Сатурн против учебников физики. «Джеймс Уэбб» разоблачил планету, которая годами скрывала реальную скорость

Сатурн десятилетиями сбивал астрономов с толку почти фокусом. Планета словно меняла скорость вращения в зависимости от способа измерения, хотя для гиганта таких размеров подобное поведение выглядело абсурдно. Новая работа с данными телескопа James Webb предлагает разгадку: виноват не «капризный» Сатурн, а замкнутый цикл, который поддерживают полярные сияния, нагрев атмосферы и высотные ветры.

Странность заметили еще в 2004 году после наблюдений аппарата Cassini. Сигналы указывали, будто период вращения Сатурна со временем меняется. Такая картина плохо укладывалась в физику планет: без внешнего воздействия газовый гигант не должен внезапно ускоряться или замедляться. Позже исследователи предположили, что измерения отражают не работу глубоких недр, а процессы в верхних слоях атмосферы. Высотные ветры создают электрические токи, а токи формируют авроральный сигнал, который и маскируется под изменение вращения.

Проблема заключалась в другом: требовалось понять, откуда берутся столь мощные ветры. Ответ искали с помощью James Webb Space Telescope. Астрономы непрерывно наблюдали северное сияние Сатурна на протяжении целых сатурнианских суток, которые длятся 10 часов 33 минуты. Такой режим позволил проследить, как меняются температура и плотность вещества в авроральной области почти в реальном времени.

Ключом к разгадке стал ион H₃⁺, или тригидроген-катион. Молекула светится в инфракрасном диапазоне и помогает оценивать температуру верхней атмосферы. По свечению H₃⁺ ученые построили детальные карты полярных районов Сатурна. Прежние измерения давали слишком большую погрешность, около 50 градусов, поэтому тонкие закономерности просто тонули в шуме. James Webb повысил точность примерно в десять раз и впервые показал тонкую структуру зон нагрева и охлаждения.

Картина оказалась очень наглядной. Самые горячие области совпали с местами, куда энергия полярного сияния входит в атмосферу. Дальше запускается самоподдерживающийся цикл. Сияние нагревает атмосферу, нагретый газ усиливает ветры, ветры рождают электрические токи, а токи подпитывают полярное сияние. Получается своего рода планетарный «тепловой насос», который сам себя поддерживает и одновременно мешает правильно измерять вращение Сатурна.

Значение работы выходит далеко за пределы давней загадки одной планеты. Исследование показывает, что атмосфера и магнитосфера связаны куда теснее, чем считалось раньше. Энергия движется не только из космоса вниз, в атмосферу. Верхние слои атмосферы сами могут влиять на процессы в окружающем планету магнитном пузыре. Такой вывод важен и для других газовых гигантов Солнечной системы, и для экзопланет, где похожие авроральные механизмы, возможно, тоже меняют поведение атмосферы.

Авторы работы считают, что новое объяснение заставит по-новому взглянуть на сигналы, которые астрономы получают от далеких миров. Иногда странное поведение планеты может говорить не о необычном вращении, а о сложной связке между сияниями, ветрами, токами и магнитным полем. Исследование опубликовано в журнале JGR Space Physics.