Saturnus

Jupiterin kaasukehä on tiedetty tuuliseksi paikaksi jo entuudestaan, mutta uusien mittausten perusteella tuiverrukset ulottuvat hyvin syvälle ja myrskyt kestävät paljon pidempään kuin maapallolla.

Scott Boltonin, Juno-luotaimen päätutkijan, mukaan kaikki tämä on vasta alkua. "Junolla on takanaan tutkimustensa päävaiheen ensimmäinen kolmannes ja nyt jo näemme merkkejä uudenlaisesta Jupiterista."

Junon mittausten mukaan Jupiterin gravitaatiokenttä on pohjois–eteläsuunnassa epäsymmetrinen samaan tapaan kuin pilvivöiden ja -vyöhykkeiden järjestelmä. Niiden synty on seurausta itä–länsisuuntaisista suihkuvirtauksista, jotka ulottuvat syvälle kaasukehään.

Mitä syvemmältä ne kumpuavat, sitä enemmän niiden kuljettamana liikkuu kaasua. Kun kyse on jättiläisplaneetasta, virtausten mittakaava näkyy jopa gravitaatiokentän voimakkuudessa. Tutkimalla siinä esiintyvää epäsymmetrisyyttä saadaan tietoa syvyydestä, jolle suihkuvirtaukset pystysuunnassa ulottuvat.

Jupiterin pilvivöiden  ja -vyöhykkeiden olemassaolo on tiedetty jo vuosisatojen ajan, mutta niiden tuntemus on ollut hyvin ylimalkaista. Käytännössä niiden olemuksesta on voitu tehdä päätelmiä ainoastaan kaasukehän yläosien pilvimuodostelmista.

"Junon gravitaatiomittausten ansiosta tiedämme nyt, kuinka syvälle suihkuvirtaukset ulottuvat ja millainen niiden rakenne on näkyvän pilviverhon alapuolella. Aivan kuin olisimme siirtyneet 2D-kuvista huipputarkkaan 3D:hen", havainnollistaa syvemmän kaasukehän sääilmiöitä koskevaa tutkimusta johtanut Yohai Kaspi.

Saadut tulokset olivat yllätys, mikä ei tarkkuuden parantuessa ja näkökulman vaihtuessa – Juno kiertää Jupiteria napojen kautta kulkevalla radalla – ole ollenkaan yllättävää. Jättiläisplaneetan kaasukehän kerros, jossa pinnalle asti ulottuvat sääilmiöt esiintyvät, on paljon massiivisempi kuin aiemmin arveltiin. Sillä on paksuutta peräti 3 000 kilometriä.

Cassini-lennon projektipäällikkö Earl Maize (vasemmalla) ja lennon operaatiojohtaja Julie Webster olivat itse konsoleiden ääressä Jet Propulsion Laboratoryssä heinäkuun 15. päivänä, kun luotaimelle lähetettiin viimeisen ratamuutoksen tekevä käskysarja.

Luotain ohjattiin radalle, jolla se tekee vielä kymmenen kierrosta Saturnuksen ympärillä, koko ajan tullen lähemmäksi sen pilvikerrosta. Viiden viimeisen kierroksen aikana luotain viiltää jo kaasukehän yläosien läpi niin, että ratanopeus hidastuu sen verran, että lopulta luotain sukeltaa Saturnukseen.

Tämä on tieteellisesti erittäin kiinnostava tapa sanoa jäähyväiset, sillä kierros kierrokselta saadaan yhä tarkempia ja jännempiä havaintoja niin kaasukehästä ja sen pilvistä kuin myös renkaista. 

Jos jotain yllättävää ilmenee, niin uusia ratamuutoksia voidaan vielä tehdä – mutta todennäköisesti tämä oli sitten tässä.

Aivan tuoreita, ennen näkemättömiä kuvia Saturnuksesta virtaa parhaillaan paitsi lennonjohtoon, niin myös Cassini-lennon sivuille osoitteessa saturn.jpl.nasa.gov/galleries/raw-images.

Kyseessä ovat käsittelemättömät raakakuvat, mutta ne antavat jo ennakkomakua siitä, mitä on tulossa: yksityiskohtia jättiläisplaneetan pilvistä ja kaasukehästä, sekä toivottavasti vielä huikeita maisemia sen renkaista katsottuna näkökulmasta, mistä Cassini ei ole ollut aiemmin niitä kuvaamassa.

Kuvat näyttävät mustavalkoisilta, ja niitä ne tarkaan ottaen ovatkin. Kuvat tosin on otettu erilaisten suotimien läpi. Kun näitä useilla valon eri aallonpituusalueilla otettuja kuvia yhdistetään, saadaan lopulta myös värikuvia – kaikki Cassinin ottamat upeat värikuvat on tehty näin. 

Kuvien lisäksi kiinnostavia ovat mittaustiedot, joista ei ole toistaiseksi kerrottu, sekä havainnot siitä, miten luotaimen rata on muuttunut ohilennon aikana renkaiden vetovoiman vuoksi.

Palaamme asiaan, kun tietoja sekä kuvia on tarjolla hieman lisää.

Alla on kuvista pikaisesti jo tehty animaatio, missä näkee hyvin luotaimen liikkeen:

Saturnusta jo 12 vuoden ajan tutkinut Cassini-luotain ohjataan törmäämään rengasplaneettaan 15. syyskuuta. 

Koska luotain on toiminut erittäin hyvin ja Saturnuksessa sekä sen kuissa riittää tutkittavaa, on Cassinin lentoa jatkettu useampaan kertaan, mutta tätä pitempää ei luotainlegendaa haluta enää pitää toiminnassa. Se kun saattaa rikkoontua koska tahansa, ja voisi hallitsemattomana törmätä vaikkapa Saturnuksen kuuhun Enceladukseen, missä ainakin teoriassa saattaisi olla elämää.

Luotaimella tehdään kuitenkin nyt 22 hyvin riskaabelia ohilentoa aivan Saturnuksen pilvikerroksen yläosia hipoen ennen syyskuun itsemurhasyöksyä Saturnukseen; vaikka luotain nyt hajoaisi, ei sillä ole enää suurta merkitystä. 

Tarkoituksena on saada kuvia ja kerätä mittaustietoja Saturnuksen kaasukehän koostumuksesta ja olemuksesta sekä lisätietoja sen renkaista.

Näistä lisätiedoista olennaisin on renkaiden massan määrittäminen nykyistä tarkemmin; mistä enemmän renkaissa on massa, sitä vanhempia niiden oletetaan olevan. Massan määritys onnistuu luotaimen lentorataa tarkasti tutkimalla, sillä renkaat vaikuttavat siihen massallaan ja siten selvät muutokset radassa viestivät siitä, että renkaat ovat vaikuttaneet luotaimeen.

Ensimmäinen näistä tapahtui tänään, mutta tietoa ohilennon onnistumisesta saadaan odottaa huomiseen saakka. 

Syynä odotukseen on se, että lennonjohto on kääntänyt Cassinin asentoon, missä sen suuri lautasantenni osoittaa Maan sijaan menosuuntaan. Näin se suojaa itse luotainta mahdollisesti eteen tulevia jäähitusia tai kivenkappaleita vastaan. 

Luotaimen nopeus ohilennon aikaan oli suurimmillaan yli 110 000 kilometriä tunnissa, joten pienikin törmäävä kappale voi saada aikaan suurta tuhoa. 

Kunhan Cassini on jälleen turvallisella alueella kauempana renkaista, kääntää se itsensä taas sopivaan asentoon, jotta se voisi olla jälleen yhteydessä Maahan. Jos kaikki on sujunut hyvin, kuullaan Cassinin signaali – ja varmistus siitä, että se on edelleen kunnossa – huomenna aamupäivällä klo 10.30 Suomen aikaa. Ensimmäinen lähetys kuvia ja tietoja alkaa saapua noin puolta tuntia myöhemmin.

Vielä muutama vuosi sitten Saturnuksen napapyörre näkyi selväpiirteisenä, sinertävänä ja täynnä yksityiskohtia. Nyt se haalistuu kovaa vauhtia. Tai oikeammin se peittyy kellertävään utuun.

Napaa kiertävä tiukka kuusikulmainen suihkuvirtaus ei ole häviämässä. Se pyörii yhä ja estää yhä kellertävän usvan leviämisen alueelle, silloin kun se tulee muualta kaasukehästä. Tutkijoiden oletus on, että utua on nyt vain alkanut kehittyä pyörteenkin yllä.

Saturnus tunnetaan leveistä ja näkyvistä renkaistaan. Niistä löytyy kirkkaita ja himmeitä alueita, sekä monia aukkoja. Eräs näistä on 42 kilometrin levyinen "Keelerin aukko".

Keelerin aukon keskellä kiertää pieni kuu, Daphnis. Se on tyypillinen paimenkuu, jonka pieni vetovoima riittää pitämään aukon avoinna. Kuu siirtää aukkoon eksyvän rengasmaterian oitis muualle.

Kuun painovoima saa renkaassa aikaan myös toisen mielenkiintoisen asian -- aaltoja. Jopa puolentoista kilometrin korkuiset näyttävät aallot syntyvät, koska Daphnis kiertää Saturnusta hieman eri tasossa kuin renkaat. Kuun pomppiessa ylös alas lähellä oleva ja normaalisti tasaisena pintana levittäytyvä renkaan materia kokee nykimistä, ja siksi nousee ja laskee asianmukaisesti. Aallot itse asiassa löydettiin ennen kuin Daphnis, ja juuri ne paljastivat kuun paikan!

Jet Propulsion Laboratoryssä työskentelevä planeettatutkija Kevin Gill on tehnyt aalloista hienoja visualisointeja. Miltä pikkukuun vanavedessä sitten näyttäisi? No vanavedeltä, tavallaan, sillä koostuvathan renkaat lähinnä H₂O-jäästä! (Vanavesi tosin viittaa nesteen liikkeeseen, joten ei analogia täydellinen ole...)

Uuden tutkimuksen mukaan Saturnuksen renkaiden lisäksi myös jättiläisplaneetan jäiset kuut ovat melko tuoreita tulokkaita – siis tähtitieteellisessä mielessä. Niillä on ikää ehkä vain sata miljoonaa vuotta. 

Saturnuksen renkaista on tehty havaintoja jo 1600-luvulta lähtien, mutta niiden iästä ei silti ole päästy vieläkään yksimielisyyteen. Yhden koulukunnan mukaan ne ovat syntyneet pian planeetan itsensä muotoutumisen jälkeen eli yli neljä miljardia vuotta sitten.

Toinen näkemys ajoittaa niiden synnyn paljon myöhäisempään ajankohtaan. Saturnuksen ja sen sisempien kuiden keskinäinen vetovoima ja sen aiheuttama vuorovesi-ilmiö saa kuut hitaasti loittonemaan planeetasta. Siitä on päätelty, että sekä kuiden että renkaiden on täytynyt syntyä melko äskettäin, jotta ne voisivat olla yhä kiertämässä Saturnusta.

Ulommat kuut, esimerkiksi suurin niistä eli Titan, ovat todennäköisesti yhtä vanhoja kuin Saturnus, mutta sisempien kiertolaisten ikä olisi tuoreen arvion mukaan vain noin sata miljoonaa vuotta. Silloin dinosaurukset olivat Maan valtiaita.

SETI-instituutin tutkijan Matija Cukin johtama ryhmä mallinsi tietokoneella Saturnuksen sisempien kuiden liikkeitä. Jättiläisplaneetan kuuperheen jäsenet ovat radoilla, jotka vuorovesivoimien ansiosta hiljalleen etääntyvät Saturnuksesta. Etääntymisen tahti kuitenkin vaihtelee kuusta toiseen, joten niiden vaikutukset toistensa ratoihin muuttuvat aikaa myöten.

Se puolestaan saa aikaan kuiden vaeltelun siten, että ne tulevat ajoittain hyvinkin lähelle toisiaan. Seuraukset voivat olla katastrofaaliset.

Kuiden iästä on tehty arvioita tutkimalla Saturnuksen vuorovesivoimien vaikutusta Enceladus-kuuhun. Sen pinnan alta purkautuu vesihöyryä, joten siellä arvellaan olevan nestemäistä vettä. Hyisissä olosuhteissa tarvittava lämpö tulee kuun muodonmuutoksista, joiden taustalla ovat juuri jättiläisplaneetan aiheuttamat vuorovesivoimat. 

Kun tunnetaan niiden voimakkuus ja toisaalta Enceladuksen radassa tapahtuneet muutokset Cukin kumppaneineen tekemän tietokonemallinnuksen perusteella, voidaan laskea, missä ajassa Enceladuksen rata on muuttunut todetulla tavalla. Vastaus on noin 100 miljoonaa vuotta. Tutkijoiden mukaan se kertoo sisempien kuiden syntyajankohdan. 

"Mikä sitten sai aikaan sisempien kuiden myöhäisen synnyn? Paras arvauksemme on, että Saturnuksella oli aiemmin jokseenkin samanlainen kuukatras, mutta niiden radoissa esiintyi voimakkaita häiriöitä, jotka saivat lähekkäisten kuiden radat risteämään ja kuut törmäämään toisiinsa. Hajonneiden kuiden kappaleista muotoutuivat sitten nykyiset kuut sekä Saturnuksen renkaat", arvioi Cuk.

Tutkimuksesta kerrottiin SETI-instituutin uutissivuilla ja se on julkaistu Astrophysical Journal -tiedelehdessä.

Kuva: NASA

Titanin kaasukehä on suurimmaksi osaksi typpeä, paine sen pinnalla on noin kaksinkertainen Maan ilmakehän paineeseen verrattuna, mutta pakkasta siellä on 180 astetta. 

Syväjäädytettyä muinaista Maata muistuttava kuu on jälleen paljastanut piirteitään. Tiheässä kaasukehässä leijailevat pilvet ja usva haittaavat pinnanmuotojen kuvaamista, mutta tutkalla päästään "näkemään" niiden läpi.

Titanin päiväntasaajalla sijaitsevan Mithrim Montes -vuoriston korkeimmat huiput on nyt saatu kartoitettua. Toinen kohoaa 2 807 metrin ja toinen peräti 3 337 metrin korkeuteen. 

"Se ei ole ainoastaan korkein huippu, jonka olemme tähän mennessä löytäneet Titanista, vaan arvelemme sen olevan korkein huippu, joka sieltä on ylipäätään löydettävissä", arvioi Stephen Hall Cassini-luotaimen tutkaryhmästä.

Titanin korkeimmat vuoret näyttävät keskittyvän nimenomaan päiväntasaajan tietämille. Mithrim Montes -vuoristossa on muita melkein yhtä korkeita huippuja, samoin maastonmuodoiltaan hyvin vaihtelevalla Xanadun alueella. Myös Euroopan avaruusjärjestön Huygens-luotaimen laskeutumispaikan lähistöllä on korkealle kurottavia vuoria. 

"Tavoitteemme on löytää korkeimpia ja syvimpiä kohtia osittain siksi, että se on kiinnostavaa. Titanin ääripaikat kertovat kuitenkin myös paljon tekijöistä, jotka ovat vaikuttaneet kuun kehitykseen", toteaa tutkimusta johtanut Jani Radebaugh.

Maan vuoret ja vuoristot sijoittuvat alueille, joilla geologiset voimat ovat nostaneet maankuorta ylöspäin. Toisaalta tuulten, sateiden ja virtaavan veden aiheuttama eroosio kuluttaa ja madaltaa aikaa myöten kohonneita alueita.  

Cassini-luotaimen havaintojen mukaan myös Titanissa on sateita, jotka kuluttavat sen pinnanmuotoja. Alhaisen lämpötilan seurauksena eroosio on siellä kuitenkin paljon hitaampaa kuin Maassa, 

Titanin jäisen kuoren alla on todennäköisesti nestemäisen veden muodostama syvä valtameri, joka vastaa Maan vaipan sulaa yläosaa. Sen virtaukset vaikuttavat kuoren rakenteeseen ja pinnanmuotoihin. Titanin jäästä koostuva "peruskallio" on meikäläistä vastinettaan pehmeämpi, joten kuun pinnalla ei voi olla yhtä korkeita vuoria kuin Maassa.

Titanista löytyneet vuoret ja vuoristot kuitenkin osoittavat, että siellä on käynnissä tektonisia prosesseja, jotka muokkaavat sen pintaa. Toistaiseksi tutkijoilla ei ole selvää käsitystä, mikä ne saa aikaan: Titanin pyörimisliike, Saturnuksen aiheuttamat vuorovesivoimat vai kuun pinnan jäähtyminen.

Titanin vuortenhuipuista kerrottiin JPL:n (Jet Propulsion Laboratory) uutissivuilla.

Kuva: NASA/JPL-Caltech/ASI