Ongeveer een jaar geleden, een spectaculaire duik in Saturnus maakte een einde aan NASA's Cassini-missie - en daarmee een unieke, 13-jarige onderzoeksexpeditie naar het Saturnus-stelsel. In de laatste vijf maanden van de missie, de sonde betrad opnieuw onbekend terrein:tweeëntwintig keer, het stortte in het bijna onontgonnen gebied tussen de planeet Saturnus en zijn binnenste ring, de D-ring. Op vrijdag, 5 oktober 2018, het journaal Wetenschap brengt zes artikelen uit waarin de eerste resultaten van deze missiefase worden beschreven.

In een van deze kranten een onderzoeksteam onder leiding van het Max Planck Institute for Solar System Research in Duitsland en het Applied Physics Laboratory van de Johns Hopkins University in de VS rapporteert over de unieke protonenstralingsgordels die in de nabijheid van de planeet zijn gevormd. Door de aanwezigheid van de dichte A, B, en C-ringen, dit gebied is bijna volledig losgekoppeld van de hoofdstralingsgordel en de rest van de magnetosfeer, die zich verder naar buiten uitstrekken.

Toen de ruimtesonde Cassini op 1 juli in zijn eerste baan rond Saturnus en zijn ringen zwaaide 2004, de Magnetospheric Imaging Instrument (MIMI) deeltjesdetectorsuite, inclusief Low Energy Magnetospheric Measurement System (LEMMS), ontwikkeld en gebouwd onder leiding van MPS, ving een korte glimp op van het gebied tussen de planeet en de binnenste D-ring. De metingen gaven aan dat er een populatie geladen deeltjes aanwezig kan zijn, maar de exacte samenstelling en eigenschappen bleven onduidelijk. In de komende jaren, MIMI-LEMMS onderzocht de deeltjes die buiten zijn ringen worden gevangen door het sterke magnetische veld van Saturnus. vormen de belangrijkste stralingsgordel die bestaat uit hoogenergetische protonen en elektronen. De protonenstralingsgordel strekt zich uit over meer dan 285, 000 kilometer de ruimte in en wordt sterk beïnvloed door de talrijke manen van Saturnus, die het in vijf sectoren segmenteert. "Slechts 13 jaar later, kort voor het einde van de missie, we kregen de kans om onze allereerste metingen bij Saturnus op te volgen en te kijken of er een extra stralingsgordelsector bestaat naast de D-ring en de bovenste atmosfeer van de planeet, " legt Elias Roussos uit, wetenschapper aan het Max Planck Institute for Solar Systems hoofdauteur van de huidige studie.

De 13 jaar durende test van geduld heeft nu zijn vruchten afgeworpen. In hun huidige Wetenschap artikel, de wetenschappers schetsen een uitgebreid beeld van de protonen die Saturnus in de onmiddellijke nabijheid omringen. Twee artikelen in het tijdschrift Geofysische onderzoeksbrieven deze bevindingen uitwerken.

Vergelijkbaar met de belangrijkste protonengordel van Saturnus, de protonen die het gebied dicht bij de planeet bevolken, worden gegenereerd door invallende galactische kosmische straling. Wanneer kosmische straling interageert met materiaal in de atmosfeer van Saturnus of in zijn dichte ringen, het veroorzaakt een keten van reacties die hoogenergetische protonen genereren die vervolgens worden gevangen door het magnetische veld van de planeet.

Het magnetische veld van Saturnus is meer dan 10 keer sterker in de buurt van de planeet dan in de belangrijkste stralingsgordels. Dat maakt het vangen zo efficiënt dat protonen jarenlang in dezelfde magnetische veldlijn kunnen blijven. Dat dwingt hen om continu te interageren met de D-ring en de Saturnus-atmosfeer en geleidelijk hun volledige energie te verliezen. Maar met de dichtheden van de dunne D-ring onbekend, het was onduidelijk hoe snel dit energieverlies zich ontwikkelt en of een stralingsgordel kon worden gehandhaafd. Theoretische modellering gaf aan dat een haalbaar scenario zou kunnen zijn dat MIMI alleen maar ruis meet.

Dat is gelukkig niet gebeurd – in ieder geval voor protonen. LEMMS-metingen onthulden een stabiele accumulatie van energetische protonen die zich uitstrekt van de atmosfeer van Saturnus en over de hele D-ring. De energie die veel van deze protonen hebben is extreem:meer dan 10 keer hoger dan waarvoor LEMMS is ontworpen. "We moesten oude mechanische tekeningen van het instrument uitgraven en er nieuwe modellen van maken om te begrijpen hoe het zou meten in zo'n extreme omgeving, " voegt Roussos toe.

"Buiten de D-ring, Saturnus A, B- en C-ringen zijn aanzienlijk dichter en stoffiger, een effectieve 62 vormen, 000 kilometer barrière voor het vangen van geladen deeltjes, Roussos gaat verder. Dat betekende dat de buitenrand van de D-ring zo ver was als deze nieuwe protonengordel kon strekken – en LEMMS-metingen bevestigden dat. “Hierdoor ontstaat een stralingsgordel die volledig geïsoleerd is van de rest van de magnetosfeer, " zegt MPS-wetenschapper Dr. Norbert Krupp, Hoofdonderzoeker van het MIMI-LEMMS-team en co-auteur van de studie in Wetenschap .

Deze regio is uniek in het zonnestelsel. Het biedt de mogelijkheid om een ​​stralingsgordel in laboratoriumachtige omstandigheden te onderzoeken, omdat de protonen worden gecreëerd door een zeer stabiel proces, geleid en gecontroleerd door het sterke magnetische veld van Saturnus. In de belangrijkste stralingsgordel van Saturnus en in de stralingsgordels van de aarde en Jupiter, deze voorwaarden zijn anders - en veel gecompliceerder. op aarde, bijvoorbeeld, een variabele instroom van hoogenergetische deeltjes van de zon kan een sterke invloed hebben op de structuur van de stralingsgordel.

Even waardevol is de nieuwe informatie die LEMMS toevoegt over het D-ringsysteem, die te zwak is om alleen met beeldvorming te bestuderen. Deze ring bevat in totaal drie smalle ringetjes, allemaal helderder dan de rest van de ring en genoemd als D68, D72 en D73. Terwijl de intensiteit van protonen werd verminderd door ringetjes D68 en D73, daartussen liggend ringetje D72 lijkt geen effect te hebben. "Hoewel de D72- en D68-ringlets even helder zijn, LEMMS-metingen laten zien dat ze eigenlijk heel verschillend moeten zijn, ' zegt Roussos.

MIMI-metingen lieten ook een secundair, protonenstralingsgordel met lagere energie op een hoogte van minder dan enkele duizenden kilometers. Deze gordel vormt zich af en toe wanneer snelle neutrale waterstofatomen die in de magnetosfeer van Saturnus zijn gecreëerd, vast komen te zitten in de buurt van de planeet wanneer ze de atmosfeer raken en worden opgeladen. "De aanwezigheid van deze lager gelegen gordel laat zien dat enige minimale informatie door de variabele van Saturnus, verre magnetosfeer kan worden uitgezonden over de dichte ringen van de planeet, ’, vult Krupp aan.

In de 13 jaar die het MIMI/LEMMS-instrument bij Saturnus heeft doorgebracht, het voerde een van de meest uitgebreide onderzoeken uit van een andere planetaire stralingsgordel dan die van de aarde en hielp zelfs onbekende ringen te ontdekken. Een samenvatting van deze en verdere ontdekkingen is te vinden in het boek Saturnus in de 21e eeuw , die deze maand wordt gepubliceerd door Cambridge University Press. Dr. Norbert Krupp van de MPS is een van de vier redacteuren.