Een nieuwe studie op basis van gegevens van het Cassini-Huygens-ruimtevaartuig laat zien dat de structuur en het gedrag van de magnetosfeer, het beschermende magnetische veld rond Saturnus, heel anders is dan wat wetenschappers op basis van ervaringen op aarde hadden verwacht. Het onderzoeksteam wees erop dat deze ontdekking aantoont dat snel roterende reuzenplaneten zoals Saturnus een andere reeks ‘regels’ volgen dan die van de aarde als het gaat om hoe de magnetosfeer ontstaat en werkt.
Deze studie werd gepubliceerd in Nature Communications. Het auteursteam bestond uit dr. Licia Ray en dr. Sarah Badman van de Lancaster University in Groot-Brittannië, evenals dr. Chris Arridge, die op de school werkte. Ze gebruikten gegevens verkregen door Cassini toen deze van 2004 tot 2010 rond Saturnus draaide, waarbij ze zich concentreerden op het analyseren van de ruimtelijke positie en veranderende patronen van de zogenaamde "magnetosferische cusp" in de magnetosfeer van Saturnus.
De ‘Cassini-Huygens’-missie, gezamenlijk uitgevoerd door NASA, de European Space Agency en de Italian Space Agency, draaide van 2004 tot 2017 rond Saturnus en verkende systematisch het lichaam, de ringen, talrijke satellieten en de omringende ruimteomgeving van de planeet. In deze langetermijnaccumulatie van gegevens hebben de onderzoekers de statistische positie van het puntje van de magnetosfeer van Saturnus vastgelegd en vergeleken met soortgelijke waarnemingen vanaf de aarde. De magnetosfeer is het gebied waar het magnetische veld van de planeet weerstand biedt aan de ‘zonnewind’ van geladen deeltjes van de zon. Het fungeert als een onzichtbaar ‘schild’ dat hoogenergetische deeltjes op grote schaal afbuigt en blokkeert; maar nabij de polen zal de magnetosfeer een trechterachtige opening hebben - de magnetosfeerpunt - waardoor deeltjes van de zonnewind langs magnetische lijnen de bovenste atmosfeer kunnen bereiken.
De resultaten laten zien dat de positie van de magnetosfeerpunt van Saturnus aanzienlijk verschilt van die van de aarde. Op aarde bevindt de punt van de magnetosfeer zich, vanwege de langzame rotatie en het relatief eenvoudige evenwicht tussen magnetisch veld en zonnewinddruk, meestal in de buurt van de "lokale middag" -richting, de kant van de planeet die naar de zon is gericht. Voor Saturnus is de situatie totaal anders: het sterke rotatie-effect lijkt de top van de magnetosfeer van de "middagrichting" naar de avondzijde te "slepen". Statistieken tonen aan dat het puntje van de magnetosfeer van Saturnus zich gemiddeld tussen 13.00 en 15.00 uur lokale tijd bevindt, en kan verschuiven tot 20.00 uur, wat duidelijk wordt afgebogen in de "schemeringsrichting".
Het onderzoeksteam wees erop dat deze ‘verschuiving aan de schemerzijde’ betekent dat de rotatiesnelheid van de planeet zelf voldoende is om de ruimteomgeving eromheen voor een groot deel te hervormen, en zelfs de controle over de zonnewind te overweldigen. Saturnus heeft ongeveer 10,7 uur nodig om eenmaal rond te draaien, veel sneller dan de 24 uur van de aarde, en zijn magnetosfeer is ook gevuld met een grote hoeveelheid geïoniseerd materiaal van de satelliet "Enceladus". Deze factoren samen versterken het roterende "weerstandseffect" van het magnetische veld en het plasma. Onder een dergelijk mechanisme zullen het magnetische veld van Saturnus en de snel roterende geladen materie daarin een complexere hoek vormen met de zonnewind, waardoor de algehele structuur van de magnetosfeer systematisch naar de schemerzijde verschuift.
Dit nieuwe resultaat verfrist niet alleen het inzicht van mensen in de geometrische structuur van de magnetosfeer van de reuzenplaneet, maar stelt ook herzieningseisen voor het begrip van meerdere belangrijke fysieke processen. Veranderingen in de positie van de magnetosfeertip zullen rechtstreeks van invloed zijn op het gebied en de efficiëntie van de magnetische herverbinding. Dit explosieve fenomeen van het ‘breken en opnieuw verbinden’ van magnetische veldlijnen kan magnetische energie in zeer korte tijd omzetten in de kinetische energie van geladen deeltjes, waardoor deze worden versneld tot duizenden elektronvolt of zelfs hogere energieën. Tegelijkertijd zijn de vorming en helderheidsverdeling van de aurora van Saturnus ook nauw verbonden met de positie van magnetische herverbinding, de energie van invallende deeltjes en de geometrische structuur van de magnetosfeer. De punt van de magnetosfeer is naar de schemerzijde gericht, wat betekent dat de "energie-ingang" en de vorm van de aurora mogelijk opnieuw moeten worden geïnterpreteerd.
"Dit resultaat stelt ons in staat een completere nieuwe theorie te construeren over hoe de magnetosfeer van de planeet interageert met de zonnewind." zei Licia Ray van de Universiteit van Lancaster. Ze benadrukte vooral het belang van de positie van de punt van de magnetosfeer aan de schemerzijde voor het begrijpen van de heldere aurora van Saturnus en het voorspellen van het gebied waar magnetische herverbinding plaatsvindt. Ze wees erop dat zelfs acht jaar na het einde van de Cassini-missie deze gegevens nog steeds een rijke wetenschappelijke waarde hebben en voortdurend moeten worden onderzocht.
Op een meer macroniveau versterkt dit onderzoek het vertrouwen van de wetenschappelijke gemeenschap in het al lang bestaande vermoeden dat "snel roterende reuzenplaneten een andere zaak zijn." Voor terrestrische planeten zoals de aarde, die langzaam roteren, wordt de vorm van de magnetosfeer voornamelijk bepaald door het evenwicht tussen de externe zonnewinddruk en de interne magnetische veldsterkte. Voor gasreuzenplaneten zoals Saturnus zullen hogesnelheidsrotatie en interne plasmabronnen de structuur van de magnetosfeer echter voor een groot deel domineren, waardoor het moeilijk wordt om traditionele, op de aarde gebaseerde empirische modellen direct toe te passen.
Het onderzoeksteam stelde dat het nauwkeurig in kaart brengen en de mechanismeanalyse van de magnetosfeerpunt van Saturnus een belangrijk referentiepunt zal zijn voor de toekomstige detectie van andere reuzenplaneten zoals Jupiter, Uranus en Neptunus, en ook zal helpen het magnetosfeergedrag van exoplaneten zoals 'hete Jupiters' en andere snel roterende planeten met sterke magnetische velden te verklaren. Met meer verkenningsmissies in de ruimte wordt verwacht dat wetenschappers dit beeld van een ‘door rotatie gedomineerde magnetosfeer’ zullen testen in een bredere steekproef van planeten, waardoor ons algemene begrip van de interactie tussen planetaire magnetische velden en ruimteweer verder zal verbeteren.