KOMEETAN TÖRMÄYS SATURNUKSEN RENKAISIIN?

KOMEETAN TÖRMÄYS SATURNUKSEN RENKAISIIN?
 OULUN YLIOPISTON TUTKIJA MUKANA NATURE-JULKAISUSSA (v. 2007)

(Heikki Salo, Fysikaalisten tieteiden laitos, Tähtitieteen osasto, Oulun yliopisto)
email: heikki.salo@oulu.fi, tel. (08) 553 1931, fax (08) 553 1934)

Muita Oulussa tehtyjä planetaaristen renkaiden tutkimuksia


Nature doi:10.1038/nature06224
Miodrag Sremcevic, Jurgen Schmidt, Heikki Salo, Martin Seiss, Frank Spahn, Nicole Albers: "A belt of moonlets in Saturn's A ring."
Linkki artikkelin Nature-sivulle
Linkki artikkeliin Nature electronic supplement-sivulle

Linkki Coloradon yliopiston, Boulder, tiedotteeseen

MITÄ ARTIKKELI KÄSITTELEE :

Boulderinin (Sremcevic, Albers), Potsdamin (Schmidt, Seiss, Spahn) ja Oulun (Salo) yliopiston tutkijoiden ryhmä on löytänyt NASA:n Cassini-luotaimen Saturnuksen renkaista ottamista kuvista tusinan verran 'propeller'-rakenteita. Nämä ovat muutamien kilometrien pituisia kirkastumia, jotka ovat todennäköisesti renkaissa kiertävien n. 100 metrin kokoisten järkäleiden aiheuttamia, niiden häiritessä läheltä ohittavien muiden rengaskappaleitten ratoja. Nämä 'jäävuoret' ovat huomattavasti suurempia kuin normaalit, cm-metrin kokoluokkaa olevat rengaskappaleet. Kirkastumia kutsutaan 'propellereiksi', koska syntyvä virtauskuvio on symmetrinen järkäleen molemmin puolin: järkale häiritsee samalla tavalla planeettaa lähempänä kiertävia kappaleita, jotka ohittavat järkäleen radallaan planeetan ympäri, ja planeettaa kauempana kiertäviä kappaleita, jotka jäävät puolestaan jälkeen häiritsijästä.

PIA10079:

Cassinin ottama kuva Saturnuksen renkaista, josta loytyi 4 jarkaleiden aiheuttamaa kirkastumaa (insertti nayttaa yhden jarkaleista Cassinin 60 sec myohemmin ottamassa toisessa kuvassa). Kuvan resoluutio on n. 1 km, ja siina nakyy n. 500 kilometrin kaistale rengasta: kirkastumien pituus on n. 10 km ja ne aiheuttavat järkäleet ovat n. 100 metria halkaisijaltaan.

PIA10080: Yksityiskohtaisempi kuva propellereista

Kyseessä ei ole aivan ensimmäinen 'propelleri'-havainto: vuonna 2004 Cassinin asettuessa kiertämään Saturnusta se otti sarjan erittäin tarkkoja kuvia, erotuskyvyltään n. 50 metriä, eli kymmenen kertaa tarkempia kuin nyt analysoidut kuvissa. Näista kuvista löytyi 4 pienempää propelleri-kirkastumaa (Tiscareno et al. 2006, Nature) (NASA image archive)

Erityisen mielenkiintoinen löydös nykyisessä tutkimuksessa on kuitenkin se, että kaikki löydetyt järkaleet sijaitsevat kapeassa, vain n. 3000 km levyisessä vyöhykkeessä 130 000 km etaisyydella Saturnuksesta.

On erittäin epätodennäköistä, että kapeassa vyöhykkeessä havaitut järkäleet olisivat renkaskappaleiden keskinäisen gravitaation synnyttämiä kappalerykelmiä. Nimittäin, planeetan vuorovesivoima voisi periaatteessa estää rykelmien synnyn lähempänä planeettaa, mutta ei enää vyohykkeen ulkopuolella jossa vuorovesivoimien repivän vaikutuksen pitäisi olla heikompi kuin vuöhykkeessä itsessään. Vaihtoehdoksi jää, että järkäleet ovat tällä etäisyydellä aiemmin kiertäneen pienen (n. 10 km) kuun jäänteitä: kuu on todennäköisesti hajonnut komeetan törmätessä renkaaseen 10-50 miljoonaa vuotta sitten. On tärkeää huomata että nyt havaitut järkäleet eivät ole välttämättä alkuperäisiä sirpaleita: kappaleet nimittain kuluvat hiljalleen renkaisiin osuvien meteoroidi-iskujen takia. Hajonneen kuun massa ja törmäyksen ikä voidaan arvioida rykelmien määrästa ja kokojakaumasta, sekä vyohykkeen havaitusta leveydestä.

MIKSI TULOS ON TARKEA?:

Saturnuksen renkaiden alkuperä on yhä avoin kysymys: ovatko renkaat jäänne itse planeetan syntyajoilta, vai pikemminkin syntyneet huomattavasti myöhemmin esim. Saturnuksen kuun törmätessä komeettaan tai mahdollisesti toiseen kuuhun. Renkaiden nuoreen ikään viittaa epäsuorasti useat tekijät, esim. edellä mainitun meteoroidi-pommituksen aiheuttaman eroosion lyhyt aikaskaala. Nyt tehty tutkimus on kuitenkin, havaintoineen ja ennenkaikkea niihin liittyvien yksityiskohtaisten analyysien ansioista, ensimmäinen suora osoitus, että renkaat ovat dynaamisesti kehittyvä, avoin systeemi: renkaisiin ulkoapäin osuvat kappaleet saattavat paikallisesti muuttaa renkaiden rakennetta. Ja erityisesti kappaleiden kokojakaumaa, joka sitten vuosimiljoonien kuluessa asettuuu tasapainoon eroosio- ja yhteenliittymisprosessien kautta. Nyt tutkittu propelleri-vyohyke edustaisi siten poikkeuksellisen nuorta aluetta. On myös mahdollista, että renkaissa jo pienelläkin kaukoputkella erottuvat kaksi pääkomponenttia, A- ja B-rengas, olisivat kokonaisuudessa syntyneet eri episodeissa.

OULUN YLIOPISTON OSUUS :

Tutkimus on tehty tiiviissä yhteistyössa Boulderin, Potsdamin ja Oulun yliopistojen tutkijoiden kesken. Uudet propellerit löydettiin ja niiden huolellinen analysointi tehtiin Boulderissa, Potsdamissa on mallinnettu järkäleiden alkuperää ja kokojakauman kehitystä. Yksitysikohtaiset simulaatiomallit järkäleiden synnyttämille tiivistymille, ja sille miten ne näkyvät Cassini-kuvissa, ovat puolestaan Oulussa laadittuja. Oulussa tehty tutkimus on saanut Suomen Akatemian projektirahoitusta.

Kansainvälisen 6 hengen ryhmän työskentely on ollut erittäin intensiivista: julkaisun kirjoittamiseen kuluneiden puolen vuoden aikana ryhmä on vaihtanut yli 400 sähköpostiviestia. Tutkijoiden maantieteellisen hajonnan ansiosta tutkimusta on voitu tehdä kirjaimellisesti yötä päivää!.
Esimerkkejä dynaamisista N-kappaleen simulaatioista:

  • 40 metrin järkäle, kappaleiden itsegravitaatiota ei otetata huomioon

    N-kappaleen simulaatiossa on seurattu 1 km * 6 km (radiaalinen * tangentiaalinen) renkaan osan kehitystä, käyttäen järkäleen mukana Saturnuksen ympäri pyörivää koordinaatistoa. Kappaleiden keskinäiset törmäykset on otettu huomioon, samoin järkäleen grevitaatio. Kappaleiden keskinäinen gravitaatio on kuitenkin jätettyhuomioon ottamatta. Animaatiossa näytetään 0.6km * 4km vyöhyke.

  • 40 metrin järkäle, itsegravitaatiota otetataan huomioon

    Kuten edellä, mutta nyt on otettu huomioon myös kappaleiden keskinäiset gravitaatiovuorovaikutukset , mikä johtaa nauhamaisen hienorakenteen muodostumiseen kaikkialla renkaassa


    Propellerien fotometrisestä mallintamisesta:


    Tietokonemalli 40 metrisen järkäleen ympärilleen synnyttämästä kirkastumasta. (=Fig. 13 in Sremcevic et al. 2007 Nature-electronic supplement)

  • Ylin rivi: Simulaatiopartikkelien jakauma järkäleen ympärillä 4km x 600m paikallisessa renkaan osassa. Kappaleiden kiertoliike planeetan ymparille on vasemmalle, ja suunta planeettaan on alas. Kuvassa näkyy järkäleen molemmille puolilleen synnyttämät tiivistymat, sekä kappaleiden itsegravitaation aiheuttama, järkäleestä riippumaton hienorakenne.
  • Toinen rivi: Simulaatiosysteemistä tehty synteettinen kuva, jossa on otettu huomioon Cassini-kuvien valaisu- ja katsomisgeometria.
  • Kolmas rivi: Nopeiden törmayksien alueet järkäleen ympärillä.
  • Neljas rivi: Synteettinen kuva, jossa on otettu huomioon myös kappaleiden pinnoilta nopeissa törmäyksissä mahdollisesti irtoavat pienet kappaleet ('debris'). Katkoviivat kuvaavat erään havaittun kirkastuman kokoa. Mallin antama kirkauskontrasti ja renkaan tausta kirkkaus vastaavat hyvin havaittuja


    Koska rengaskappaleiden tarkkoja heijastusominaisuuksia ei tunneta, ensimmainen ongelma kuvien tulkinnassa on se mikä on kuvissa nähtävän kirkkauden ja kappalesysteemin tiheyden välinen riippuvuus. Propellerit on löydetty kuvista, jotka on otettu renkaiden pimeältä puolelta, eli niissä nähdään renkaiden läpi sironnutta auringonvaloa. Periaatteessa tihentymat voivat silloin nakya joko 1) kirkastumina (niissa on enamman kappaleita, jotka sirottavat osan valosta havaitsijan suuntaan, verrattuna harvempaan taustaan joka sirottaa vahemman), tai 2) tummentumina, mikali ne ovat niin tiheita ettei niiden kuhdalta paase lainkaan valoa renkaan lapi. Yksitysikohtaisen mallintamisen avulla paadyimme tulokseen että kuvissa on ns. normaali kontrasti: kirkastumat vastaavat tihentymiä. Oulussa laaditut laskut selittävät hyvin sekä kuvissa havaitun häiritsemättömän renkaan osan kirkkauden, että kirkastumien suhteellisen kontrastin.

    Oheisissa kuvissa on kahdelle eri Cassini geometrialle laskettuja kirkkauden (I/F) ja renkaan ns. optisen tiheyden (tau) välisiä relaatioita, erilaisilla fotometrisilla oletuksilla. Mustat ympyrat vastaavat arvioitua taustan kirkkautta, kun kappaleiden keskinäisen gravitaation aiheuttama hienorakenne ('self-gravity wakes') otetaan. Harmaat vyohykkeet kuvissa vastaavat havaittuja taustan ja propellerien kirkkautta,

    PROPELLERI-rakenteiden historiikkia:

    Painokkaimmin Saturnuksen renkaissa kiertävien suurten järläleitä mahdollisuutta on tuonut esille Potsdamin yliopistossa tyoskentelevä prof. Frank Spahn, jonka entinen oppilas Miodrag Sremcevic myos on. Spahn esitti jo 1980 luvulla, että renkaissa kiertävät massiiviset kappaleet raivaavat harventumia ymparoivien pienten kappaleiden jakaumaan, ja mikali ne ovat riittavan suuria (pari kilometria sateeltaan olevia pienia kuita), voi harventuma levittya koko planeetan kiertavaksi aukoksi. Myos 'propelleri' nimitys on prof. Spahn'n kayttoon ottama (tosin han risti alunperin propellereriksi suuria kappaleita ymparoivat harventuma-alueet, eika niiden reunoihin liittyvat tihentymat, joiden nyt tulkitaan aiheuttavan havaittavat kirkastumat).

    Mikaan tieteellinen idea ei yleensa ole ihan uusi: propelleri-ajatus, ei tosin talla nimella, voidaan jaljittaa esim Alar Toomre'n 1960:n alussa aloittamiin uraauurtavaan tutkimuksiinn, joka koskivat kiekkogalaksien kierteishaarojen syntya. Erityisesti, Julian ja Toomre (1966) tutkivat mita vaikutuksia kiekossa kiertavilla massiivisilla kappaleilla (galaksien tapauksessa jattilaismolekyylipilvet) on ymparoivaan tahtikiekkoon. Syntyva vaste on tietenkin 'propelleri', vaikkakin n. 1E17 kertaa nyt Saturnuksen renkaissa havaittuja propellereita suurempi!