Kas Phoebe'i ring muutis kuud punaseks?

Saturni kõige salapärasem rõngas võis mängida võtmerolli Iapetuse ja Hyperioni pindade ümberkujundamisel.

Iapetus, Saturni kahetooniline kuu, nagu nägi Cassini 2015. aastal. Kuu kaks poolt on selgelt nähtavad. Kujutise krediit: NASA / JPL-Caltech / Kosmoseteaduse instituut.

Iapetusel, Saturni suuruselt kolmandal kuul, on Päikesesüsteemi üks kummalisemaid pindu. Üks poolkera, nimega Cassini Regio, on tume, kerge punaka varjundiga, vastaspoolkera on aga valge. Lisaks on teisel küljel oluliselt kõrgem albedo, mis tähendab, et see peegeldab palju rohkem valgust kui tume punakas külg. Seda omapärast lahknevust märkas esmakordselt kolm sajandit tagasi Giovanni Cassini ja tema poolt nimetatud sond pildistas seda 2007. aastal üksikasjalikult.

Heleduse erinevuse juhtiv teooria väidab, et aja jooksul sublimeerus veejää Kuu ühelt küljelt. See viis termilise tagasiside ahelasse, muutes poolkera albeedot ja suurendades seetõttu selle pinnatemperatuuri, põhjustades suurema sublimatsiooni. Kosmoseaparaadi Cassini hiljutised tähelepanekud toetavad seda hüpoteesi. Teoorial puudub aga üks asi: viis selle tagasiside saamiseks.

Cassini piltide mosaiigist tehtud Iapetuse silindriline projektsioon. Pildikrediit: NASA / JPL-Caltech / Kosmoseteaduse instituut / Kuu- ja planetaarinstituut.

Ilmnes üks võimalik seletus: võib-olla pärinevad protsessi käivitamise eest vastutavad tumepunased osakesed mõnest teisest astronoomilisest kehast, võib-olla teisest Saturni kuust. See jäi oletuseks kuni 2009. aastani, mil infrapuna-Spitseri kosmoseteleskoop tegi üllatava avastuse: tohutu ketta materjal, mis oli 25 korda suurem kui ülejäänud Saturni rõngad. Lugege edasi, et teada saada, mida Spitzer leidis, kust see tuli ja miks see on nii oluline.

Kuidas teha 11 miljoni kilomeetri laiune ring?

Saturni rõngaste süsteem on Päikesesüsteemis suurim ja hõlpsalt kõige keerulisem. See koosneb mitmest eristatavast kivi- ja jääribast, mida eraldavad tühjad lüngad, mida hooldavad lambakoerad. Sel ajal, kui hele A-ring lõpeb planeedist 137 000 km kaugusel, on sellest kaugemal õhemad ja õhemad rõngad, sealhulgas 480 000 km-ni ulatuv hõre E-ring ehk 8,25 Saturni raadius.

Cassini lõplik pilt Saturnist, tehtud 2017. aastal. Mitmed kuud on märgistatud, kuigi äärmiselt nõrgad. Kujutise krediit: NASA / JPL-Caltech / Kosmoseteaduse instituut.

Arvatakse, et peamised rõngad tekkisid umbes 100 miljonit aastat tagasi, suure tõenäosusega kuust, mille lõhestasid loodejõud. Tundub, et mitu väiksemat rõngast on aktiivselt täiendatud. Näiteks näitas Cassini lendorav, et Enceladusest pärit jäised geisrid väljutavad pisikesi osakesi, mis moodustavad E-rõnga. Aastal 2009 oli rõngamaterjalide võimalikuks allikaks sihtrühmaks veel üks kuu: Phoebe, mis liigub ekstsentrilisel retrograadsel orbiidil, Saturni raadiusega 215 pool-suurema teljega.

Spitzeri kosmoseteleskoop kujutas Saturni lainepikkustel 24 ja 70 μm, lainepikkustel peaks jahe tolm olema kõige nähtavam. Vaatlused ei valmistanud pettumust. Piltide mosaiigid näitasid suurt tolmurõngast, mis ulatusid Saturni raadiuse vahemikus 128 kuni 215 ja hämmastavalt 40 Saturni raadiust. See asus selgelt kuu ümber ja ulatus sissepoole piisavalt kaugele, et lihtsalt Iapetuse orbiiti harjata. Mudelid näitasid, et suurem osa materjalist ei asunud aga planeedile nii lähedal. Iapetuse orbiidile jõudmiseks oleks ta pidanud läbima umbes 8,7 miljonit kilomeetrit. Kuidas see siis juhtuda võib ja miks mõjutab see ainult pool Iapetust?

Joonis 1, Verbischer jt. 2009. Phoebe'i ring on kõige silmatorkavamalt nähtaval mosaiigiga, mille silt on MIPSON, vahemikus 128 kuni 180 Saturni raadiust. Suured diagonaaljooned on vaid vaatluslikud esemed.

Ejektsiooni protsess tundus üsna selge: mikrometeoroidne löök. Kui Phoebe pinnale jõudsid väikesed kivimitükid, väljutavad nad koorikust pisikesed jääosakesed ja silikaadi, mis pääsevad Kuust ja moodustavad selle ümber tolmuse rõnga. Ejekta levib kiiresti, kasutades Poynting-Robertsoni efekti. Väikesed osakesed neelavad päikesekiirgust ja kiirgavad seda siis uuesti asümmeetriliselt, mis viib orbitaalnurga impulsi vähenemiseni. Kümnete miljonite aastate jooksul langevad need osakesed tänu sellele taaskiirgusele madalamatesse orbiitidesse. Poynting-Robertsoni efekt on protoplanetaarsete ketaste - ja näib, ka rõngaste süsteemide - evolutsioonis oluline tegur.

See inspireeriv materjal kataks Iapetus ühtlaselt, kui see ei puudutaks kuude orbiitide ebaharilikke omadusi. Esiteks on Iapetus tõusulainega Saturni külge lukustatud, nii et üks poolkera on alati „juhtiv” külg ja teine ​​on alati „taga”. Teiseks on Phoebel tagasiulatuv orbiit, see tähendab, et see liigub enamiku Saturni kuude tagurpidi - ja seetõttu toimub ka tema tolmurõngas. See tähendab, et kui rõngaosakesed põrkuvad Iapetusega, teevad nad seda ainult selle esiküljel, muutes ühe poolkera tumedaks ja vähendades albeedo suurust.

Joonis 4, Verbischer jt. 2009. Osakeste liikumise arvulised simulatsioonid 2000 aasta jooksul näitasid, kuidas rõngas võiks kasvada, et jõuda Iapetuse ja isegi Titani orbiitidele, mida tähistavad Saturni ümber õhukesed sinised rõngad.

Spektroskoopia: probleemid ja lahendused

Teooria pole ilma probleemideta. Põhiküsimus avastati Phoebe, Iapetuse ja Hyperioni spektroskoopiliste vaatluste kaudu - väikese ebakorrapärase Saturni kuuga, mis on punastatud samamoodi nagu Iapetus. Phoebe ja Iapetus näitavad spektrilisi sarnasusi, sealhulgas silmapaistvat neeldumisfunktsiooni 3 μm juures, mis on omistatud mõlemal kehal leiduvatele süsivesinikele, mis tõendab ühist minevikku (Cruikshank jt 2008).

Joonised 3 ja 8, Cruikshank et al. 2008. Neeldumisriba, mille keskpunkt on 3 μm, on mõlema kuu infrapunaspektrites selgelt nähtav. Arvatakse, et vastutavad polütsüklilised aromaatsed süsivesinikud (PAH).

Samade materjalide olemasolu kahel kuul ei tähenda, et materjal ühest kanti teisele. Lihtne seletus võiks olla see, et nad moodustusid lihtsalt sarnastes keskkondades - ideed toetab asjaolu, et Iapetus on Phoebe lähim naaber. Phoebe ja Iapetus arvatakse siiski olevat erinevatest kohtadest; Phoebe on tõenäoliselt hõivatud asteroid, mis moodustus Kuiperi vööndis, samal ajal kui Iapetus moodustus in situ Saturni ümber. See toetab rohkem ideed, et materjali ülekandmine toimus pärast kuude moodustamist.

Joonis 1, Buratti jt. 2002.

Kuigi süsivesinike ja teiste molekulide spektraalsed omadused tunduvad hea uudisena, ei toeta kõik spektroskoopilised andmed teooriat, et kuud on omavahel seotud. Näiteks näitab kolme kuu ja paljude väiksemate kuude ning asteroidide spektrianalüüs 2000. aastate algusest (Buratti jt 2002), Phoebe ja kahe teise mooni vahel lainepikkusega 0,4–1,0 μm. Hyperioni ja Iapetuse tumedad alad on äärmiselt sarnased; Phoebe pind pole. Esmapilgul näib see olevat selge tõend kogu teooria vastu, kuid raskusi välditakse, kui eeldada, et suurem osa praegusest värvimuutusest ei tulene otseselt Phoebe'i ringist sadestumisest.

Alguses mainisin mingisugust termilist tagasisidet, mille käivitas materjali Phoebest ülekandmine. Algselt Iapetuse juhtivale poolkerale sadestunud materjal langes suure osa selle jäisest pinnast. Tolmul oli madal albedo, mis tähendab, et see neelab suurema osa valgust, mis seda tabab. See soojendab seda. Seejärel kandub see kuumus tolmuga kaetud jääle ja jää sublimeerub, vähendades veelgi Kuu albeedot (vt Spencer & Denk 2010).

Sarnane protsess võib toimuda ka Hyperionil. Hyperion ei ole siiski Saturniga tõmbamisega seotud - tegelikult on selle pöörlemine nii kaootiline, et kukub läbi ruumi. See tähendab, et see oleks pidanud tolmu kogu pinna pinnale kerkima, ühtlaselt tumedamaks muutma. Sama tagasisideahel võib ilmneda, kuid see poleks värvi ja albedo sellist asümmeetrilist jaotust tekitanud.

Joonis 3, Verbischer jt. 2009. See graafik näitab heite intensiivsust rõnga erinevatel kõrgustel. Hele koht on taustagalaktika.

On olemas tõendid idee kohta, et Phoebe-ring vastutab Iapetuse ja Hyperioni paaritute pindade eest, ja on ka tõendeid, et tsüklit alustas mõni muu materjali allikas. Sõrmust ennast uuritakse endiselt nii infrapuna kui ka optilise lainepikkuse korral, et proovida selle suurust ja massi veelgi täpsemini tuvastada. Pole vahet, kas see on värvimuutuse taga olev mehhanism, kuid jääb - praegu - Saturni suurimaks rõngaks.