ускоряя их до тысяч электронвольт или даже более высоких энергий. В то же время формирование и распределение яркости сияний Сатурна также тесно связаны с положением магнитного пересоединения, энергией падающих частиц и геометрической структурой магнитосферы. Кончик магнитосферы смещен в сторону сумерек, а это означает, что «вход энергии» и форму полярного сияния, возможно, придется по-новому интерпретировать.
«Этот результат позволяет нам построить более полную новую теорию о том, как магнитосфера планеты взаимодействует с солнечным ветром». сказала Лисия Рэй из Ланкастерского университета. Она особенно подчеркнула важность положения кончика магнитосферы на темной стороне для понимания яркого сияния Сатурна и предсказания области, где произойдет магнитное пересоединение. Она отметила, что даже через восемь лет после завершения миссии Кассини эти данные по-прежнему содержат огромную научную ценность и требуют постоянного изучения.
На более макроуровне это исследование укрепляет уверенность научного сообщества в давней гипотезе о том, что «быстро вращающиеся планеты-гиганты — это совсем другое дело». Для планет земной группы, таких как Земля, которые медленно вращаются, форма магнитосферы в основном определяется балансом между внешним давлением солнечного ветра и силой внутреннего магнитного поля. Однако для газовых планет-гигантов, таких как Сатурн, высокоскоростное вращение и внутренние источники плазмы будут в значительной степени доминировать в структуре магнитосферы, что затрудняет прямое применение традиционных земных эмпирических моделей.
Исследовательская группа заявила, что точное картирование и анализ механизма кончика магнитосферы Сатурна послужат важным ориентиром для будущего обнаружения других планет-гигантов, таких как Юпитер, Уран и Нептун, а также помогут объяснить поведение магнитосферы экзопланет, таких как «горячие юпитеры» и других быстро вращающихся планет с сильными магнитными полями. Ожидается, что в ходе дальнейших миссий по исследованию дальнего космоса ученые проверят эту картину «магнитосферы с преобладанием вращения» на более широкой выборке планет, что еще больше улучшит наше общее понимание взаимодействия между планетарными магнитными полями и космической погодой.