De kenmerkende ringen van Saturnus werden in ongekend detail waargenomen door NASA's Cassini-ruimtevaartuig, en wetenschappers hebben die waarnemingen nu gebruikt om het binnenste van de reuzenplaneet te onderzoeken en de eerste nauwkeurige bepaling van zijn rotatiesnelheid te verkrijgen. De lengte van een dag op Saturnus, volgens hun berekeningen, is 10 uur 33 minuten en 38 seconden.

De onderzoekers bestudeerden golfpatronen die binnen de ringen van Saturnus werden gecreëerd door de interne trillingen van de planeet. In werkelijkheid, de ringen fungeren als een uiterst gevoelige seismograaf door te reageren op trillingen in de planeet zelf.

Vergelijkbaar met de trillingen van de aarde van een aardbeving, Saturnus reageert op verstoringen door te trillen op frequenties die worden bepaald door zijn interne structuur. Warmtegedreven convectie in het interieur is de meest waarschijnlijke bron van de trillingen. Deze interne oscillaties zorgen ervoor dat de dichtheid op een bepaalde plaats binnen de planeet fluctueert, waardoor het zwaartekrachtveld buiten de planeet met dezelfde frequenties oscilleert.

"Deeltjes in de ringen voelen deze trilling in het zwaartekrachtsveld. Op plaatsen waar deze trilling resoneert met ringbanen, energie bouwt zich op en wordt meegesleept als een golf, " legde Christopher Mankovich uit, een afgestudeerde student astronomie en astrofysica aan UC Santa Cruz.

Mankovich is hoofdauteur van een paper, gepubliceerd op 17 januari in de Astrofysisch tijdschrift , het vergelijken van de golfpatronen in de ringen met modellen van de interne structuur van Saturnus.

De meeste golven die in de ringen van Saturnus worden waargenomen, zijn te wijten aan de zwaartekrachtseffecten van de manen die buiten de ringen draaien. zei co-auteur Jonathan Fortney, hoogleraar astronomie en astrofysica aan de UC Santa Cruz. "Maar sommige kenmerken in de ringen zijn te wijten aan de trillingen van de planeet zelf, en we kunnen die gebruiken om de interne oscillaties en interne structuur van de planeet te begrijpen, " hij zei.

Mankovich ontwikkelde een reeks modellen van de interne structuur van Saturnus, gebruikte ze om het frequentiespectrum van de interne trillingen van Saturnus te voorspellen, en vergeleek die voorspellingen met de golven waargenomen door Cassini in de C-ring van Saturnus. Een van de belangrijkste resultaten van zijn analyse is de nieuwe berekening van de rotatiesnelheid van Saturnus, wat verrassend moeilijk te meten was.

Als een gasreuzenplaneet, Saturnus heeft geen vast oppervlak met oriëntatiepunten die kunnen worden gevolgd terwijl hij draait. Saturnus is ook ongebruikelijk omdat zijn magnetische as bijna perfect is uitgelijnd met zijn rotatie-as. De magnetische as van Jupiter, zoals die van de aarde, is niet uitgelijnd met zijn rotatieas, wat betekent dat de magnetische pool ronddraait terwijl de planeet draait, waardoor astronomen een periodiek signaal in radiogolven kunnen meten en de rotatiesnelheid kunnen berekenen.

De rotatiesnelheid van 10:33:38 bepaald door de analyse van Mankovich is enkele minuten sneller dan eerdere schattingen op basis van radiometrie van het ruimtevaartuig Voyager en Cassini.

"We hebben nu de lengte van de dag van Saturnus, toen we dachten dat we het niet zouden kunnen vinden, "Zei Cassini-projectwetenschapper Linda Spilker. "Ze gebruikten de ringen om in het binnenste van Saturnus te kijken, en kwam uit dit lang gezochte, fundamentele kwaliteit van de planeet. En het is een heel solide resultaat. De ringen bevatten het antwoord."

Het idee dat de ringen van Saturnus kunnen worden gebruikt om de seismologie van de planeet te bestuderen, werd voor het eerst geopperd in 1982, lang voordat de nodige waarnemingen mogelijk waren. Co-auteur Mark Marley, nu bij NASA's Ames Research Center in Silicon Valley, werkte vervolgens het idee uit voor zijn Ph.D. proefschrift in 1990, liet zien hoe de berekeningen konden worden uitgevoerd, en voorspelde waar kenmerken in de ringen van Saturnus zouden zijn. Hij merkte ook op dat de Cassini-missie, dan in de planningsfase, in staat zou zijn om de waarnemingen te doen die nodig zijn om het idee te testen.

"Twee decennia later mensen keken naar de Cassini-gegevens en vonden ringkenmerken op de locaties van Marks voorspellingen, ' zei Fortney.