Nowe badania prowadzone przez fizyka Saschę Kempfa z University of Colorado Boulder dostarczyły najsilniejszych jak dotąd dowodów na to, że pierścienie Saturna są niezwykle młode – potencjalnie odpowiadając na pytanie, które wprawia naukowców w zakłopotanie od ponad wieku.
Badania, które zostaną opublikowane 12 maja w czasopiśmie Science Advances, określają wiek pierścieni Saturna na nie więcej niż 400 milionów lat. To sprawia, że pierścienie są znacznie młodsze niż sam Saturn, który ma około 4,5 miliarda lat.
“W pewnym sensie udało nam się zamknąć pytanie, które zaczęło się od Jamesa Clerka Maxwella” – powiedział Kempf, profesor nadzwyczajny w Laboratorium Fizyki Atmosfery i Przestrzeni Kosmicznej (LASP) w CU Boulder.
Naukowcy doszli do tego zamknięcia, badając coś, co może wydawać się niezwykłe: kurz.
Kempf wyjaśnił, że maleńkie ziarna materiału skalnego przepływają przez Układ Słoneczny Ziemi niemal bez przerwy. W niektórych przypadkach strumień ten może pozostawić cienką warstwę pyłu na ciałach planetarnych, w tym na lodzie tworzącym pierścienie Saturna.
W nowym badaniu on i jego współpracownicy postanowili ustalić datę na pierścieniach Saturna, badając, jak szybko gromadzi się ta warstwa pyłu – trochę jak określanie wieku domu przez przesuwanie palcem po jego powierzchni.
„Pomyśl o pierścieniach jak o dywanie w twoim domu” – powiedział Kempf. „Jeśli masz ułożony czysty dywan, musisz po prostu poczekać. Kurz osiądzie na dywanie. To samo dotyczy pierścieni”.
Był to żmudny proces: od 2004 do 2017 roku zespół używał instrumentu o nazwie Cosmic Dust Analyzer na pokładzie późnej sondy kosmicznej Cassini NASA, aby analizować drobinki pyłu latające wokół Saturna. W ciągu tych 13 lat naukowcy zebrali zaledwie 163 ziarna, które pochodziły spoza bliskiego sąsiedztwa planety. Ale to wystarczyło. Opierając się na ich obliczeniach, pierścienie Saturna prawdopodobnie gromadzą kurz od zaledwie kilkuset milionów lat.
Innymi słowy, pierścienie planety to nowe zjawiska, pojawiające się (a potencjalnie nawet znikające) w czasie, który w skali kosmicznej równa się mrugnięciu oka.
„Wiemy mniej więcej, ile lat mają pierścienie, ale to nie rozwiązuje żadnego z naszych innych problemów” – powiedział Kempf. „Nadal nie wiemy, jak powstały te pierścienie”.
Od Galileusza do Cassiniego
Te pozornie przezroczyste pierścienie fascynują naukowców od ponad 400 lat. W 1610 roku włoski astronom Galileo Galilei po raz pierwszy obserwował te cechy przez teleskop, chociaż nie wiedział, czym one są. (Oryginalne rysunki Galileusza sprawiają, że pierścienie wyglądają trochę jak uchwyty dzbanka na wodę). W XIX wieku Maxwell, naukowiec ze Szkocji, doszedł do wniosku, że pierścienie Saturna nie mogą być solidne, lecz składają się z wielu pojedynczych elementów.
Dziś naukowcy wiedzą, że na Saturnie znajduje się siedem pierścieni składających się z niezliczonych kawałków lodu, z których większość nie jest większa niż głaz na Ziemi. W sumie ten lód waży około połowy tego, co księżyc Saturna Mimas i rozciąga się prawie 175 000 mil od powierzchni planety.
Kempf dodał, że przez większą część XX wieku naukowcy zakładali, że pierścienie prawdopodobnie powstały w tym samym czasie co Saturn.
Ale ten pomysł wywołał kilka problemów – a mianowicie pierścienie Saturna są lśniąco czyste. Obserwacje sugerują, że struktury te składają się w około 98% z czystego lodu wodnego, z niewielką ilością materii skalistej.
„Otrzymanie czegoś tak czystego jest prawie niemożliwe” — powiedział Kempf.
Cassini dała możliwość ustalenia ostatecznego wieku pierścieni Saturna. Sonda po raz pierwszy przybyła na Saturna w 2004 roku i zbierała dane, aż celowo zderzyła się z atmosferą planety w 2017 roku. Kosmiczny analizator pyłu, który miał kształt przypominający wiadro, zbierał małe cząsteczki, gdy przelatywały obok.
Inżynierowie i naukowcy z LASP zaprojektowali i zbudowali znacznie bardziej wyrafinowany analizator pyłu dla nadchodzącej misji NASA Europa Clipper, której start zaplanowano na 2024 rok.
Zespół oszacował, że ten międzyplanetarny brud wnosi znacznie mniej niż gram pyłu na każdy metr kwadratowy pierścieni Saturna każdego roku – niewielka kropla, ale wystarczająca do sumowania się z czasem. Wcześniejsze badania sugerowały również, że pierścienie mogą być młode, ale nie obejmowały ostatecznych pomiarów gromadzenia się pyłu.
Łut szczęścia
Pierścienie mogą już znikać. W poprzednim badaniu naukowcy z NASA poinformowali, że lód powoli opada na planetę i może całkowicie zniknąć w ciągu kolejnych 100 milionów lat.
To, że te efemeryczne cechy istniały w czasie, gdy Galileo i sonda Cassini mogły je obserwować, wydaje się prawie zbyt piękne, aby mogło być prawdziwe, powiedział Kempf – i prosi się o wyjaśnienie, w jaki sposób powstały pierścienie. Na przykład niektórzy naukowcy wysunęli hipotezę, że pierścienie Saturna mogły powstać, gdy grawitacja planety rozerwała jeden z jej księżyców.
„Jeśli pierścienie są krótkotrwałe i dynamiczne, dlaczego widzimy je teraz?” powiedział. „To za dużo szczęścia”.
Współautorami nowego badania są Nicolas Altobelli z Europejskiej Agencji Kosmicznej; Jürgen Schmidt z Freie Universität Berlin; Jeffrey Cuzzi i Paul Estrada z NASA Ames Research Center; i Ralf Srama z Universität Stuttgart.