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