Tiheysaallot planetaarisissa renkaissa: satelliittien resonanssihäiriöiden ja oskillatoorisen epästabiliteetin hydrodynaaminen mallintaminen

Väitöskirjatyössä on mallinnettu Saturnuksen renkaissa havaittuja kahden tyyppisiä tiheysvaihteluita: Saturnuksen kuiden synnyttämiä tiheysaaltoja ja renkaassa spontaanisti syntyviä oskillaatioita (“viscous overstability”). Kuiden gravitaatiohäiriöiden resonanssietäisyyksillä laukaisemien spiraalimaisten tiheysaaltojen tyypilliset aallonpituudet ovat kymmeniä kilometrejä, kun taas rengaskappaleiden törmäysten ja näiden rataliikkeestä paikallisiin häiriöihin siirtämän energian voimistamien liki aksiaalisymmetristen oskillaatioiden skaalat ovat vain sadan metrin luokkaa. Väitöskirjassa on osoitettu ensimmäistä kertaa hydrodynaamisen mallintamisen ja N-kappaleen simulaatioiden avulla, että kyseiset tiheysvaihtelut voivat esiintyä samanaikaisesti ja vuorovaikuttaa keskenään.

Laaditut epälineaariset hydrodynaamiset mallit osoittavat, että kuiden synnyttämien tiheysaaltojen eteneminen riippuu oleellisesti siitä, kuinka altis rengas paikallisesti on spontaanien oskillaatioiden voimistumiselle. Tämä ilmiö, jota aiemmat lineaariset mallit eivät ole ottaneet huomioon, selittää Cassini-luotaimen mittaukset, joiden mukaan osa tiheysaalloista vaimenee hyvin tehokkaasti, kun taas osa näyttää etenevän kauas resonanssietäisyydeltä ilman havaittavaa vaimenemista.

Havainnot ovat myös osoittaneet, että kuiden tiheysaallot ja spontaanit oskillaatiot voivat esiintyä samoissa Saturnuksen renkaan vyöhykkeissä. Koska tiheysaaltojen eteneminen vaatii renkaan oman gravitaatiokentän, tämä on täytynyt ottaa huomioon myös spontaanien oskillaatioiden analyysissä. Tutkimuksessa laaditut hydrodynaamiset mallit osoittavat, että renkaan oma gravitaatio vaikuttaa voimakkaasti spontaanien oskillaatioiden saturaatioon: mallien ennustamat noin 100–250 metrin aallonpituudet ovat sopusoinnussa N-kappaleen simulaatioiden kanssa ja tarjoavat todennäköisen selityksen Saturnuksen renkaissa samoissa skaaloissa havaituille periodisille rakenteille. Kokonaan uusi tulos on myös havainto, että riittävän voimakkaat satelliittitiheysaallot voivat kokonaan estää paikallisten oskillaatioiden kasvun.