Héliumeső hozhatja egyenesbe a Szaturnusz mágneses terének tengelyét

3980

A Szaturnusz az egyetlen ismert bolygó, amelynek mágneses tengelye szinte teljesen egybeesik a forgástengelyével. A NASA Cassini űrszondájának utolsó keringései során gyűjtött adatok új elemzésekor a kutatók arra jutottak, hogy a bolygó mágneses terének egyedülálló természete egy vastag héliumeső-rétegnek köszönhető, amelyben a héliumbuborékok lassan hullanak bele a planéta fémes hidrogénből álló magjába. A kutatás eredményeit a júniusi AGU Advances folyóiratban fogják közzétenni.

Ábra a Szaturnusz belsejéről a vastag, „héliumot nem oldó” réteggel, ahol a héliumbuborékok lassan szállnak alá a mag irányába. (Forrás: Yi Zheng (HEMI / MICA Extreme Arts Program))

A kutatók úgy gondolják, hogy a bolygók mágneses terét elektromosan vezető folyadékréteg forgása és konvekciója okozta dinamó-hatás hozza létre. A Föld mágneses tere például az olvadt vasból álló magjának heves áramlásából ered, a Jupiter és a Szaturnusz magja pedig folyékony, a magas nyomás és hőmérséklet miatt fémes állapotban lévő hidrogénből áll. Az Uránusz és a Neptunusz túl kicsi ahhoz, hogy megfelelő körülményeket teremtsen a folyékony hidrogén számára – úgy gondolják, hogy a belső dinamójukat ehelyett az ionizált víz egy szokatlan formája működteti.

A Szaturnuszon kívül az összes említett bolygó mágneses tengelye legalább néhány fokos szöget zár be a bolygó forgástengelyével. Az Uránusz és a Neptunusz a legszélsőségesebb: mágneses tengelyük 45 és 60 fok közötti szögben hajlik a forgástengelyhez.

A Pioneer és a Voyager űrszonda évtizedekkel ezelőtt megvizsgálta a külső bolygók mágneses terét és annak irányát is. A náluk sokkal későbbi Cassini küldetés adatai azonban azt mutatták, hogy a Szaturnusz esetében a maximális szög kivételesen kicsi lehet, legfeljebb 0,007°, mondja Hao Cao (Harvard University), aki ebben a kutatásban nem vett részt.

Modell a Szaturnusz mágneses teréről. (Forrás: Ankit Barik / Johns Hopkins University)

A bolygókutatók évtizedeken át úgy gondolták, hogy a Szaturnusz belseje 99%-ban hidrogénből és héliumból áll. Az azonban még nem ismert, hogy ezen elemek milyen arányban és halmazállapotban vannak jelen. A Cassini űrszonda utolsó hónapjaiban rögzített adatok segítségével a kutatók megtudhatják, milyenek a bolygó belső körülményei és az anyagok eloszlása, amelyek a Szaturnusz szokatlan irányultságú mágneses teréhez vezetnek.

Utolsó 22 keringése során a Cassini űrszonda egyre jobban megközelítette a Szaturnusz pólusait. „Csodálatos adatokat gyűjtött a mágneses térről, sokkal részletesebben, mint korábban.” – mondja Sabine Stanley (John Hopkins University).

Chi Yan (John Hopkins University) és Stanley beépítette az adatokat azokba a számítógépes modellekbe, amelyeket a különböző hatások által befolyásolt mágneses terek szimulációjához fejlesztettek ki. Addig alakítgatták a modelleket, amíg azok a lehető legjobban megfeleltek a megfigyeléseknek. Az űrszonda utolsó keringései, amelyek során a legközelebb jutott a Szaturnuszhoz, segítettek leszűkíteni a lehetséges feltételeket a bolygón.

A kutatók azt a modellt találták legmegfelelőbbnek, amelyben a Szaturnusz belseje négyrétegű. Itt a belső mag szilárd, esetleg konvektív áramlások nélküli, rétegzett folyadék. Tartalmazza azt a kőzetet és jeget, amely körül a Szaturnusz eredetileg kialakult, és nagyjából a felszínig vezető út negyedéig ér.

A következő a fémes hidrogénből és oldott héliumból álló konvektív külső mag, az a réteg, amely otthont ad a bolygó dinamójának. Itt olyan magas a hőmérséklet és a nyomás, hogy ennek a rétegnek szokatlan a halmazállapota, úgynevezett szuperkritikus folyadék állapotú: se nem folyékony, se nem gáz. Ez a felszín felé vezető út nagyjából 42%-áig ér.

A harmadik réteg is szuperkritikus folyadék állapotú, de itt a hélium nem oldódik fel a hidrogénben, hanem elkülönül tőle, ahogy az olaj a víztől. A hélium esőként hullik le a folyékony hidrogénben, de rendkívül lassan – ennek a lehetőségét már korábban felvetették, de nem sikerült megfigyeléssel alátámasztani.

A héliumeső különös és egyben lenyűgöző dolog, saját bevallása szerint Stanley kedvenc jelensége a Világegyetemben. Csak akkor jöhet létre, ha a nyomás 100 gigapascalnál nagyobb, ami nagyjából egymilliószorosa a Földön, tengerszinten mérhető légnyomásnak, de kisebb, mint a rendkívül sűrű mag nyomása. A Szaturnusz esetében ez a nyomásérték a felszín felé vezető út körülbelül 70%-ánál áll be. A hidrogén és a hélium alacsonyabb nyomáson, így a felszínhez közelebb keveredik, valamint a magban is, egymillió atmoszféra nyomáson azonban az olajhoz és a vízhez hasonlóan nem vegyíthetőek. A folyadék negyedét kitevő hélium buborékokat alkot a fémes hidrogénben, és a bolygó belseje felé hullik.

„Ez a folyamat rendkívül lassú.” – mondja Stanley. A hélium nem záporként hullik, inkább csak lassan leülepszik a héliumeső-réteg aljára, ahol a nyomás elég nagy ahhoz, hogy a fémessé váló hélium feloldódhasson a fémes hidrogénben.

„Mi csak egy megoldást találtunk.” – mondja Stanley. Az eredmények nem zárják ki, hogy más magyarázat is születik a Szaturnusz furcsa viselkedésére. „Nagyon örülnénk, ha mások más magyarázatokat találnának.”

Stanley már konzultált egy másik kutatócsoporttal, amely a Szaturnusz gyűrűiben a tömegvonzás hatására kialakuló hullámokat használja szeizmométernek a bolygó belsejének vizsgálatához. Az arXiv.org preprint portálon elérhető cikkben, amely jelenleg értékelés alatt áll, a Caltech munkatársai, Christopher Mankovich és Jim Fuller arról ír, hogy a Szaturnusz jégből és kőzetből álló magja és az azt borító fémes hidrogén réteg között diffúz az átmenet. A kutatók szerint ez a kevert réteg a Szaturnusz sugarának 60%-áig terjed, és a Földön található jég és kőzet tömegének mintegy 17-szeresét tartalmazza.

A NASA 2025-ig meghosszabbította a Juno űrszonda jupiteri küldetését, amely Cao szerint „sokkal több információval fog szolgálni a Jupiterről és a Szaturnuszról az összehasonlító kutatásokhoz”. Ennek segítségével jobban megismerhetjük a két gázóriás belső rétegeit, és talán a 4,5 milliárd évvel ezelőtt végbement bolygókeletkezési folyamatokat is.

Forrás: Sky & Telescope

Hozzászólás

hozzászólás