Космический зонд Кассини вращался на орбите вокруг Сатурна 13 лет и
недавно окончил свою жизнь в атмосфере Сатурна. Главной задачей
магнитометра на этом аппарате было попытаться изучить магнитное
поле, которое генерируется внутри Сатурна. Каковы механизмы
образования магнитных полей планет и о чем стало известно благодаря
миссии Кассини, рассказывает физик Мишель Доэрти.Образование
магнитного поляУ Земли есть магнитное поле: если вы встанете на
поверхности Земли с компасом, его стрелка укажет на северный полюс
магнитного поля. Что-то похожее можно наблюдать и на Сатурне, хотя
на его поверхности, конечно, встать не получится: вы просто
провалитесь, поскольку Сатурн газовый гигант, а не твердая
планета.Основываясь на наших наблюдениях Земли, мы считали, что
понимаем, как в результате внутренних процессов в недрах планеты
образуется магнитное поле. Для этого глубоко в сердце планеты
должна быть электропроводящая среда: электрический ток создает
магнитное поле, которое можно измерить снаружи. Оно образуется в
результате процесса под названием гидромагнитное динамо
(динамо-эффект): в центре планеты протекают конвекционные процессы,
как в горшке с кашей на плите, но одновременно происходит и
внутреннее вращение, и вместе они дают динамо-эффект, который
создает магнитное поле.Однако, согласно теории гидромагнитного
динамо, магнитное поле образуется, только если ось магнитного
диполя и ось вращения планеты не совпадают. У Земли ось магнитного
диполя наклонена к оси вращения примерно на 20, у Юпитера на 9,6, и
мы всегда считали, что без этого наклона поддерживать существование
магнитного поля невозможно. Однако у Сатурна такого наклона,
по-видимому, нет. В конце 1970-х начале 1980-х мимо Сатурна
пролетали аппараты Вояджер и Пионер, и, согласно данным с их
приборов, наклон оси магнитного диполя Сатурна составляет меньше 1.
Мы не понимали, как так получилось, так что решили: полетим туда с
Кассини, выйдем на орбиту и со всем разберемся, в первый же год все
решим. Миссия КассиниИтак, мы выходим на орбиту и обнаруживаем, что
никакого наклона оси нет. Когда мы взглянули на данные, мы увидели
странные сигнатуры, которые выглядят так, как будто они совпадают с
периодом обращения планеты 10,5 часов, но в зависимости от времени
года и от того, смотрим ли мы на северное или южное полушарие, они
немного меняются. Очевидно, они связаны не с глубинными процессами,
происходящими внутри планеты: мы полагаем, что они связаны с
процессами, протекающими в атмосфере. В зависимости от того,
сколько солнца получает атмосфера, эти процессы слегка меняют
магнитные волны.Мы провели на орбите Сатурна 12 лет и не смогли
найти никакого наклона оси. Мы уточнили угол его значение оказалось
меньше, чем 0,06, и решили: возможно, что-то в кольцах Сатурна
влияет на поле, идущее изнутри системы. Мы знали, что скоро в
аппарате закончится топливо, и не хотели разбить его о поверхность
какого-нибудь спутника, например Энцелада, потому что, если бы мы
это сделали, а потом на спутниках Сатурна нашлась бы жизнь, мы бы
никогда не были уверены, что не занесли на спутник немного земных
бактерий на аппарате. Так что мы хотели завершить миссию, погрузив
аппарат в атмосферу Сатурна, чтобы он там сгорел, но при этом
хотели выжать из финальной стадии миссии максимум научных
данных.Так что на последний год миссии были запланированы пролеты
над Сатурном. Мы использовали Титан, один из спутников Сатурна,
чтобы подняться над экваториальной плоскостью, и несколько раз в
течение шести месяцев пролетели прямо по границе колец Сатурна.
Затем пролетели еще дальше, в промежуток между кольцами и
атмосферой Сатурна, и совершили двадцать два таких нырка под
кольца. Мы думали: Ну вот, мы подобрались совсем близко, уже вышли
из колец, наконец-то сможем измерить наклон оси! и никакого наклона
не нашли. Мы смогли его точно измерить, и он оказался меньше, чем
0,0095, что по сути означает, что его нет. Один из членов моей
команды даже предложил измерять его не в градусах, а в угловых
секундах это 32, такой наклон едва виден.Открытые вопросыЕсли эти
данные верны, нам нужно будет пересмотреть нашу теорию образования
магнитных полей планет. Если магнитное поле Сатурна образовано
гидромагнитным динамо, то почему мы не видим наклон? Мы думали,
что, возможно, магнитное поле Сатурна медленно, но верно угасает, и
тогда можно было бы ожидать, что наклон оси будет уменьшаться. Но
когда мы подобрались достаточно близко к Сатурну, мы
зарегистрировали некоторые характеристики магнитного поля, которые
указывали на то, что оно не угасает. Возможно, над областью,
обеспечивающей динамо-эффект, есть другая область, которая его
маскирует? Впрочем, пока что нельзя сказать, что наклона совсем
нет: мы самым тщательным образом анализируем все наши данные, чтобы
понять, что именно мы наблюдаем. Возможно, мы увидим в них сигналы,
исходящие из недр планеты, у меня несколько молодых ученых работают
над данными в попытках разобраться с этой проблемой.Итак, очень
странная ситуация: мы полагали, что понимаем теорию, и на
протяжении последних 150 лет ученые считали, что именно
гидромагнитное динамо обеспечивает появление магнитного поля.
Однако Сатурн намекает, что, возможно, мы не вполне понимаем эти
процессы. Мы знаем, что у него есть магнитное поле, поскольку можно
его замерить, но остается вопрос о том, как оно возникло, именно на
нем нам нужно сосредоточиться. Понимаем ли мы, как возникают
магнитные поля? И если нет, то как так получилось?Мы знаем только
то, что в недрах Сатурна течет электрический ток, который
генерирует магнитное поле. Мы полагаем, что у Сатурна может быть
маленькое твердое ядро, а над ним область с динамо-эффектом. По
нашей теории, это должно быть что-то вроде жидкого металлического
водорода: если ободрать с водорода электроны, он становится
металлическим, и это обеспечивает электропроводимость. Так что мы
надеемся, что, когда мы закончим обрабатывать данные, мы сможем
сказать не только насколько глубоко залегает область с
динамо-эффектом, но также из чего она состоит, и это поможет нам
разобраться с тем, правильно ли мы понимаем гидромагнитное
динамо.Но в каком-то смысле это интересная задача. Кассини не был
спроектирован для такого финала миссии, прибор точно не был для
этого предназначен. Я думала, что он переживет только один нырок к
Сатурну, но он пережил все двадцать два, и теперь мы можем
использовать присланные им данные, чтобы понять, что все-таки
происходит с магнитным полем Сатурна. Полагаю, мораль истории
такова: никогда не нужно быть слишком уверенным в том, что вы
обнаружите. Я правда считала, что в первый же год на орбите Сатурна
мы найдем угол наклона оси диполя и на этом все закончится.
Тринадцать лет спустя мы по-прежнему его ищем, и я не думаю, что
найдем. Теперь нам надо понять, почему его нет. Это досадно: я хочу
узнать ответ, но найти его будет непросто. Каждый раз, когда меня
кто-то спрашивает, как быстро мы со всем разберемся, я отвечаю:
через полгода. Но прошло уже полтора года с момента получения
данных возможно, поиск ответа займет больше времени.
