CASSINI VAHVISTAA OULUN YLIOPISTOSSA TEHDYN MALLIN SATURNUKSEN RENKAIDEN HIENORAKENTEELLE (Salo 1992, Nature)
(Salo et al. 2004, Icarus).
Example of 6-component GALFIT decomposition for NGC 1097: upper row displays initital starting parameters while the final iteration results are shown in the lower row

CASSINI LUOTAIN VAHVISTAA OULUN YLIOPISTOSSA TEHDYN MALLIN SATURNUKSEN A-RENKAAN RAKENTEELLE
In English


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

Dynamiikan ryhmä ./. Dynamics group




NASAn Saturnusta kiertävä Cassini-luotain on vahvistanut Saturnuksen renkaita koskevat ennusteet, jonka mukaan renkaiden uloin pääkomponentti, A-rengas, koostuu paikallisista nauhamaisista tiivistymistä. Idea itsessään on peräisin 1970-luvulta, mutta asiaa koskevat ensimmäiset tarkat mallit laadittiin Oulun yliopistossa, artikkelissa (Salo 1992, "Gravitational wakes in Saturn's Rings", Nature 359, 619-621).

Rengaskappaleiden keskinäisten törmäysten ja gravitaatiovoimien synnyttämät tiivistymät, ns. "gravitational wakes", ovat kooltaan vain muutaman kymmenen - sadan metrin kokoisia, ja siten Cassinin ottamien suorien kuvien erotuskyvyn alapuolella. Tiivistymien suunta planeetan ympäri tapahtuvaan kiertoliikkeeseen nähden on kuitenkin sama kaikkialla renkaassa, minkä ansiosta ne voidaan havaita epäsuorasti, mittaamalla miten renkaiden kirkkaus vaihtelee eri osissa rengasta: erityisesti, renkaat ovat himmeimmät siellä missä havaitsija katsoo tiivistymien suuntaan. Malli selittää esim. Voyager-luotaimen aikanaan havaitseman A-renkaan kirkkausvaihtelun, kuten osoitettiin Oulussa tehdyissä yksityiskohtaisissa valonsirontalaskuissa (Salo, Karjalainen, French, 2004: "Photometric Modeling of Saturn's Rings. II. Azimuthal asymmetry in reflected and transmitted light. Icarus 170, 70-90). Tässä työssä myös ennustettiin, että kirkkausvaihteluihin liittyy aina vaihteluita renkaiden näennäisessä läpinäkyvyydessä.

Lopullinen osoitus tiivistymien olemassaololle onkin saatu tutkimalla tähden valon heikkenemistä sen kulkiessa renkaiden lapi, käyttäen usealla eri aallonpituuskaistalla toimivia Cassini instrumentteja (UVIS ultravioletti-alueella, VIMS näkyvän valon ja lähi-infrapunasäteilyn alueella). Ilmiö on varmennettu myös tutkimalla Cassinin renkaiden läpi maahan lähettämän 12 cm radiosignaalin vaimenemista (RSS instrumentti).

Uudet Cassini havainnot julkistettiin DPS 2005 kokouksessa (American Astronomical Society, Division for Planetary Sciences, 4-9.9.2005 Cambridge, England).


Cornell University Press Release: Saturnuksen A-renkaan VIMS tähdenpeittohavaintojen tulkinta Oulussa tehtyjen simulaatiomallien avulla. (Katso myös artikkeli Hedman, M., Nicholson, P., Salo, H., Wallis, B., Buratti, B, Baines, K., Brown, R., Clark, R. (2007): "Self-Gravity wake structures in Saturn's A ring revealed by Cassini-VIMS." Astron. J. 133:2624-2629.





Esimerkkejä dynaamisista N-kappaleen simulaatioista:

  • Simulaatiomenetelmä kuvattu artikkelissa Salo, 1995:"Simulations of dense planetary rings. III. Self-gravitating identical particles." Icarus 117, 287-312 .
  • Malli Saturnuksen A-renkaalle (mpeg 7.5MB) Identtisillä kappaleilla tehty simulaatio. Kappaleiden sisäinen tiheys =0.45 gr/cm3, restituutiokerroin 0.5 ja dynaaminen optinen paksuus 0.5. Laskenta-alueen koko vastaa 8 x 8 Toomre'n kriittistä aallonpituutta.

    Alkuperäiset vuoden 1992 DPS kokouksessa julkistetut animaatiot: (kts 1992 Nature artikkeli).
    An extended q=3 power-law size distribution from 0.5 to 5 meters, Bridges coefficient of restitution. For solid ice density 0.9gr/cm3 the Saturnocentric distances of the two simulations correspond to 100 000 and 128 000 km. For density 0.45gr/cm3 the distances correspond to 126 000 km and 161 000km.
  • Moderate gravity leading to wakes
  • Strong gravity leading to aggregates



    Esimerkki fotometrisellä mallinnuksella tuotetusta A-renkaan synteettisestä kuvasta :

    Kuvan pikselikoko on 30cm, eli sen resoluutio on n. 200 kertaa parempi kuin tarkimman Cassini kuvan. Tuotettu A-renkaan simulaatioista, joissa on oletettu kappaleilla olevan kokojakauma 0.5 - 5m. Aurinko valaisee 90 asteen korkeuskulmalta katsottua simulaatiosysteemia n. 10 asteen korkeudelta. Fotometrisissä mallinnuksessa on seurattu n. 1E8 fotonin rataa.

    Mallinnusta varten kehitetty Monte Crlo menerelmä on kuvattu artikkelissa Salo, H, Karjalainen, R (2003): "Photometric modeling of Saturn's rings: I. Monte Carlo method and the effect of non-zero volume filling factor." Icarus 164, 428-460.



    Gravitaatio-rykelmät selittävät A-renkaan renkaan atsimutaalisen kirkkausvaihtelun (vakioetäisyydellä pitkin rengasta kirkkaus ja renkaiden läpinäkyvyys riippuvat suuntakulmasta)
    Rykelmät laahaavat n. 21 asteen kulmassa kiertoliikkeeseen nähden. Renkaita pieneltä korkeuskulmalta tarkasteleva havaitsija katsoo likimain rykelmien suunnassa 249 ja 69 asteen suuntakulmilla, jolloin rykelmien väliset harvemmat alueet ovat nakyvissä: tämä pienentää renkaista heijastuvaa valoa ja toisaalta enemmän valoa pääsee läpi tässä suunnassa. Vastaavasti, havaitsija katsoo rykelmiä vastaan kohtisuorassa 229 ja 159 asteen suuntakulmilla, jolloin renkaiden kirkkaus on pienin ja valonläpäisy suurin. Ilmiö on voimakkaimmillaan 10-15 asteen korkeuskulmalla. Kts. (Salo et al. 2004)


    Atsimutaalinen kirkkausvaihtelu Hubble avaruusteleskoopilla otetussa kuvassa. Kiertoliikkeen suunnassa mitattuna ennen renkaiden äärikohtaa oleva A-renkaan puolisko ('trailing') on hselvasti immeämpi kuin äärikohdan jälkeinen ('leading'). (Kuva julkaisusta: French, R. G., Salo, H. , McGhee, C \& Dones, L. (2007): Hubble Space Telescope observations of azimuthal asymmetry in Saturn's Rings. Icarus 189, 493-522.)


    Esimerkki Hubble-havaintojen mallintamisesta N-kappaleen simulaatioiden ja valonsirontasimulaatioiden avulla. Havaitut profiilit on mitattu A renkaasta 129 000 km etäisyydeltä, jossa atsimutaaliset kirkkausvaihtelut ovat voimakkaimmillaan. Havaitun kirkkaus-profiilin nuoto ja minimi riippuvat havaintogeometriasta, hyvin tarkkaan simulaatiomallien ennustamalla tavalla. (Kuva edellä mainitusta julkaisusta: French et al.(2007))







    Gravitaatio-rykelmät näkyvät myös Saturnuksen renkaiden Arecibon 205 metrin radioteleskoopin 12cm aallonpituudella mittaamalla tutkakaiussa. Renkaan eri kohdista tuleva heijastus vastaa erilaista Doppler-siirtymää & kaiun vastaanottoaikaa, mikä mahdollistaa heijastuksen mittaamisen renkaan suuntakulman funktiona. Tulos vastaa hyvin optisista havainnoista saatua, tosin signaalin vaihtelun amplitudi on vielakin suurempi kuin optisessa alueessa: tämä viittaa siihen että etenkin suuret kappaleet (koko > 12cm) ovat keskittyneet gravitaatio-rykelmiin.




    Kuvat artikkelista: Nicholson, P.D., French, R.G., Campbell, D.B., Margot, J.-L., Nolan, M.C., Black, G.J., Salo, H. (2005): "Radar imaging of Saturn's rings". Icarus 177, 32-62.