Een onderzoeksteam van de Northumbria Universiteit in Groot-Brittannië gebruikte de meest geavanceerde James Webb Ruimtetelescoop (JWST) om een ​​belangrijk antwoord te geven op een probleem dat de planetaire wetenschappelijke gemeenschap al tientallen jaren in verwarring brengt: waarom lijkt de rotatiesnelheid van Saturnus te ‘veranderen’ afhankelijk van verschillende meetmethoden?

Het laatste onderzoek gepubliceerd in het "Journal of Geophysical Research: Space Physics" heeft voor het eerst gedetailleerde beelden in kaart gebracht van de temperatuur en de verdeling van geladen deeltjes in de aurora's van Saturnus, waaruit blijkt dat dit fenomeen voortkomt uit een continu, zichzelf onderhoudend feedbacksysteem aangedreven door de aurora's van Saturnus, waardoor de illusie ontstaat van "veranderingen in de rotatiesnelheid" in observatiegegevens.

Het ongebruikelijke gedrag van Saturnus houdt astronomen al tientallen jaren bezig. Gegevens verkregen door detectoren van het Cassini-ruimtevaartuig rond 2004 hebben aangetoond dat de rotatieperiode van Saturnus in de loop van de tijd lijkt te veranderen. Dit resultaat is in strijd met het traditionele fysieke begrip: de algehele rotatie van de planeet zou over lange tijdschalen stabiel moeten blijven. In 2021 gaf een onderzoek onder leiding van Tom Stallard, hoogleraar planetaire astronomie aan de Northumbria University, een belangrijke aanwijzing: wat echt verandert is niet de rotatiesnelheid van de planeet zelf, maar het hogesnelheidswindveld in de bovenste atmosfeer. Deze winden genereren stromingen in de hogere atmosfeer, die op hun beurt de poollichtsignalen beïnvloeden, waardoor de "rotatiemeting" op basis van elektromagnetische golven aan het poollicht lijkt te veranderen.

Deze verklaring zelf roept echter nieuwe vragen op: als winden op grote hoogte de stromingen aandrijven, hoe worden deze winden überhaupt ‘ontstoken’ en in stand gehouden?

De nieuwste JWST-waarnemingen vormen een ontbrekend stukje van de puzzel. Het team van Stallard werkte samen met meerdere instellingen in Groot-Brittannië en de VS om JWST te gebruiken om continu de aurora-zone op de noordpool van Saturnus te monitoren - vergelijkbaar met de aurora borealis op aarde - die een volledige "Saturnus-dag" bestrijkt en observatiegegevens verkregen met een ongekende ruimtelijke en temporele resolutie. De onderzoekers concentreerden zich op het analyseren van de infraroodstraling van een molecuul genaamd triwaterstofkation (H₃⁺) in de bovenste atmosfeer van Saturnus. Dit molecuul is een natuurlijke "sonde" van temperatuurveranderingen en kan worden gebruikt om de atmosferische verwarmingsomstandigheden en de deeltjesdichtheidsverdeling om te keren.

Eerdere waarnemingen op de grond en in de ruimte hebben temperaturen gemeten met een onzekerheid van ongeveer 50 graden Celsius, wat grofweg hetzelfde is als de temperatuurschommelingen die onderzoekers proberen op te lossen, en die alleen over een groot aantal poolgebieden kunnen worden gemiddeld. De JWST-gegevens verbeteren deze nauwkeurigheid met ongeveer een orde van grootte, waardoor wetenschappers voor het eerst gedetailleerde lokale verwarmings- en koelingsstructuren in het poollichtgebied kunnen achterhalen.

De waarnemingen kwamen goed overeen met een numeriek model dat meer dan tien jaar geleden werd ontwikkeld, maar alleen als de belangrijkste warmtebron nauwkeurig werd geplaatst in het gebied waar aurora's in de atmosfeer zinken, waar geladen deeltjes langs magnetische veldlijnen in de bovenste atmosfeer "botsen". Dit toont aan dat de aurora van Saturnus niet alleen een spectaculair optisch tafereel is, maar ook een krachtige lokale energiebron: poollichtdeeltjes bezinken en deponeren energie binnen een specifiek hoogtebereik, waardoor de lokale atmosferische temperaturen stijgen en zo windvelden op grote hoogte aandrijven. Deze winden zullen stromingen stimuleren in het grensvlak tussen de magnetosfeer van de planeet en de atmosfeer. De stromingen leveren op hun beurt energie voor de aurora, waardoor de aurora de atmosfeer lange tijd in stand kan houden en kan blijven verwarmen, waardoor een gesloten cyclus ontstaat van "aurora-verwarming-wind-stroom-aurora".

Stallard vergeleek dit proces levendig met 'een planetaire warmtepomp': de aurora verwarmt de atmosfeer, de atmosfeer drijft de wind aan, de wind genereert elektrische stroom en de elektrische stroom voedt de aurora terug, en het systeem is zelfvoorzienend en werkt keer op keer. Het is dit stabiel werkende feedbacksysteem dat ervoor zorgt dat de "rotatiesnelheid", berekend op basis van elektromagnetische signalen van het noorderlicht, in de loop van de tijd afwijkt, waardoor het lijkt alsof de rotatie van Saturnus zelf langzaam verandert.

De betekenis van dit onderzoek gaat verder dan het verklaren van het mysterie van Saturnus over de rotatie met variabele snelheid. De resultaten laten zien dat er een nauwe koppeling bestaat tussen de atmosfeer van Saturnus en zijn magnetosfeer: atmosferische processen kunnen stroom en energie naar buiten drijven, waardoor de omgeving van de magnetosfeer verandert, terwijl energie en deeltjes in de magnetosfeer zich weer kunnen bezinken en energie terug naar de atmosfeer kunnen transporteren. Dit tweerichtingsmechanisme voor energie- en momentumuitwisseling kan de sleutel zijn tot de stabiliteit op lange termijn van abnormale signalen zoals Saturnus. Het suggereert ook dat er op andere planeten met sterke magnetische velden en atmosferen (waaronder gasreuzenplaneten en zelfs exoplaneten) ook koppelingsprocessen tussen atmosfeer en ruimteomgeving kunnen plaatsvinden die nog niet volledig zijn begrepen.

Stallard zei dat dit resultaat de manier verandert waarop we planetaire atmosferen begrijpen: als de toestand van de atmosfeer van een planeet elektrische stromen naar buiten kan drijven, waardoor de omringende ruimteomgeving verandert, dan kunnen bij het bestuderen van de hogere atmosferen en stratosferen van andere planeten en zelfs exoplaneten tot nu toe onverwachte interacties worden ontdekt. De relevante resultaten werden gepubliceerd in het "Journal of Geophysical Research: Space Physics" onder de titel "JWST/NIRSpec onthult het atmosferische aandrijfmechanisme van de variabele rotatiesnelheid van de magnetosfeer van Saturnus". Het onderzoek werd gefinancierd door de British Science and Technology Facilities Council en andere instellingen.