Колебания «населения» протонного пояса Сатурна объяснили ультрафиолетом

В период между 2010 и 2012 годом зонд «Кассини» зафиксировал резкое снижение, а затем восстановление населенности (числа частиц) внешнего протонного пояса Сатурна. В своей работе ученые из США, Германии и Франции объяснили это необычное поведение изменением коэффициента рассеяния, которое, в свою очередь, могло быть вызвано изменением интенсивности ультрафиолетового излучения. Статья опубликована в Nature Astronomy.

Планеты, обладающие сильным магнитным полем (например, Земля или Сатурн) окружены радиационными поясами, которые в основном состоят из протонов и электронов с энергиями порядка мегаэлектронвольт. Частицы в протонном поясе Земли возникают из-за взаимодействия галактических космических лучей (GCR) с атмосферой, а также из-за медленного радиального переноса (inward radial transport). Число частиц в этом поясе связано с солнечным циклом и геомагнитными бурями, но механизмы этой зависимости пока еще не до конца понятны.

Протонные пояса у Сатурна изучать проще, чем у Земли, поскольку частицы в них могут появляться только из-за взаимодействия космических лучей с атмосферой и веществом колец. Поэтому наблюдение за ними поможет понять более сложные радиационные пояса. До сих пор данных по поясам Сатурна было собрано недостаточно, чтобы понять механизмы, управляющие ими, однако непосредственные (in situ) измерения зонда «Кассини» за последние 13 лет позволили выявить некоторые подробности.

Всего у Сатурна четыре протонных пояса, расположенных между кольцом F и орбитой спутника Тефия. В этом диапазоне проходят орбиты еще трех спутников (Януса, Мимаса и Энцелада), которые отделяют пояса друг от друга и от внутренней магнитосферы. Это исключает радиальный перенос частиц, и в основном ионы в поясах образуются из-за взаимодействия космических лучей с веществом. В то же время, спектр космических лучей изменяется в течение 11-летнего цикла солнечной активности, поскольку в течение него меняется магнитное поле солнечного ветра, который отражает низкоэнергетические частицы и вытесняет их из гелиосферы. По идее, это должно сказываться на населенности протонных поясов.

Данные предыдущих исследований показывали, что существует корреляция между интенсивностью космических лучей и числом ионов во внешнем радиационном поясе (расположенном между орбитами Энцелада и Тефии). Однако дальнейшие наблюдения «Кассини» выявили расхождения в период между 2010 и 2012 годом, когда населенность пояса резко упала по сравнению с интенсивностью GCR и потом так же резко возросла. Более того, авторы статьи показали с помощью численного моделирования, что это расхождение нельзя объяснить с помощью стандартного механизма образования ионов.

Это заставило ученых предположить, что эволюция протонных радиационных поясов обусловлена не зависящим от времени источником (космическими лучами), а зависящими от времени потерями. Такие потери могут быть обеспечены радиальным рассеянием или рассеянием на питч-угол (radial or pitch angle diffusion). Рассеяние вносит небольшие возмущения в траектории частиц, которые растут со временем и приводят частицы на орбиты спутников (в первом случае) или в плотные слои атмосферы (во втором), где они поглощаются. Поэтому увеличение коэффициента рассеяния должно приводить к увеличению потерь.

В свою очередь, изменение коэффициента рассеяния может быть обусловлено изменением интенсивности высокоэнергетического ультрафиолетового излучения (extreme ultraviolet, EUV). Резкое увеличение и спад EUV действительно наблюдались между 2010 и 2012 годом. Поэтому ученые снова численно смоделировали происходящие в протонных поясах процессы, включив в модель радиальное рассеивание и учитывая изменение коэффициента рассеяния. На этот раз полученные зависимости совпали с экспериментальными данными.

Ученые считают, что радиальное рассеивание должно играть важную роль в эволюции радиационных поясов не только Сатурна, но и других планет. Тем не менее, пока еще не понятно, как именно связаны коэффициенты рассеяния и интенсивность ультрафиолетового излучения.

Не так давно зонд «Кассини» завершил свою миссию, войдя в атмосферу Сатурна. Об основных открытиях, которые зонд успел сделать за 13 лет работы, можно прочитать в нашем материале.

Дмитрий Трунин

Нашли опечатку? Выделите фрагмент и нажмите Ctrl+Enter.
Угольную кислоту впервые нашли в космосе

Она оказалась в молекулярном облаке

Астрономы впервые достоверно обнаружили в молекулярном облаке Млечного Пути угольную кислоту. Это первая межзвездная молекула, содержащая три атома кислорода, и третья карбоновая кислота, обнаруженная на данный момент в космосе. Статья опубликована в The Astrophysical Journal. Карбоновые кислоты представляют собой разновидность сложных органических молекул, широко распространены в природе и считаются предшественниками многих важных для существования жизни пребиотических молекул, таких как аминокислоты и липиды. Однако к настоящему моменту в межзвездной среде были достоверно обнаружены лишь два таких соединения — муравьиная и уксусная кислоты. Группа астрономов во главе с Мигелем Санс-Ново (Miguel Sanz-Novo) из Испанского астробиологического центра сообщила, что впервые нашла в межзвездной среде угольную кислоту (HOCOOH). Эта молекула играет важную роль в различных биологических и геохимических процессах, ранее ее наличие предсказывалось для ледяных спутников планет-гигантов, а также Меркурия и Марса. Наблюдения велись за молекулярным облаком G+0.693—0.027, расположенным в направлении центра Млечного Пути, при помощи 40-метрового радиотелескопа Обсерватории Йебеса и 30-метрового радиотелескопа IRAM в период с марта 2021 по март 2022 года и с 1 по 18 февраля 2023 года. Исследователи обнаружили в облаке цис-транс конформер угольной кислоты со значением колонковой плотности 6,4×1012 молекул на квадратный сантиметр. Более стабильный цис-цис конформер угольной кислоты обнаружен не был, предполагается, что он может быть довольно многочисленным в межзвездном пространстве, хотя его практически невозможно обнаружить радиоастрономическими методами. Ученые считают, что угольная кислота способна образовываться в холодных плотных молекулярных облаках на поверхности ледяных пылинок, в ходе реакций между угарным газом и гидроксильным радикалом или в ходе облучения заряженными частицами смесей водяного и углекислотного льдов. Ранее мы рассказывали о том, как комету Виртанена уличили в перевыработке спирта при сближении с Солнцем.