Op dezelfde manier dat aardbevingen onze planeet doen rommelen, oscillaties in het binnenste van Saturnus zorgen ervoor dat de gasreus heel lichtjes heen en weer beweegt. Die bewegingen, beurtelings, rimpelingen veroorzaken in de ringen van Saturnus.

In een nieuwe studie aanvaard in het tijdschrift Natuurastronomie , twee Caltech-astronomen hebben die rimpelende ringen geanalyseerd om nieuwe informatie over de kern van Saturnus te onthullen. Voor hun studie ze gebruikten oudere gegevens die zijn vastgelegd door NASA's Cassini, een ruimtevaartuig dat 13 jaar rond de geringde reus draaide voordat het in de atmosfeer van de planeet dook en in 2017 uiteenviel.

De bevindingen suggereren dat de kern van de planeet geen harde bal van steen is, zoals sommige eerdere theorieën hadden voorgesteld, maar een diffuse soep van ijs, steen, en metallische vloeistoffen - of wat de wetenschappers een "vage" kern noemen. De analyse laat ook zien dat de kern zich uitstrekt over 60 procent van de diameter van de planeet, waardoor het aanzienlijk groter is dan eerder werd geschat.

"We gebruikten de ringen van Saturnus als een gigantische seismograaf om trillingen in de planeet te meten, " zegt co-auteur Jim Fuller, assistent-professor theoretische astrofysica aan Caltech. "Dit is de eerste keer dat we in staat zijn geweest om de structuur van een gasreuzenplaneet seismisch te onderzoeken, en de resultaten waren behoorlijk verrassend."

"De gedetailleerde analyse van de kabbelende ringen van Saturnus is een zeer elegante vorm van seismologie om de kenmerken van de kern van Saturnus af te leiden, " zegt Jennifer Jackson, de William E. Leonhard hoogleraar minerale fysica in het seismologisch laboratorium in Caltech, die niet bij het onderzoek betrokken was, maar verschillende soorten seismische waarnemingen gebruikt om de samenstelling van de kern van de aarde te begrijpen en om in de toekomst mogelijk seismische gebeurtenissen op Venus te detecteren.

De hoofdauteur van de studie is Christopher Mankovich, een postdoctoraal wetenschappelijk onderzoeksmedewerker in planetaire wetenschap die in de groep van Fuller werkt.

De bevindingen bieden het beste bewijs tot nu toe voor de vage kern van Saturnus en sluiten aan bij recent bewijs van NASA's Juno-missie, wat aangeeft dat de gasreus Jupiter ook een vergelijkbare verdunde kern kan hebben.

"De vage kernen zijn als een slib, " legt Mankovich uit. "Het waterstof- en heliumgas in de planeet vermengen zich geleidelijk met meer en meer ijs en gesteente terwijl je naar het centrum van de planeet beweegt. Het lijkt een beetje op delen van de oceanen van de aarde waar het zoutgehalte toeneemt naarmate je dieper en dieper komt, het creëren van een stabiele configuratie."

Het idee dat de oscillaties van Saturnus golven in zijn ringen zouden kunnen maken en dat de ringen dus konden worden gebruikt als een seismograaf om het binnenste van Saturnus te bestuderen, ontstond voor het eerst in studies in de vroege jaren 1990 door Mark Marley (BS '84) en Carolyn Porco (Ph.D. '83), die later de leider werd van het Cassini Imaging Team. De eerste waarneming van het fenomeen werd gedaan door Matt Hedman en P.D. Nicholson (Ph.D. '79) in 2013, die de gegevens van Cassini analyseerde. De astronomen ontdekten dat de C-ring van Saturnus meerdere spiraalpatronen bevatte die werden veroorzaakt door fluctuaties in het zwaartekrachtsveld van Saturnus en dat deze patronen verschilden van andere golven in de ringen die werden veroorzaakt door zwaartekrachtinteracties met de manen van de planeet.

Nutsvoorzieningen, Mankovich en Fuller hebben het golfpatroon in de ringen geanalyseerd om nieuwe modellen van het klotsende interieur van Saturnus te bouwen.

"Saturnus beeft altijd, maar het is subtiel, "zegt Mankovich. "Het oppervlak van de planeet beweegt elke één tot twee uur ongeveer een meter als een langzaam kabbelend meer. Als een seismograaf, de ringen vangen de zwaartekrachtverstoringen op, en de ringdeeltjes beginnen te wiebelen, " hij zegt.

De onderzoekers zeggen dat de waargenomen zwaartekrachtrimpelingen aangeven dat het diepe binnenste van Saturnus, terwijl ze als een geheel rondslenteren, is samengesteld uit stabiele lagen die zijn gevormd nadat zwaardere materialen naar het midden van de planeet waren gezonken en niet meer vermengden met lichtere materialen erboven.

"Om het zwaartekrachtveld van de planeet te laten oscilleren met deze specifieke frequenties, het interieur moet stabiel zijn, en dat is alleen mogelijk als de fractie ijs en gesteente geleidelijk toeneemt als je naar het centrum van de planeet gaat, ' zegt Voller.

Hun resultaten geven ook aan dat de kern van Saturnus 55 keer zo zwaar is als de hele aarde, met 17 aardmassa's waarvan ijs en rots en de rest een vloeistof van waterstof en helium.

Hedman, die geen deel uitmaakt van de huidige studie, zegt, "Christopher en Jim waren in staat om aan te tonen dat een bepaald ringkenmerk sterk bewijs leverde dat de kern van Saturnus extreem diffuus is. Ik ben opgewonden om na te denken over wat alle andere ringkenmerken die door Saturnus zijn gegenereerd ons over die planeet kunnen vertellen."

In aanvulling, de bevindingen vormen een uitdaging voor de huidige modellen van de vorming van gasreuzen, die vasthouden dat rotsachtige kernen eerst worden gevormd en vervolgens grote gasomhulsels aantrekken. Als de kernen van de planeten inderdaad wazig zijn, zoals de studie aangeeft, de planeten kunnen in plaats daarvan eerder in het proces gas opnemen.

De Natuurastronomie studie, getiteld, "Een diffuse kern in Saturnus onthuld door ringseismologie, " werd gefinancierd door The Rose Hills Foundation en de Sloan Foundation.