James Webb -teleskooppi ratkaisi vuosikymmeniä vanhan Saturnuksen mysteerin

Saturnuksessa on vuosikymmeniä ollut jotain outoa. Mittaukset viittasivat siihen, että planeetan pyörimisnopeus muuttui ajan kuluessa — ikään kuin se olisi joskus pyörinyt nopeammin ja joskus hitaammin. Planeetat eivät kuitenkaan vain muuta pyörimisnopeuttaan lyhyellä aikavälillä, joten asia ei saanut järkevää selitystä.

Nyt tutkijat sanovat löytäneensä vastauksen James Webb -avaruusteleskoopilla (JWST). Löydökset julkaistiin Journal of Geophysical Research: Space Physics -lehdessä.

Ei kyse ollut pyörimisestä

Mysteeri sai lisähuomiota vuonna 2004, kun NASA:n Cassini-luotain mittasi Saturnuksen pyörimisnopeuden ja havaitsi sen muuttuneen. Kukaan ei osannut selittää, miten se olisi mahdollista.

Vuonna 2021 professori Tom Stallard Northumbrian yliopistosta kollegoineen tarjosi vaihtoehtoisen selityksen: Saturnuksen pyöriminen ei oikeasti muuttunut. Sen sijaan planeetan revontuliin liittyvät sähköiset signaalit häiriintyivät yläilmakehän tuulien vaikutuksesta. Nuo tuulet synnyttivät sähkövirtoja, jotka vääristivät mittauksia, joita käytettiin pyörimisnopeuden arviointiin.

Selitys ratkaisi harhaanjohtavien mittausten ongelman, mutta yksi kysymys jäi avoimeksi: mistä nuo atmosfäärin tuulet ylipäätään syntyivät?

Webb katsoi Saturnuksen revontuliin

Stallardin tutkimusryhmä kääntyi James Webb -teleskoopin puoleen. He tarkkaili Saturnuksen pohjoista revontulialuetta yhtäjaksoisesti kokonaisen Saturnuksen päivän ajan.

Tutkijat analysoi infravaloa, jota lähettää trihydrogeenikationiksi kutsuttu molekyyli. Tämä molekyyli muodostuu Saturnuksen yläilmakehässä ja toimii luonnollisena lämpömittarina. Sen avulla ryhmä pystyi luomaan tarkimmat kartat koskaan Saturnuksen revontulialueen lämpötiloista ja varautuneiden hiukkasten tiheydestä.

Tarkkuus parani huomattavasti. Aiemmissa mittauksissa epävarmuus oli noin 50 astetta, mikä teki pienten muutosten havaitsemisesta vaikeaa. JWST:n mittaukset olivat noin kymmenen kertaa tarkempia, ja ensimmäistä kertaa tutkijat pystyivät erottamaan paikallisia lämmitys- ja jäähtymisalueita.

Itsensä ruokkiva kiertokulku

Uudet havainnot sopivat yhteen yli kymmenen vuotta sitten tehtyjen tietokonemallien ennusteiden kanssa. Mallit toimivat kuitenkin vain sillä ehdolla, että ilmakehän lämmitys tapahtuu juuri siellä, missä voimakkaimmat revontulichat hiukkaset pääsevät Saturnuksen ilmakehään.

Käytännössä Saturnuksen revontulet tekevät paljon muutakin kuin luovat näyttävän valoshown. Ne lämmittävät tiettyä aluetta ilmakehässä. Lämpö synnyttää tuulia. Tuulet luovat sähkövirtoja. Ja sähkövirrat puolestaan ruokkivat revontulia — jotka jatkavat ilmakehän lämmittämistä. Ympyrä sulkeutuu.

Stallard kuvasi ilmiötä näin: "Se on pohjimmiltaan planeetan lämpöpumppu. Revontulet lämmittävät ilmakehää, ilmakehä synnyttää tuulia, tuulet tuottavat virtoja jotka ruokkivat revontulia, ja niin edelleen. Järjestelmä ruokkii itse itseään."

Hän jatkoi: "Vuosikymmeniä tiesimme, että Saturnuksen näennäisessä pyörimisnopeudessa on jotain outoa, mutta emme voineet selittää sitä. Sitten osoitimme sen johtuvan ilmakehän tuulista, mutta emme vieläkään tienneet mistä tuulet tulivat. Nämä uudet havainnot sulkivat sen aukon."

Löytö voi koskea muitakin planeettoja

Tutkimuksessa löytyi myös viitteitä siitä, että Saturnuksen ilmakehä ja magnetosfääri — planeetan magneettikentän muovaama laaja avaruusalue — ovat tiiviisti yhteydessä toisiinsa. Ilmakehän tapahtumat vaikuttavat magnetosfääriin, ja magnetosfääri syöttää energiaa takaisin ilmakehään. Tämä vaihtosuunta selittäisi osaltaan, miksi koko järjestelmä pysyy vakaana pitkällä aikavälillä.

Stallardin mukaan vastaavia vuorovaikutuksia saattaa esiintyä myös muilla planeetoilla: "Jos planeetan ilmakehän olosuhteet voivat ajaa sähkövirtoja avaruuteen saakka, niin muiden maailmojen stratosfäärien tutkiminen voi paljastaa vuorovaikutuksia, joita emme ole vielä edes osanneet kuvitella."

Tutkimus tehtiin Northumbrian yliopiston johdolla yhteistyössä muun muassa Bostonin yliopiston, Leicesterin yliopiston ja Imperial College Londonin kanssa.