Astronomen haben im Detail beobachtet, wie der Sommer auf den Ringen des Planeten Saturn in den Herbst übergeht.
Anhand von Saturnbeobachtungen, die das James Webb Space Telescope (JWST) im November 2022 machte, beobachtete ein Team unter der Leitung von Wissenschaftlern der University of Leicester einen Abkühlungstrend im Gasriesen, der durch planetengroße Luftströme verursacht wurde, die ihre Richtung wie bei Saturn umkehrten der Jahreszeitenwechsel.
„Noch nie zuvor war eine Raumsonde in der Nähe, um den Spätsommer und Nordherbst des Saturn zu erforschen, daher hoffen wir, dass dies nur ein Ausgangspunkt ist“, sagte Professor Leigh Fletcher von der School of Physics and Astronomy der University of Leicester. sagte in einer Erklärung. „Die Qualität der neuen Daten von JWST ist einfach atemberaubend: In einer kurzen Beobachtungsreihe konnten wir das Erbe der Cassini-Mission in einer völlig neuen Saturnsaison fortsetzen und beobachten, wie Wetter und atmosphärische Zirkulation auf den Klimawandel reagieren .
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Die Astronomen machten ihre Beobachtungen des Saturn mit dem Mid-Infrared Instrument (MIRI) des JWST, das es ihnen ermöglichte, die Atmosphäre des Planeten in Infrarotwellenlängen zu beobachten, die knapp außerhalb der Reichweite unserer Augen liegen. MIRI ermöglichte es dem Team, die Temperatur der Saturnatmosphäre zu messen und die Fingerabdrücke der darin enthaltenen Chemikalien zu sehen. Es maß deren Häufigkeit und beobachtete gleichzeitig die aufgewühlten Wolken, die an der Spitze der Saturnatmosphäre – der Stratosphäre – existieren.
Der Gasriese, der von der Sonne aus gesehen der sechste Planet ist und für seine auffälligen Eisringe bekannt ist, erlebt die Jahreszeiten genau wie die Erde, weil er wie unser Planet von der Sonne weg geneigt ist. Obwohl die axiale Neigung des Saturn von 26,7 Grad der unseres Planeten von 23,5 Grad ähnelt, bedeutet seine viel breitere Umlaufbahn, dass die Jahreszeiten auf dem Gasriesen viel länger sind als auf der Erde.
Saturn braucht 29,4 Erdenjahre, um die Sonne zu umkreisen, was zu Jahreszeiten führt, die etwa 7,5 Erdenjahre dauern. Diese neuen JWST-Beobachtungen geben Wissenschaftlern neue Einblicke in diese verlängerten Jahreszeiten und die Phänomene, die auftreten, wenn sie sich zu verändern beginnen. Die JWST-Beobachtungen ergänzen die Daten der NASA-Raumsonde Cassini-Huygens (Cassini), die den Gasriesenplaneten 13 Jahre lang während seiner Winter- und Frühlingssaison beobachtete.
Die neuen JWST-Beobachtungen wurden zu einer Animation zusammengestellt, die zeigt, wie sich das Aussehen des Gasriesen mit unterschiedlichen Lichtwellenlängen verändert, so wie der Übergang vom Sommer zum Herbst durch die Gelbfärbung der Blätter der Bäume hier auf der Erde beobachtet werden kann.
Auf den Bildern sind die thermischen Emissionen vom Nordpol des Planeten in leuchtendem Blau dargestellt, während die Farbe Gelb die hellen, heißen Teile der Saturnatmosphäre darstellt. Der Temperaturkontrast lässt sich an violetten Bereichen erkennen, die die kältesten und dunkelsten Teile der Planetenatmosphäre darstellen. Das berühmte gebänderte Erscheinungsbild des Gasriesenplaneten ist bei der Beobachtung von Lichtwellenlängen in der Troposphäre des Saturn, der untersten Schicht seiner Atmosphäre, deutlich sichtbar.
Die Animation zeigt auch Beobachtungen des sichtbaren Lichts, die vom Hubble-Weltraumteleskop im September 2022 gesammelt wurden. Diese werden im Hintergrund angezeigt, um einen Kontrast zu den JWST-Bildern zu bilden.
Die JWST-Daten zeigen auch einen 1.500 Kilometer breiten Polarzyklon (NPC) am Nordpol des Saturn. Dies ist von einer großen Region heißer Gase umgeben, die beobachtet wurden, als sie sich im Frühjahr auf der Nordhalbkugel des Saturns sammelten und als nordpolarer Stratosphärenwirbel (NPSV) bezeichnet werden.
Diese heißen Wirbel wirbeln in der oberen Stratosphäre des Gasriesenplaneten, wo sie während der Sommersaison des Saturn erhitzt wurden. Im Jahr 2025 wird der Planet die Herbst-Tagundnachtgleiche erleben, die Zeit, in der die Sonne direkt über dem Äquator des Planeten steht (die Erde hat im September ihre eigene Herbst-Tagundnachtgleiche). Wenn die Herbst-Tagundnachtgleiche näher rückt, beginnt sich der NPSV abzukühlen und zu verschwinden, während die nördliche Hemisphäre vollständig in den Herbst eintritt und sich verdunkelt.
Diese Wirbel in der Saturnatmosphäre wurden bereits von Cassini aus nächster Nähe beobachtet. Infrarotdaten aus JWST-Beobachtungen des Gasriesen zeigen jedoch andere Temperaturverteilungen in der Stratosphäre des Saturn im Vergleich zu denen, die von dieser Raumsonde gesammelt wurden, die 2017 mit dem Gasriesen zusammenstürzte. Tatsächlich führte Cassini seine Beobachtungen im nördlichen Winter und Frühling des Planeten durch .
Auch die Gasverteilung in der Saturnatmosphäre variierte zwischen JWST- und Cassini-Beobachtungen. Dies ist das Ergebnis der Luft, die von der Südhalbkugel aufsteigt und den Äquator des Saturn während seines nördlichen Winters und südlichen Sommers überquert, während die NASA-Raumsonde ihre Beobachtungen machte. Während des nördlichen Sommers und südlichen Winters, in denen JWST den Planeten beobachtete, kehrte sich dieser Prozess um und ermöglichte es dem leistungsstarken Weltraumteleskop, kohlenwasserstoffarme Gase zu beobachten, die vom Norden in den Süden des Saturn strömen.
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Saturn wurde vom JWST als erstes Ziel im Sonnensystem ausgewählt, um die Fähigkeiten des 10-Milliarden-Dollar-Teleskops zu testen, da der helle rotierende Planet eine Herausforderung für die kleinen Sichtfelder des MIRI-Instruments darstellt. MIRI kann aufgrund der Helligkeit des Planeten im Vergleich zu einigen seiner anderen Ziele, die oft Milliarden von Lichtjahren entfernt sind, jeweils nur einen kleinen Teil des Saturn beobachten.
Der schwierige Charakter dieser Untersuchung bedeutet, dass die Planung dieser Saturnbeobachtungen bereits etwa acht Jahre vor 2022 in Arbeit war. Trotz fast zehnjähriger Planung seien er und das Team von der Qualität der vom JWST bereitgestellten Daten erstaunt gewesen, sagte Fletcher , wobei der Professor der University of Leicester die Arbeit als Karrierehöhepunkt bezeichnete.
„JWST kann Wellenlängen des Lichts sehen, die für kein früheres Raumschiff zugänglich waren, und erzeugt so einen exquisiten Datensatz, der Appetit auf die kommenden Jahre macht“, sagte Fletcher. „Diese Arbeit am Saturn ist nur die erste in einem Programm zur Beobachtung der vier Riesenplaneten, und JWST bietet eine Fähigkeit, die alles übersteigt, was wir in der Vergangenheit hatten – wenn wir aus einer einzigen Beobachtung einer einzigartigen Welt so viele neue Entdeckungen machen können.“ , stellen Sie sich vor, welche Entdeckungen Sie erwarten?
Die Forschungsergebnisse des Teams werden im veröffentlicht Zeitschrift für geophysikalische Planetenforschung.