A Szaturnusz mágneses tere
(Rovat: Távoli világok kutatói, Cassini - 2021.06.07 07:15.)

Lassan süllyedő héliumtömegek magyarázhatják a Szaturnusz csaknem tökéletesen „egyenesen” álló mágneses terét.

A Szaturnusz az egyetlen ismert bolygó, amelyiknek a mágneses tengelye csaknem pontosan egybeesik a forgástengelyével. A NASA Cassini-szondájának mérési eredményeit elemző szakemberek arra a következtetésre jutottak, hogy a különleges egybeesést a Szaturnusz légkörének egy vastag rétege okozhatja, ahol héliumeső esik a bolygó fémes magjára. Közleményük az AGU Advances júniusi számában jelent meg.

A bolygók mágneses terét valamilyen elektromos vezető folyadék konvekciós áramlása. és az így létrejövő dinamóhatás okozza, a Föld esetében ez a folyadék az olvadt vas, míg a Jupiter és a Szaturnusz belsejében a nagy nyomás miatt fémes állapotú hidrogén. Az Uránusz és a Neptunusz tömege viszont kicsi ahhoz, hogy a hidrogén fémes állapotúvá váljék, ott a víz egy szokatlan, ionizált állapota felelős a dinamóhatás létrejöttéért. A Szaturnusz kivételével mindegyik bolygónál legalább több fokos szöget zár be egymással a forgás- és a mágneses tengely, az Uránusz és a Neptunusz esetében a legnagyobb a kettő eltérése, 45, illetve 60 fok. A Szaturnusznál viszont a Cassini mérései szerint az eltérés kisebb 0,007 foknál.

A Szaturnusz belső szerkezetének lehetséges modellje a Cassini mérései alapján. A világoskékkel ábrázolt rétegben (HIL, helium insoluble layer) a hélium nem oldódik a hidrogénben, hanem cseppek formájában lassan süllyed lefelé. (Kép: Yi Zheng, HEMI/MICA Extreme Arts Program)

A kutatók évtizedeken át úgy gondolták, hogy a Szaturnusz belsejében a konvekciós réteg 99%-ban hidrogénből és héliumból áll, a két elem eloszlására és pontos fizikai állapotára vonatkozóan azonban csak feltételezéseik voltak. A Cassini nagy fináléjának 22 keringése során azonban egyre közelebb került a bolygó poláris vidékéhez, aminek köszönhetően sikerült újabb részleteket megismerni. Számítógépes modelleket készítettek a mágneses tér leírására, amelynek paramétereit addig igazították, amíg a lehető legjobb egyezést nem kapták a Cassini mérési eredményeivel.

A legjobban illeszkedő modell szerint a Szaturnusz belsejében négy réteg különböztethető meg. A belső mag szilárd, vagy olyan rétegezett folyadék, amelyben nem jön létre konvekció. Ez a bolygó sugarának negyedéig kiterjedő mag tartalmazza azt az ősi kőzet- és jéganyagot, amely köré a Szaturnusz többi anyaga kondenzálódott. Ezt veszi körül az a fémes hidrogénből és abban oldott héliumból álló burok, amely a dinamóhatásért felelős. Ott a nyomás és a hőmérséklet olyan magas, hogy az anyag a szokatlan, úgynevezett szuperkritikus folyadék állapotban van, vagyis se nem folyadék, se nem gáz. Ez a réteg a sugár 42%-áig terjed.

A harmadik réteg ugyancsak szuperkritikus folyadék, azonban ebben a hélium már nem oldódik a hidrogénben, hanem a két anyag különválik, mint az olaj a víztől. Itt a hélium nagyon lassan lefelé süllyed a folyékony hidrogénben, mintha „eső esne”, noha ezt a jelenséget csak az elméletek jelzik előre, ténylegesen megfigyelni soha, sehol sem sikerült. Létrejöttéhez megabar (azaz a földfelszíni légnyomás milliószorosa) nagyságrendű nyomás szükséges. Ennek a rétegnek a felső határa a sugár 70%-ánál található. A mélyebben uralkodó nagyobb nyomáson és a magasabban lévő kisebb nyomáson a hidrogén és a hélium keveredik, ebben a rétegben azonban nem. Az anyag 25%-át kitevő hélium a fémes hidrogén belsejében cseppeket alkotva nagyon lassan lefelé süllyed. A modell szerint ez a héliumeső lehet felelős a Szaturnusz forgástengelyéhez képest rendkívül kis hajlású mágneses teréért.

A Szaturnusz mágneses terének modellje, ahogyan az a bolygó felszínén megfigyelhető. (Kép: Ankit Barik / Johns Hopkins University)

A kutatók hangsúlyozzák, hogy más magyarázatok is lehetnek a Szaturnusz belső szerkezetére, az ő modelljük csupán egy a lehetségesek közül, amely azonban jól illeszkedik az eddigi megfigyelésekre. Mások például a Szaturnusz gyűrűiben megfigyelt, gravitáció keltette hullámok elemzéséből próbálnak a bolygó belső szerkezetére következtetni. Szerintük a jégből és kőzetekből álló mag és a fémes hidrogén burok között az átmenet diffúz, a keveredési tartomány egészen a bolygó sugarának 60%-áig nyúlik. Becslésük szerint a tartományban 17 földtömegnyi kőzet és jég lehet.