Газовые гиганты – Сатурн, Юпитер, Уран и Нептун – находятся в сотнях и даже тысячах миллионов километров от Солнца, однако верхние слои их атмосфер столь же горячи, как и у Земли, которая расположена всего в 150 миллионах километрах от звезды. Источник таких неожиданных температур на протяжении многих лет оставался загадкой для планетологов. Новые данные, полученные в финальном туре аппарата Cassini, наконец предоставили учёным правдоподобное объяснение тому, что разогревает верхние слои атмосферы Сатурна.
Прежде верхние слои атмосферы Сатурна не представляли для науки особого интереса. Согласно теоретическим расчётам, которые брали во внимание удалённость планеты от Солнца и интенсивность солнечного ветра, температура верхних слоёв газового гиганта должна была составлять не более 150 K – то есть не более -123 °C. При пролёте зондов Voyager мимо Сатурна в 1970-1980-х годах астрономы сделали внезапное открытие: расположенный в 1430 млн км от Солнца газовый гигант прогревается гораздо сильнее ожидаемого. Температура верхних слоёв его атмосферы варьируется от 400 K до 600 K (от 125 до 325°C).
С тех пор учёные были озадачены поиском источников столь мощного теплообразования. В научном журнале Nature Astronomy было опубликовано исследование «A pole-to-pole pressure–temperature map of Saturn’s thermosphere from Cassini Grand Finale data», которое содержит наиболее подробную карту температур и плотности газов в экзосфере Сатурна. Работа специалистов основывается на данных, полученных на завершающем этапе миссии автоматической межпланетной станции Cassini –так называемого «Grand Finale». Аппарат, разработанный Лабораторией реактивного движения NASA, проводил изучение Сатурна и его спутников на протяжении 13 лет. Весной 2017 года запасы его топлива подошли к концу, потому руководство проекта приняло решение инициировать завершение миссии. По задумке NASA, станция Cassini должна была нырнуть в атмосферу Сатурна, чтобы избежать столкновения со спутником Энцеладом, который, предположительно, имеет пригодные для жизни условия.
Финальный этап миссии стартовал 22 апреля 2017 года, когда станция Cassini пошла на сближение с Сатурном. В рамках так называемого «Grand Finale» аппарат выполнил 22 оборота на сверхблизкой орбите Сатурна. Полученные при этом данные стали его лебединой песней, которая открыла учёным неизвестную ранее информацию о температурах и плотности газов верхних слоёв атмосферы гиганта. Во время выполнения манёвров по нисходящей орбите Cassini была сориентирована на созвездия Орион и Большой Пёс. По мере погружения в атмосферу её аппаратура отслеживала, как изменялось свечение звёзд при «взгляде» сквозь газы Сатурна.
Изменения прохождения света от созвездий Орион и Большой Пёс позволили учёным конкретизировать данные о вариациях в плотности газов в зависимости от высоты над уровнем поверхности Сатурна. Эта же информация помогла планетологам создать температурную карту газового гиганта. В результате исследователи обнаружили, что температура верхних слоёв атмосферы достигает пика в регионах, где наблюдаются полярные сияния. Таким образом они установили, что именно электрические разряды, провоцируемые взаимодействием частиц солнечного ветра с атомами водорода и гелия в верхних слоях атмосферы Сатурна, являются источниками мощнейших выбросов энергии. Из-за более сильного, чем на Земле, магнитного поля полярные сияния Сатурна выделяют ощутимо больше энергии. Изучая соотношение плотности и температуры газов, учёные также установили наличие мощных ветров, которые разносят тепло полярных сияний от полюсов гиганта к его экватору.
По словам экспертов NASA, понимание структуры и поведения экзосферы Сатурна является одним из ключевых факторов в расширении наших познаний о космической погоде и её воздействии на другие планеты Солнечной системы, а также на экзопланеты, обращающиеся вокруг других звёзд. Учёные не исключают, что нагрев атмосферы остальных газовых происходит в результате аналогичных процессов.
