KOMEETAN TÖRMÄYS SATURNUKSEN RENKAISIIN?
KOMEETAN TÖRMÄYS SATURNUKSEN RENKAISIIN?
OULUN YLIOPISTON TUTKIJA MUKANA NATURE-JULKAISUSSA
(Heikki Salo, Fysikaalisten tieteiden laitos, Tähtitieteen osasto, Oulun yliopisto)
email: heikki.salo@oulu.fi, tel. (08) 553 1931, fax (08) 553 1934)
Dynamiikan ryhmä
/
Dynamics group
Muita Oulussa tehtyjä Saturnuksen 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!