Itsegravitaatio ja oskillatoorinen epästabiliteetti: Saturnuksen renkaiden hienorakenteen dynaaminen ja fotometrinen mallintaminen

Tämä väitöskirja tutkii Saturnuksen renkaiden dynamiikkaa keskittyen siihen, miten renkaskappaleiden keskinäiset vuorovaikutukset muokkaavat renkaiden hienorakennetta. Tutkimus tarkastelee kahta tärkeintä vuorovaikutuksen tyyppiä: kappaleiden välistä gravitaatiota ja niiden välisiä osittain kimmoisia törmäyksiä. Nämä fysikaaliset prosessit vaikuttavat kappaleiden liiketiloihin ja johtavat renkaan epähomogeeniseen tiheysjakaumaan.

Vaikka syntyvän hienorakenteen skaala jää havaintojen resoluution alapuolelle, fotometrisen mallintamisen avulla voidaan vertailla näiden prosessien aiheuttamia globaaleja ilmiöitä Saturnuksen renkaista tehtyihin avaruusteleskooppi- ja luotainhavaintoihin. Tutkimus keskittyy seuraaviin ilmiöihin:

1. Rengaskappaleiden välisen gravitaation aiheuttamat nauhamaiset tihentymät (“selfgravity wakes”). Vaikka yksittäiset tihentymät syntyvät ja tuhoutuvat lyhyessä aikaskaalassa, mallit ennustavat tietyn keskimääräisen tihentymien voimakkuuden ja orientaation radiaaliseen suuntaan nähden.

2. Oskillatoorinen epästabiliteetti (“viscous overstability”). Nämä ovat aksiaalisymmetrisiä tiheysvaihteluita, jotka syntyvät tapauksessa, jossa renkaiden viskositeetti kasvaa hyvin nopeasti tiheyden mukana. Tällöin törmäykset johtavat pienten tiheysoskillaatioiden spontaaniin voimistumiseen.

Näiden ilmiöiden tutkimiseksi olemme kehittäneet uuden moniprosessoriympäristöön soveltuvan tietokonesimulaatiotyökalun, joka seuraa rengaskappaleiden liikkeitä ajan kuluessa, mallintaen niiden välistä gravitaatiota ja törmäyksiä. Simulaatio-ohjelman avulla on mahdollista tutkia, miten nämä
prosessit yhdessä vaikuttavat renkaiden rakenteeseen. Erityisesti olemme tunnistaneet olosuhteet, joissa oskillatoorinen epästabiliteetti syntyy.

Tutkimus analysoi myös Saturnuksen renkaiden havaittuja ominaisuuksia käyttäen tietokonesimulaatioiden luomia synteettisiä kuvia ja optisen paksuuden profiileja. Tulokset viittaavat siihen, että rengaskappaleiden kokojakauma näyttelee keskeistä roolia renkaiden paikallisen hienorakenteen kannalta. Lisäksi tutkimus on mahdollistanut rengaskappaleiden muiden fysikaalisten ominaisuuksien rajaamisen. Erityisen mielenkiintoinen on tulos, jonka mukaan rengaskappaleiden sisäinen tiheys on huomattavasti maanpäällisissä olosuhteissa esiintyvää vesijäätä alhaisempi.