Saturns seltsamer Ring

Von Space Telescope Science Institute, 1. April 2023

Ein erfahrener Astronom hat entdeckt, dass das riesige Ringsystem des Saturn die obere Atmosphäre des Planeten erwärmt, ein Phänomen, das in unserem Sonnensystem noch nie zuvor beobachtet wurde. Durch die Analyse von 40 Jahren ultravioletter Daten von mehreren Weltraummissionen, darunter dem Hubble-Weltraumteleskop der NASA, der Cassini-Sonde, Voyager 1 und 2 und dem International Ultraviolet Explorer, fand der Forscher heraus, dass eisige Ringpartikel auf die Saturnatmosphäre herabregnen und eine Erwärmung verursachen. Diese bahnbrechende Entdeckung verdeutlicht nicht nur eine unerwartete Wechselwirkung zwischen dem Planeten und seinen Ringen, sondern eröffnet auch die Möglichkeit, diese Informationen zu nutzen, um die Existenz saturnähnlicher Ringsysteme um Exoplaneten vorherzusagen.

The planet SaturnSaturn is the sixth planet from the sun and has the second-largest mass in the Solar System. It has a much lower density than Earth but has a much greater volume. Saturn's name comes from the Roman god of wealth and agriculture." data-gt-translate-attributes="[{"attribute":"data-cmtooltip", "format":"html"}]">Saturn is easily recognizable for its opulent ring system that can easily be seen through a small telescope. Astronomers have now found that the rings are not as placid as they look. The icy rings particles are raining down onto Saturn's atmosphere. This is heating the upper atmosphere. It took a collection of 40 years’ worth of Saturn observations, gleaned from four NASAEstablished in 1958, the National Aeronautics and Space Administration (NASA) is an independent agency of the United States Federal Government that succeeded the National Advisory Committee for Aeronautics (NACA). It is responsible for the civilian space program, as well as aeronautics and aerospace research. Its vision is "To discover and expand knowledge for the benefit of humanity." Its core values are "safety, integrity, teamwork, excellence, and inclusion." NASA conducts research, develops technology and launches missions to explore and study Earth, the solar system, and the universe beyond. It also works to advance the state of knowledge in a wide range of scientific fields, including Earth and space science, planetary science, astrophysics, and heliophysics, and it collaborates with private companies and international partners to achieve its goals." data-gt-translate-attributes="[{"attribute":"data-cmtooltip", "format":"html"}]">NASA planetary missions to come to this conclusion. Hubble Space TelescopeThe Hubble Space Telescope (often referred to as Hubble or HST) is one of NASA's Great Observatories and was launched into low Earth orbit in 1990. It is one of the largest and most versatile space telescopes in use and features a 2.4-meter mirror and four main instruments that observe in the ultraviolet, visible, and near-infrared regions of the electromagnetic spectrum. It was named after astronomer Edwin Hubble." data-gt-translate-attributes="[{"attribute":"data-cmtooltip", "format":"html"}]"> Beobachtungen des Hubble-Weltraumteleskops wurden genutzt, um alle im ultravioletten Licht gesammelten Beweise zusammenzuführen. Diese Ergebnisse können verwendet werden, um festzustellen, ob ähnliche Ringsysteme Planeten umgeben, die andere Sterne umkreisen. Ihre Ringe wären zu weit entfernt, um gesehen zu werden, aber die Spektroskopie der Planeten mit ultraviolettem Licht könnte Hinweise liefern.

Hubbles Blick auf Saturn am 12. September 2021 zeigt schnelle und extreme Farbveränderungen der Bänder auf der Nordhalbkugel des Planeten, wo es Frühherbst war. Die Bänder variierten während der Hubble-Beobachtungen in den Jahren 2019 und 2020. Bemerkenswert ist, dass Saturns ikonischer sechseckiger Sturm, der erstmals 1981 von der Raumsonde Voyager 2 entdeckt wurde, im Jahr 2020 schwer zu unterscheiden war, aber im Jahr 2021 ist er wieder deutlich zu erkennen. Hubbles Saturnbild fängt ein der Planet folgt dem Winter auf der Südhalbkugel, erkennbar am anhaltenden Blauton des Südpols. Bildnachweis: NASA, ESA, A. Simon (NASA-GSFC) und MH Wong (UC Berkeley); Bildverarbeitung: A. Pagan (STScI)

Das Geheimnis liegt seit 40 Jahren im Verborgenen. Aber es bedurfte der Einsicht eines erfahrenen Astronomen, um innerhalb eines Jahres alles zusammenzubringen und dabei Saturnbeobachtungen mit dem Hubble-Weltraumteleskop der NASA und der ausgemusterten Cassini-Sonde sowie den Raumsonden Voyager 1 und 2 und der ausgemusterten International Ultraviolet Explorer-Mission zu nutzen.

Die Entdeckung: Das riesige Ringsystem des Saturn heizt die obere Atmosphäre des Riesenplaneten auf. Das Phänomen wurde im Sonnensystem noch nie zuvor beobachtet. Es handelt sich um eine unerwartete Wechselwirkung zwischen Saturn und seinen Ringen, die möglicherweise ein Hilfsmittel zur Vorhersage sein könnte, ob Planeten um andere Sterne ebenfalls über prächtige Saturn-ähnliche Ringsysteme verfügen.

Der verräterische Beweis ist ein Überschuss an ultravioletter Strahlung, der als Spektrallinie aus heißem Wasserstoff in der Saturnatmosphäre sichtbar ist. Der Anstieg der Strahlung bedeutet, dass etwas die obere Atmosphäre von außen kontaminiert und erwärmt.

The most feasible explanation is that icy ring particles raining down onto Saturn's atmosphere cause this heating. This could be due to the impact of micrometeorites, solar wind particle bombardment, solar ultraviolet radiation, or electromagnetic forces picking up electrically charged dust. All this happens under the influence of Saturn's gravitational field pulling particles into the planet. When NASA's CassiniThe Cassini–Huygens Mission, generally called Cassini, was a joint mission between NASA, the European Space Agency and the Italian Space Agency to study the Saturn system. Launched in 1997, Cassin provided astronomers with a massive amount of data about Saturn and its rings, its magnetosphere, and its moons. Cassini reached the end of its journey in 2017 when it deliberately dived into Saturn's atmosphere, where it disintegrated like a meteor." data-gt-translate-attributes="[{"attribute":"data-cmtooltip", "format":"html"}]">Die Sonde Cassini tauchte am Ende ihrer Mission im Jahr 2017 in die Saturnatmosphäre ein, maß die atmosphärischen Bestandteile und bestätigte, dass viele Partikel aus den Ringen einfallen.

„Obwohl der langsame Zerfall der Ringe bekannt ist, ist sein Einfluss auf den atomaren Wasserstoff des Planeten eine Überraschung. Von der Cassini-Sonde wussten wir bereits über den Einfluss der Ringe. Über den atomaren Wasserstoffgehalt wussten wir jedoch nichts.“ ", sagte Lotfi Ben-Jaffel vom Institut für Astrophysik in Paris und dem Lunar & Planetary Laboratory der University of Arizona, Autor eines Artikels, der am 30. März im Planetary Science Journal veröffentlicht wurde.

Dies ist ein zusammengesetztes Bild, das die Saturn-Lyman-Alpha-Ausbuchtung zeigt, eine Emission von Wasserstoff, bei der es sich um einen anhaltenden und unerwarteten Überschuss handelt, der von drei verschiedenen NASA-Missionen, nämlich Voyager 1, Cassini und dem Hubble-Weltraumteleskop, zwischen 1980 und 2017 entdeckt wurde. Ein Hubble in der Nähe -Ultraviolettbild, das 2017 während des Saturnsommers auf der Nordhalbkugel aufgenommen wurde, dient als Referenz, um die Lyman-Alpha-Emission des Planeten zu skizzieren. Die Ringe erscheinen viel dunkler als der Planetenkörper, weil sie viel weniger ultraviolettes Sonnenlicht reflektieren. Oberhalb der Ringe und der dunklen Äquatorregion erscheint der Lyman-Alpha-Bulge als ausgedehntes (30 Grad) Breitenband, das 30 Prozent heller ist als die umliegenden Regionen. Ein kleiner Teil der südlichen Hemisphäre erscheint zwischen den Ringen und der Äquatorregion, ist jedoch dunkler als die nördliche Hemisphäre. Nördlich des Bulge-Bereichs (oberer rechter Teil des Bildes) nimmt die Helligkeit der Scheibe im Vergleich zum Breitengrad allmählich in Richtung des hellen Polarlichtbereichs ab, der hier als Referenz dargestellt ist (nicht im Maßstab). Ein dunkler Fleck innerhalb der Polarlichtregion stellt den Fußabdruck der Rotationsachse des Planeten dar. Es wird angenommen, dass eisige Ringpartikel, die in bestimmten Breitengraden auf die Atmosphäre regnen, und saisonale Effekte eine atmosphärische Erwärmung verursachen, die dazu führt, dass der Wasserstoff der oberen Atmosphäre mehr Lyman-Alpha-Sonnenlicht reflektiert im Ausbuchtungsbereich. Diese unerwartete Wechselwirkung zwischen den Ringen und der oberen Atmosphäre wird nun eingehend untersucht, um neue Diagnosewerkzeuge zu entwickeln, mit denen man abschätzen kann, ob entfernte Exoplaneten ausgedehnte Saturn-ähnliche Ringsysteme haben.Quelle: NASA, ESA, Lotfi Ben-Jaffel (IAP & LPL)

„Alles wird durch Ringteilchen angetrieben, die in bestimmten Breitengraden in die Atmosphäre strömen. Sie verändern die obere Atmosphäre und verändern die Zusammensetzung“, sagte Ben-Jaffel. „Und dann gibt es noch Kollisionsprozesse mit atmosphärischen Gasen, die wahrscheinlich die Atmosphäre in einer bestimmten Höhe erhitzen.“

Ben-Jaffel's conclusion required pulling together archival ultraviolet-light (UV) observations from four space missions that studied Saturn. This includes observations from the two NASA Voyager probes that flew by Saturn in the 1980s and measured the UV excess. At the time, astronomers dismissed the measurements as noise in the detectors. The Cassini mission, which arrived at Saturn in 2004, also collected UV data on the atmosphere (over several years). Additional data came from Hubble and the International Ultraviolet Explorer, which launched in 1978, and was an international collaboration between NASA, ESA (European Space AgencyThe European Space Agency (ESA) is an intergovernmental organization dedicated to the exploration and study of space. ESA was established in 1975 and has 22 member states, with its headquarters located in Paris, France. ESA is responsible for the development and coordination of Europe's space activities, including the design, construction, and launch of spacecraft and satellites for scientific research and Earth observation. Some of ESA's flagship missions have included the Rosetta mission to study a comet, the Gaia mission to create a 3D map of the Milky Way, and the ExoMars mission to search for evidence of past or present life on Mars." data-gt-translate-attributes="[{"attribute":"data-cmtooltip", "format":"html"}]">Europäische Weltraumorganisation) und der Science and Engineering Research Council des Vereinigten Königreichs.

Es blieb jedoch die Frage offen, ob alle Daten illusorisch sein könnten oder stattdessen ein wahres Phänomen auf dem Saturn widerspiegelten.

Der Schlüssel zum Zusammensetzen des Puzzles lag in Ben-Jaffels Entscheidung, Messungen von Hubbles Space Telescope Imaging Spectrograph (STIS) zu verwenden. Seine Präzisionsbeobachtungen von Saturn wurden verwendet, um die archivierten UV-Daten aller vier anderen Weltraummissionen zu kalibrieren, die Saturn beobachtet haben. Er verglich die STIS-UV-Beobachtungen des Saturn mit der Lichtverteilung mehrerer Weltraummissionen und Instrumente.

„Als alles kalibriert war, sahen wir deutlich, dass die Spektren über alle Missionen hinweg konsistent waren. Dies war möglich, weil wir vom Hubble denselben Bezugspunkt für die über Jahrzehnte gemessene Energieübertragungsrate aus der Atmosphäre haben“, sagt Ben -Sagte Jaffel. „Es war wirklich eine Überraschung für mich. Ich habe einfach die verschiedenen Lichtverteilungsdaten grafisch dargestellt und dann wurde mir klar: Wow – es ist dasselbe.“

UV-Daten aus vier Jahrzehnten decken mehrere Sonnenzyklen ab und helfen Astronomen, die saisonalen Auswirkungen der Sonne auf Saturn zu untersuchen. Durch die Zusammenführung und Kalibrierung aller unterschiedlichen Daten stellte Ben-Jaffel fest, dass es keinen Unterschied in der Höhe der UV-Strahlung gibt. „Wir können jederzeit und an jedem Ort auf dem Planeten die UV-Strahlung verfolgen“, sagte er. Dies deutet darauf hin, dass der stetige „Eisregen“ aus den Saturnringen die beste Erklärung ist.

„Wir stehen erst am Anfang dieses Ringcharakterisierungseffekts auf die obere Atmosphäre eines Planeten. Wir wollen schließlich einen globalen Ansatz haben, der eine echte Signatur über die Atmosphären auf entfernten Welten liefern würde. Eines der Ziele dieser Studie ist es Sehen Sie, wie wir es auf Planeten anwenden können, die andere Sterne umkreisen. Nennen Sie es die Suche nach ‚Exo-Ringen‘.“

Referenz: „The Enigmatic Abundance of Atomic Hydrogen in Saturn's Upper Atmosphere“ von Lotfi Ben-Jaffel, Julianne I. Moses, Robert A. West, Klaus-Michael Aye, Eric T. Bradley, John T. Clarke, Jay B. Holberg und Gilda E. Ballester, 30. März 2023, Planetary Science Journal.DOI: 10.3847/PSJ/acaf78

Das Hubble-Weltraumteleskop ist ein Projekt der internationalen Zusammenarbeit zwischen NASA und ESA. Das Goddard Space Flight Center der NASA in Greenbelt, Maryland, verwaltet das Teleskop. Das Space Telescope Science Institute (STScI) in Baltimore führt wissenschaftliche Hubble-Operationen durch. STScI wird für die NASA von der Association of Universities for Research in Astronomy in Washington, D.C. betrieben