Составить дневное расписание на Сатурне не такая лёгкая задача, как вы могли бы подумать.
Измерения, которые были произведены с помощью космического аппарата НАСА Кассини, показали, что окольцованная планета имеет более длинный день, чем считалось ранее. Первые расчёты продолжительности дня на Сатурне были проведены более 20 лет назад с помощью аппарата Вояджер 2. Чтобы более точно измерить скорость вращения Сатурна, группа учёных применила математический подход, основываясь на измерениях гравитационного поля планеты.
"Хотя неточность в 15 минут может показаться небольшой в сравнении с примерно 10,5 часами, за которые Сатурн делает оборот вокруг своей оси, скорость его вращения важно знать точно", - говорит Равит Хеллед, ведущий специалист Университета Тель-Авива в Израиле. "Знать период вращения важно для того, чтобы лучше понимать динамику атмосферы и внутреннюю структуру планеты".
Загадки обращения
Когда Вояджер 2 посетил Сатурн в 1981 году, его измерения показали, что планета совершает один оборот за 1 час 39 минут. Но когда в начале 2000-х Кассини впервые подлетел к Сатурну, оказалось, что период обращения составляет 10 часов 47 минут, причём это значение изменялось при каждом новом измерении.
У газовых гигантов, таких, как Сатурн, нет твёрдой поверхности, поэтому учёным нужно искать другие подходы. Вояджер и Кассини использовали метод измерения радиоизлучения, но из-за того что показания постоянно менялись, его признали несостоятельным.
Радиоизлучение не единственный метод измерения вращения газовых планет. У планет, магнитный полюс которых не совпадает с осью вращения, измерения магнитного поля могут помочь узнать, насколько быстро вращается планета. Однако у Сатурна магнитное поле совпадает с осью вращения, поэтому к нему такой метод применить нельзя.
Третий способ это измерить, насколько быстро облако в атмосфере Сатурна делает оборот вокруг планеты. Однако скорость движения облака не обязательно будет совпадать со скоростью вращения планеты, что делает этот метод спорным.
Хеллед и её команда решили применить более математический подход к измерению скорости вращения Сатурна. Команда вычисляла период вращения с помощью коэффициентов, отображающих внутреннюю часть планеты, в затем искала такое значение периода вращения, которое подходит большинству вычислений.
"Мы не хотели, чтобы вычисленный период полностью ассоциировался с внутренней структурой, поэтому мы учли многие возможности в их физическом диапазоне", - сказала Хеллед. "Существует много значений скорости обращения, но мы обнаружили, что все они стремятся примерно к одному значению".
Теоретическое значение периода обращения составило 10 часов 33 минуты, что хорошо коррелировало с предыдущими результатами измерений.
Проверка теории
Новые вычисления основывались на точно измеренном магнитном поле планеты. Когда Кассини облетал Сатурн, он измерял воздействие планеты на космический корабль, определяя усиление или ослабление гравитации. Хотя изменения гравитации основываются на изменениях внутренней структуры, математический подход команды учёл различия внутренней структуры, влияющие на информацию о гравитационном поле.
"Преимущество нашего метода в том, что он учитывает специфическую внутреннюю структуру Сатурна, не полагается на зависимую от ветра траекторию облаков, и позволяет принимать во внимание широкий спектр значений в рамках измеренных физических свойствах планеты и их неопределённости", - сказала Хеллед.
Чтобы уточнить вычисления, команда также использовала измерения приплюснутости планеты. Приплюснутость появляется из-за того, что вращающиеся тела практически никогда не бывают идеальными сферами; чем быстрее они вращаются, тем больше они вытянуты вдоль экватора. Хеллед, однако, подчеркнула, что ветры также влияют на приплюснотость – сильные ветры у экватора увеличивают её.
После теоретических вычислений скорости обращения Сатурна, команда переключилась на Юпитер, скорость обращение которого хорошо известна. Используя тот же математический подход, исследователи получили теоретическое значение скорости обращения, совпадающее с реальным. Этот результат подтвердил их метод. Хеллед называет результаты их работы по Юпитеру "очень вдохновляющими".
Новое, точное определение скорости обращения Сатурна поможет учёным определить внешнюю и внутреннюю структуру планеты. Оно поможет узнать структуру протопланетарного диска, из которого образовались планеты, а также понять процесс образования газовых гигантов. Оно также может помочь в изучении атмосферной динамики.
"Это значение скорости Сатурна подтверждает, что структура широтных ветров более симметрична и содержит как восточные, так и западные ураганы, такие, как мы видим на Юпитере", - сказала Хеллед.