Je li Phoebe prsten postao mjesečevim crvenim?

Saturnov najmisteriozniji prsten možda je igrao ključnu ulogu u preobražavanju površina Iapeta i Hyperiona.

Iapetus, dvotonski mjesec Saturna, kakav je vidio Cassini u 2015. Dvije polovine mjeseca su jasno vidljive. Kreditna slika: NASA / JPL-Caltech / Space Science Institute.

Iapetus, treći najveći mjesec Saturna, ima jednu od najčudnijih površina Sunčevog sustava. Jedna hemisfera, nazvana Cassini Regio, tamna je s blagim crvenkastim tonom, dok je suprotna hemisfera svijetlo bijela. Uz to, druga strana ima znatno veći albedo, što znači da odbija puno više svjetla od tamno crvenkaste strane. To osebujno odstupanje prvi je put uočio Giovanni Cassini prije tri stoljeća, a detaljno ga je 2007. godine fotografirala sonda po njemu.

Vodeća teorija razlike u svjetlini drži da se s vremenom vodeni led sublimirao s jedne strane Mjeseca. To je dovelo do toplinske povratne veze promjenom albeda hemisfere, a time i povećanjem njene površine na površini, što je dovelo do većeg sublimacije. Nedavna zapažanja svemirskog broda Cassini podržavaju ovu hipotezu. Međutim, teoriji nedostaje jedno: način da se ova petlja za povratne informacije pokrene.

Cilindrična projekcija Iapeta izrađena iz mozaika Cassinijevih slika. Kreditna slika: NASA / JPL-Caltech / Sveučilišni institut / Lunarni i planetarni institut.

Pojavilo se jedno moguće objašnjenje: možda su tamne crvenkaste čestice odgovorne za pokretanje postupka poticale iz nekog drugog astronomskog tijela, možda iz drugog Saturnovog mjeseca. Ovo je pretpostavka ostala sve do 2009. godine, kada je infracrveni Spitzer svemirski teleskop učinio iznenađujuće otkriće: ogroman disk materijala 25 puta veći od ostalih Saturnovih prstenova. Pročitajte da biste saznali što je Spitzer pronašao, odakle dolazi i zašto je to tako važno.

Kako napraviti prsten širok 11 milijuna kilometara?

Saturnov prstenasti sustav najveći je u Sunčevom sustavu i lako je najsloženiji. Sastoji se od niza različitih pojasa stijena i leda razdvojenih praznim prazninama koje održavaju pastirski mjeseci. Dok svijetli prsten A završava 137 000 km od planete, iza njega postoje tanji i slabiji prstenovi, uključujući i naporan E prsten koji se proteže na 480 000 km, ili 8,25 Saturnovih polumjera.

Cassinijeva posljednja slika Saturna, snimljena 2017. Nekoliko mjeseci je na etiketi, premda izrazito slabo. Kreditna slika: NASA / JPL-Caltech / Space Science Institute.

Smatra se da su glavni prstenovi nastali prije oko 100 milijuna godina, po svemu sudeći od mjeseca koji su razdvojile sile plima. Međutim, čini se da se nekoliko manjih prstenova aktivno puni. Na primjer, Cassinijeva leta pokazala je da ledeni gejziri iz Enceladusa izbacuju sitne čestice koje tvore E prsten. 2009. godine još je jedan mjesec ciljao kao mogući izvor prstenaste građe: Phoebe, koja se kreće ekscentričnom retrogradnom orbitrom s polu-glavnom osi od 215 Saturnovih polumjera.

Svemirski teleskop Spitzer slikao je Saturn na 24 i 70 µm, valnim duljinama na kojima bi hladna prašina trebala biti najvidljivija. Promatranja nisu razočarala. Mozaici slika pokazali su veliki prsten od prašine koji se proteže između 128 i 215 Saturnovih polumjera i zapanjujućih debljina od 40 Saturna. Bio je jasno centriran oko Mjeseca, a produžen prema unutra dovoljno daleko da samo protrlja orbitu Iapeta. Modeli su pokazali da većina materijala, međutim, ne živi tako relativno blizu planete. Za dolazak do Iapetove orbite trebalo bi proputovati oko 8,7 milijuna kilometara. Kako se, dakle, to može dogoditi - i zašto je pogođena samo polovica Japeta?

Slika 1, Verbischer i sur. 2009. Phoebe prsten najistaknutije je vidljiv u mozaiku s oznakom MIPSON, u rasponu između 128 i 180 Saturna. Dijagonalne crte velike su samo promatrački artefakti.

Proces izbacivanja činio se prilično jasnim: mikrometeoroidni udarci. Kad mali komadi stijene pogode Phoebeinu površinu, oni izbacuju sitne čestice leda i silikata iz kore, koji bježe od Mjeseca i oko njega tvore prašnjavi prsten. Izbacivanje, brzo, proširilo se putem nečega što se naziva Poynting-Robertson efekt. Male čestice apsorbiraju sunčevo zračenje, a zatim ga emitiraju asimetrično, što dovodi do smanjenja orbitalnog zamaha. Tijekom desetina milijuna godina, ove čestice padaju u niže orbite zahvaljujući ovom ponovnom zračenju. Poynting-Robertson-ov efekt važan je čimbenik evolucije protoplanetarnih diskova - i, čini se, prstenastih sustava.

Ovaj nadahnjujući materijal jednoliko bi prekrio Iapetus da nije bilo nekih neobičnih karakteristika mjesečeve orbite. Prvo, Iapetus je vezan čvrsto na Saturnu, tako da je jedna hemisfera uvijek "vodeća" strana, a druga uvijek "zaostala" strana. Drugo, Phoebe ima retrogradnu orbitu, što znači da putuje u obrnutom smjeru većine Saturnovih mjeseca - i, zbog toga, njezin prsten od prašine. To znači da se, kada se čestice prstena sudaraju s Iapetusom, to čine samo na njegovoj vodećoj strani, pretvarajući jednu hemisferu u tamnu i smanjujući njenu albedu.

Slika 4, Verbischer i sur. 2009. Numeričke simulacije kretanja čestica tijekom 2000 godina pokazale su kako prsten može rasti da dosegne orbite Iapeta, pa čak i Titana, predstavljene tankim plavim prstenima oko Saturna.

Spektroskopija: problemi i rješenja

Teorija nije bez svojih problema. Glavni problem otkriven je spektroskopskim opažanjima Phoebe, Iapetusa i Hyperiona - malog, nepravilnog mjeseca Saturna koji je pocrvenjen na isti način kao i Iapetus. Phoebe i Iapetus pokazuju spektralne sličnosti, uključujući istaknuto svojstvo apsorpcije na 3 µm koje je pripisano ugljikovodicima na oba tijela, dokaz zajedničke prošlosti (Cruikshank i sur., 2008).

Slike 3 i 8, Cruikshank i sur. 2008. Apsorpcijski pojas koncentriran na 3 μm jasno je vidljiv u infracrvenom spektru oba mjeseca. Smatra se da su odgovorni policiklički aromatski ugljikovodici (PAH).

Prisutnost istih materijala u dva mjeseca ne znači da je materijal iz jednog transportiran u drugi. Jednostavno objašnjenje moglo bi biti da su se jednostavno formirali u sličnim okruženjima - ideju potkrijepljenu činjenicom da je Iapetus najbliži Phoebe. Međutim, smatra se da su Phoebe i Iapetus iz različitih mjesta; Phoebe je vjerojatno zarobljeni asteroid koji se formirao u Kuiperovom pojasu, dok je Iapetus nastao in situ oko Saturna. To daje veću podršku ideji da se prijenos materijala dogodio nakon formiranja mjeseca.

Slika 1, Buratti i sur. 2002.

Iako se spektralne značajke ugljikovodika i drugih molekula čine kao dobra vijest, nisu svi spektroskopski podaci podržavaju teoriju o povezanosti Mjeseca. Na primjer, spektralna analiza ranih 2000-ih (Buratti i sur. 2002) triju mjeseci i niza manjih mjeseci i asteroida pokazuje velike razlike između Phoebe i ostala dva mjeseca na valnim duljinama od 0,4–1,0 µm. Tamna područja Hyperiona i Iapeta izuzetno su slična; Phoebeina površina nije. Na prvi pogled, to bi se činilo jasnim dokazom protiv čitave teorije, ali poteškoće se izbjegavaju ako pretpostavimo da većina promjene boje koje sada vidimo nije izravno taloženjem iz prstena Phoebe.

Na početku sam spomenuo neku toplinsku povratnu petlju koja je pokrenuta prijenosom materijala iz Phoebe. Materijal koji se u početku položio na vodeću hepatferu Iapeta pao je na veći dio njegove ledene površine. Prašina je imala nizak albedo, što znači da apsorbira većinu svjetlosti koja ga pogodi. Ovo zagrijava. Ta bi se toplina prenosila na led prekriven prašinom, a led bi se sublimirao, smanjujući dodatno mjesečev albedo (vidjeti Spencer & Denk 2010).

Sličan se proces mogao dogoditi i na Hyperionu. Međutim, Hyperion nije dobro vezan za Saturna - zapravo je njegova rotacija toliko kaotična da se vrti u svemiru. To znači da bi trebala prašinu skupiti po cijeloj površini, potamnjujući je ravnomjerno. Može se dogoditi ista petlja za povratne informacije, ali to ne bi proizvelo takvu asimetričnu raspodjelu boja i albeda.

Slika 3, Verbischer i sur. 2009. Ovaj grafikon prikazuje intenzitet emisije pri različitim visinama u prstenu. Svijetla točka je pozadinska galaksija.

Postoje dokazi da je Phoebe prsten odgovoran za neobične površine Iapeta i Hyperiona, a postoje i dokazi da je ciklus započeo nekim drugim izvorima materijala. Sam prsten se još uvijek proučava, kako na infracrvenoj tako i na optičkoj valnoj duljini, kako bi se pokušala razaznati njegova veličina i masa do još veće preciznosti. Bez obzira radi li se o mehanizmu koji djeluje iza promjene boje, za sada ostaje - najveći Saturnov prsten.