Saturnus ringar i fokus i doktorsavhandling i rymdfysik

Större delen av det observerbara universum består av plasma, det vill säga fria elektroner och joner. Vår sol består av plasma som i små mängder, jämfört med solens massa, hela tiden strömmar ut i och fyller upp vårt solsystem. Denna ström av partiklar kallas solvinden. När solvinden stöter på en planets magnetfält så böjs partikelns bana av och ett särskilt område i rymden runt planeten skapas, detta område kallas planetens magnetosfär.

Resultaten i avhandlingen baseras på data från Cassinisatelliten, som är i omloppsbana runt Saturnus sedan 2004. I huvudsak har forskarna använt sig av data från Cassinis Langmuirprob, som gör in situ mätningar av de laddade partiklar, det vill säga plasmat, som befinner sig runt Saturnus. Med Langmuirproben mäts plasmats densitet, hastighet och temperatur.

En av Cassinis viktigaste upptäckter är att Saturnus måne Enceladus har stora sprickor i sitt isskal varifrån vattenånga konstant sprutar ut från det hav som döljer sig under isytan. Dessa vattenplymer är också vad som anses vara den största källan till det material av vattenmolekyler och isstoft som finns i den inre delen av Saturnus magnetosfär. När vattenmolekyler joniseras av elektronkollisioner eller av solens strålning så skapas plasma.

Mika Holmberg och hennes kollegor har använt fem års Cassinimätningar för att visa plasmadiskens utbredning. När de begränsat sin studie till densitetsmätningar i ekvatorialplanet så visar det ett densitetsmaximum vid Enceladus bana, som motsvarar genomflygningar av Enceladusplymen. Dessa mätningar visar densiteter på 100 000 joner per kubikcentimeter. Utanför plymen är densiteterna mycket lägre, i stort sett aldrig över 150 joner per kubikcentimeter. En viktig upptäckt är att densiteterna varierar mycket mer än vad som var förväntat. Detta beror på att plasmadisken är väldigt dynamisk. Studien visar att Saturnus inre plasmadisk har en stark dag/natt-asymmetri. Jonhastigheterna i området fyra till sex Saturnusradier varierar med 5–12 km/s, för ett valt radiellt avstånd, mellan dagsidan av Saturnus och nattsidan. Hastigheterna är högre på nattsidan. Detta ger upphov till att partiklarna som kretsar runt Saturnus får banor som är skiftade i riktning mot solen. Det visar sig också i de uppmätta densiteterna som är högre på nattsidan än på dagsidan. Densiteterna i området fyra till sex Saturnusradier är nästan dubbelt så stora på nattsidan.

– Vi föreslår att det kan bero på en interaktion mellan laddat stoft och joner i plasmadisken. Stoftkornen, som är mycket större än jonerna, påverkas mer av strålningstrycket från solen. Strålningstrycket i samverkan med Saturnus magnetfält ger upphov till en extra jondrift som kan vara den vi uppmäter, säger Mika Holmberg.

Avhandlingens studier undersöker också de kemiska reaktioner som pågår i plasmadisken. Forskarna har beräknat hur många joner per sekund som försvinner på grund av rekombination och jämfört det med hur mycket som försvinner på grund av det radiella utflödet. Undersökningen visar att förlusten på grund av transport dominerar förlusten på grund av rekombination i hela plasmadisken. Studierna visar också att kemisk förlust ändå kan vara viktigt för plasmadiskens struktur i Enceladus närområde, där skillnaden i förlusterna bara är omkring en faktor två. Resultaten bekräftar även mätningar som visar att den inre delen av plasmadisken varierar med tiden.

Läs mer om avhandlingen A study of the structure and dynamics of Saturn's inner plasma disk och ladda ner den i fulltext.

Linda Koffmar