На этом составном изображении показана выпуклость Сатурна Лайман-альфа, излучение водорода, которое представляет собой постоянный и неожиданный избыток, обнаруженный тремя различными миссиями НАСА, а именно «Вояджером-1», «Кассини» и космическим телескопом Хаббла, в период с 1980 по 2017 год. изображение, полученное в 2017 году во время лета Сатурна в северном полушарии, используется в качестве эталона для зарисовки излучения планеты Лайман-альфа. Кольца кажутся намного темнее, чем тело планеты, потому что они отражают гораздо меньше ультрафиолетового солнечного света. Над кольцами и темной экваториальной областью выпуклость Лайман-альфа выглядит как протяженная (30 градусов) широтная полоса, которая на 30 процентов ярче, чем окружающие области. Между кольцами и экваториальной областью появляется небольшая часть южного полушария, но она тусклее, чем северное полушарие. К северу от области выпуклости (верхняя правая часть изображения) яркость диска постепенно уменьшается в зависимости от широты по направлению к яркой области полярного сияния, которая показана здесь для справки (не в масштабе). Темное пятно внутри области полярного сияния представляет собой след оси вращения планеты. Считается, что частицы ледяных колец, попадающие в атмосферу на определенных широтах, и сезонные эффекты вызывают нагревание атмосферы, из-за которого водород в верхних слоях атмосферы отражает больше солнечного света Лайман-альфа в области выпуклости. Это неожиданное взаимодействие между кольцами и верхними слоями атмосферы в настоящее время тщательно исследуется, чтобы определить новые диагностические инструменты для оценки того, имеют ли отдаленные экзопланеты расширенные системы колец, подобные Сатурну. Авторы и права: НАСА, ЕКА, Лотфи Бен-Джаффель (IAP и LPL) яркость диска постепенно снижается в зависимости от широты по направлению к яркой области полярного сияния, которая показана здесь для справки (не в масштабе). Темное пятно внутри области полярного сияния представляет собой след оси вращения планеты. Считается, что частицы ледяных колец, попадающие в атмосферу на определенных широтах, и сезонные эффекты вызывают нагревание атмосферы, из-за которого водород в верхних слоях атмосферы отражает больше солнечного света Лайман-альфа в области выпуклости. Это неожиданное взаимодействие между кольцами и верхними слоями атмосферы в настоящее время тщательно исследуется, чтобы определить новые диагностические инструменты для оценки того, имеют ли отдаленные экзопланеты расширенные системы колец, подобные Сатурну. Авторы и права: НАСА, ЕКА, Лотфи Бен-Джаффель (IAP и LPL) яркость диска постепенно снижается в зависимости от широты по направлению к яркой области полярного сияния, которая показана здесь для справки (не в масштабе). Темное пятно внутри области полярного сияния представляет собой след оси вращения планеты. Считается, что частицы ледяных колец, попадающие в атмосферу на определенных широтах, и сезонные эффекты вызывают нагревание атмосферы, из-за которого водород в верхних слоях атмосферы отражает больше солнечного света Лайман-альфа в области выпуклости. Это неожиданное взаимодействие между кольцами и верхними слоями атмосферы в настоящее время тщательно исследуется, чтобы определить новые диагностические инструменты для оценки того, имеют ли отдаленные экзопланеты расширенные системы колец, подобные Сатурну. Авторы и права: НАСА, ЕКА, Лотфи Бен-Джаффель (IAP и LPL) Темное пятно внутри области полярного сияния представляет собой след оси вращения планеты. Считается, что частицы ледяных колец, попадающие в атмосферу на определенных широтах, и сезонные эффекты вызывают нагревание атмосферы, из-за которого водород в верхних слоях атмосферы отражает больше солнечного света Лайман-альфа в области выпуклости. Это неожиданное взаимодействие между кольцами и верхними слоями атмосферы в настоящее время тщательно исследуется, чтобы определить новые диагностические инструменты для оценки того, имеют ли отдаленные экзопланеты расширенные системы колец, подобные Сатурну. Авторы и права: НАСА, ЕКА, Лотфи Бен-Джаффель (IAP и LPL) Темное пятно внутри области полярного сияния представляет собой след оси вращения планеты. Считается, что частицы ледяных колец, попадающие в атмосферу на определенных широтах, и сезонные эффекты вызывают нагревание атмосферы, из-за которого водород в верхних слоях атмосферы отражает больше солнечного света Лайман-альфа в области выпуклости. Это неожиданное взаимодействие между кольцами и верхними слоями атмосферы в настоящее время тщательно исследуется, чтобы определить новые диагностические инструменты для оценки того, имеют ли отдаленные экзопланеты расширенные системы колец, подобные Сатурну. Авторы и права: НАСА, ЕКА, Лотфи Бен-Джаффель (IAP и LPL) Ученые полагали, что частицы ледяных колец, падающие в атмосферу на определенных широтах, и сезонные эффекты вызывают нагревание атмосферы, из-за которого водород в верхних слоях атмосферы отражает больше солнечного света Лайман-альфа в области выпуклости. Это неожиданное взаимодействие между кольцами и верхними слоями атмосферы в настоящее время тщательно исследуется, чтобы определить новые диагностические инструменты для оценки того, имеют ли отдаленные экзопланеты расширенные системы колец, подобные Сатурну. Авторы и права: НАСА, ЕКА, Лотфи Бен-Джаффель (IAP и LPL) Ученые полагали, что частицы ледяных колец, падающие в атмосферу на определенных широтах, и сезонные эффекты вызывают нагревание атмосферы, из-за которого водород в верхних слоях атмосферы отражает больше солнечного света Лайман-альфа в области выпуклости. Это неожиданное взаимодействие между кольцами и верхними слоями атмосферы в настоящее время тщательно исследуется, чтобы определить новые диагностические инструменты для оценки того, имеют ли отдаленные экзопланеты расширенные системы колец, подобные Сатурну. Авторы и права: НАСА, ЕКА, Лотфи Бен-Джаффель (IAP и LPL)

Тайна скрывается на виду уже 40 лет. Но потребовалась проницательность опытного астронома, чтобы собрать все это вместе в течение года, используя наблюдения Сатурна с космического телескопа Хаббл НАСА и вышедшего из эксплуатации зонда Кассини, в дополнение к космическим кораблям «Вояджер-1» и «Вояджер-2» и вышедшей на пенсию миссии «Международный ультрафиолетовый исследователь».

Открытие: обширная система колец Сатурна нагревает верхнюю атмосферу планеты-гиганта . Это явление никогда прежде не наблюдалось в Солнечной системе. Это неожиданное взаимодействие между Сатурном и его кольцами, которое потенциально может предоставить инструмент для предсказания того, есть ли у планет вокруг других звезд великолепные системы колец, подобные Сатурну.

Контрольным свидетельством является избыток ультрафиолетового излучения, наблюдаемого в виде спектральной линии горячего водорода в атмосфере Сатурна. Всплеск радиации означает, что что-то загрязняет и нагревает верхние слои атмосферы извне.

Наиболее правдоподобное объяснение состоит в том, что этот нагрев вызывают частицы ледяных колец, падающие дождем на атмосферу Сатурна. Это может быть связано с воздействием микрометеоритов, бомбардировкой частицами солнечного ветра, солнечным ультрафиолетовым излучением или электромагнитными силами, собирающими электрически заряженную пыль. Все это происходит под воздействием гравитационного поля Сатурна, втягивающего частицы внутрь планеты. Когда зонд НАСА «Кассини» погрузился в атмосферу Сатурна в конце своей миссии в 2017 году, он измерил состав атмосферы и подтвердил, что многие частицы падают из колец.

«Хотя медленный распад колец хорошо известен, его влияние на атомарный водород планеты является неожиданностью. С зонда «Кассини» мы уже знали о влиянии колец. Однако мы ничего не знали о содержании атомарного водорода, — сказал Лотфи Бен-Джаффель из Института астрофизики в Париже и Лунной и планетарной лаборатории Аризонского университета, автор статьи, опубликованной 30 марта в Planetary Science Journal.

«Все управляется кольцевыми частицами, попадающими в атмосферу на определенных широтах. Они модифицируют верхние слои атмосферы, изменяя ее состав», — сказал Бен-Джаффель. «И тогда у вас также есть столкновительные процессы с атмосферными газами, которые, вероятно, нагревают атмосферу на определенной высоте».

Вывод Бен-Джаффеля потребовал объединения архивных наблюдений ультрафиолетового света (УФ) из четырех космических миссий, изучавших Сатурн. Сюда входят наблюдения двух зондов НАСА «Вояджер», которые пролетели мимо Сатурна в 1980-х годах и измерили избыток УФ-излучения. В то время астрономы отклонили измерения как шум в детекторах.

Миссия Кассини, прибывшая к Сатурну в 2004 году, также собрала УФ-данные об атмосфере (за несколько лет). Дополнительные данные поступили от «Хаббла» и «Международного ультрафиолетового исследователя», запущенного в 1978 году в результате международного сотрудничества между НАСА, ЕКА (Европейское космическое агентство) и Советом по научным и инженерным исследованиям Соединенного Королевства.

Но нерешенный вопрос заключался в том, могут ли все данные быть иллюзорными или вместо этого отражать истинное явление на Сатурне.

Ключом к сборке головоломки стало решение Бен-Джаффеля использовать измерения спектрографа изображений космического телескопа Хаббла (STIS). Его точные наблюдения Сатурна использовались для калибровки архивных данных УФ-излучения всех четырех других космических миссий, которые наблюдали Сатурн. Он сравнил наблюдения Сатурна в УФ-диапазоне STIS с распределением света от нескольких космических миссий и инструментов.

«Когда все было откалибровано, мы ясно увидели, что спектры совпадают во всех миссиях. Это стало возможным, потому что у нас есть одна и та же точка отсчета, полученная от Хаббла, по скорости передачи энергии из атмосферы, измеренной за десятилетия», — Бен - сказал Джаффел. «Для меня это было настоящим сюрпризом. Я просто свел воедино разные данные о распределении света, а потом понял, вау, это одно и то же».

Данные об УФ-излучении за четыре десятилетия охватывают несколько солнечных циклов и помогают астрономам изучать сезонное воздействие Солнца на Сатурн. Собрав воедино все разнообразные данные и откалибровав их, Бен-Джаффель обнаружил, что нет никакой разницы в уровне УФ-излучения. «В любое время, в любом месте на планете мы можем следить за уровнем УФ-излучения», — сказал он. Это указывает на постоянный «ледяной дождь» из колец Сатурна как на лучшее объяснение.

«Мы находимся только в начале этого эффекта характеристики колец в верхних слоях атмосферы планеты. В конечном итоге мы хотим иметь глобальный подход, который даст реальную характеристику атмосфер на удаленных мирах. Одна из целей этого исследования состоит в том, чтобы посмотрим, как мы можем применить его к планетам, вращающимся вокруг других звезд. Назовем это поиском «экзо-колец».