Uma nova análise de dados da espaçonave Cassini daNASA encontra um nexo causal entre os misteriosos sinais periódicos de explosões magnéticas em no campo magnético de Saturno e explosões de gás ionizado, conhecido como plasma, em torno do planeta.
Eles descobriram que enormes nuvens de plasma periodicamente se formam ao redor de Saturno e se movem em torno dele, como uma centrífuga de máquina de lavar desbalanceada. O movimento desse plasma quente produz uma repetitiva assinatura "baque" nas medições do ambiente rotacional de Saturno e ajuda a mostrar por que cientistas têm tido tal dificuldade em medir o comprimento ou a duração de um dia Saturno.
"Esse é um avanço que pode nos apontar a real origem das misteriosas variações nas periodicidades das que obscurecem o período de rotaçãode Saturno," disse Pontus Brandt, principal autor do artigo em cientista da equipe da Cassini no Laboratório de Física Aplicada da Universidade Johns Hopkins em Laurel, Maryland. "A grande questão agora é por que essas explosões ocorrem periodicamete."
Os dados mostram como injeções de plasma, correntes elétricas e o campo magnético de Saturno - Fnômenos invisíveis ao olho humano - são parceiros nessa intrincada coreografia. Explosões periódicas de plasma formam ilhas de pressão que giram ao redor de Saturno. As ilhas de pressão "inflam" o campo magnético.
A visualização mostracomo invisível plasma na magnetosfera de Saturno – a bolha magnética em torno do planeta - explode e distorce as linhas magnéticas em resposta à pressão. A magnetosfera de Saturno não é uma bolha perfeita poque é soprada de volta pela força do vento solar, que contém partículas carregadas fluindo do Sol.
A força do vento solar estica o campo magnético do lado de Saturno de costas para o Sol, em uma chamada magnetotail (magnetocauda). O colapso da magnetocauda parece dar início a um processo que faz o plasma quente explodir, o que por sua vez infla o campo magnético na magnetosfera interior.
Cientistas aindal investigam o que faz a magnetoucada de Saurno entrar em colapso, mas existem fortes indicações que plasma frio e denso originário da lua de Saturno Encelado gira com Saturn. Forças Centrífugas esticam o campo magnético até que parte da cauda é projetada de volta.
O plasma quente que retorna em torno de Saturno e o plasma aquecido ficam presos no campo magnético. Ele gira ao redor do planeta em ilhas à velocidade de uns 100 quilômetros por segundo. Da mesma maneira que sistemas de alta e baixa pressão causam os ventos na Terra, as altas pressões no espaço causam correntes elétricas. Currentes causem distorções nos campos magnéticos.
Um sinal de rádio conhecido como Saturn Kilometric Radiation (Radiação Quilométrica de Saturno), que cientistas usaram para estimar a duração do dia em Saturno, está intimamente ligado ao comportamento do campo magnético do planeta.
Como Saturno não tem superfície ou ponto fixo para se cronometrar sua taxa de rotação, cientistas inferiram ser a taxa de rotação o meio de medir o tempo dos picos desse tipo de emissão de rádio, que costumam surgir em cada ponto de rotação de um planeta.
Este método funcionou em Júpiter, mas os sinais de Saturno variaram. Medições do início dos anos 1980 feitas pela nave espacial Voyager, da Nasa, com dados obtidos em 2000 pela Missão Ulisses da ESA/NASA, e dados da Cassini de cerca de2003 até o presente diferem por um pequeno, mas significativo grau. Como resultado, cientistas ainda não têm certeza da duração de um dia em Saturno.
"O que importa sobre esse novo trabalho é que cientistsa estão começando a descrever a causa global, relações causais entre algumas dessas, forças invisiíveis que moldam o meio ambiente de Saturno," diz Marcia Burton, cintistas de campos e partículas da Cassini no Laboratório de Propulsão a jato da NASA, em Pasadena, Califórnia "Os novos resultados ainda não nos dão a duração de um dia em Saturno, mas nos dão importantes pistas para começar a imaginá-la.
A duração de um dia em Saturno, ou a sua taxa de rotação, é importante para determinar propriedades fundamentais de Saturno, como a estrutura de seu interior e a velocidade de seus ventos."
O Plasma é invisível ao olho humano. Mas os íons e a câmera neutra da magnetosfera da câmera no instrumento de imageamento da magnetosfera da Cassini proporciona uma visão tridimensional detectandong energetic nátomos nêutros emitidos pelas nuvens de plasma emvolta deSaturno.
Átomos energticamente neutros se formam quando, gás neutro colides com partículas eletrcamente carregadas numa nuvem de plasma. As partículas resultantes têm carga neutra, logo, pode escapar do campo magnético e voar pelo espaço. A emissão dessas partículas geralmente ocorre nos campos magnéticos que envolvem os planetas.
Ao juntar imagens obtidas a cada meia hora, cientistas produziram filmes do plasma Pa deriva ao redor do planeta. Cientistas usaram essas imagen para reconstituir a pressão 3-D produzida pelas nuvens de plasma, e suplementaram aqueles resultados com pressões de plasma derivadas do espectômetro de plasma da Cassini.
Quado cientistas entenderam a pressão e sua evolução, elas puderam calcular as perturbações no campo magnético associadas a imagens durante o voo da Cassini por aquele caminho.
Eles calcularam que as perturbações no campo combinavam com as imagens do campo magnético observadas nos "baques" perfeitamente, confirmando a fonte das oscilações nos campos.
"Todos sabemos que alterações nos períodos de rotação foram observadas em pulsars, a milhões de anos-luz de nosso Sistema Solar, e agora encontramos um fenômenos semelhantes observadosa bem aqui em Saturno," disse Tom Krimigis, principal pesquisdor do instrumento de imageamento da magnetosfera, também localizado no Laboratório do Instituto de Física Aplicada e a Academia de Atenas, Grécia.
"Com instrumentos bem no local certo onde estiver ocorrendo, nós podemos dizer que o plasma flui e complexos sistemas de correntes podem mascarar o real período de rotação do objeto central.
Eis como observações de nosso Sistema Solar nos auxiliam a entender o que é visto em distantes objetos astrofísicos."
A new analysis based on data from NASA's Cassini spacecraft finds a causal link between mysterious, periodic signals from Saturn's magnetic field and explosions of hot ionized gas, known as plasma, around the planet.
Scientists have found that enormous clouds of plasma periodically bloom around Saturn and move around the planet like an unbalanced load of laundry on spin cycle. The movement of this hot plasma produces a repeating signature "thump" in measurements of Saturn's rotating magnetic environment and helps to illustrate why scientists have had such a difficult time measuring the length of a day on Saturn.
"This is a breakthrough that may point us to the origin of the mysteriously changing periodicities that cloud the true rotation period of Saturn," said Pontus Brandt, the lead author on the paper and a Cassini team scientist based at the Johns Hopkins University Applied Physics Laboratory in Laurel, Maryland. "The big question now is why these explosions occur periodically."
The data show how plasma injections, electrical currents and Saturn's magnetic field - phenomena that are invisible to the human eye - are partners in an intricate choreography. Periodic plasma explosions form islands of pressure that rotate around Saturn. The islands of pressure "inflate" the magnetic field.
The visualization shows how invisible hot plasma in Saturn's magnetosphere – the magnetic bubble around the planet - explodes and distorts magnetic field lines in response to the pressure. Saturn's magnetosphere is not a perfect bubble because it is blown back by the force of the solar wind, which contains charged particles streaming off the sun.
The force of the solar wind stretches the magnetic field of the side of Saturn facing away from the sun into a so-called magnetotail. The collapse of the magnetotail appears to kick off a process that causes the hot plasma bursts, which in turn inflate the magnetic field in the inner magnetosphere.
Scientists are still investigating what causes Saturn's magnetotail to collapse, but there are strong indications that cold, dense plasma originally from Saturn's moon Enceladus rotates with Saturn. Centrifugal forces stretch the magnetic field until part of the tail snaps back.
The snapping back heats plasma around Saturn and the heated plasma becomes trapped in the magnetic field. It rotates around the planet in islands at the speed of about 100 kilometers per second (200,000 mph). In the same way that high and low pressure systems on Earth cause winds, the high pressures of space cause electrical currents. Currents cause magnetic field distortions.
A radio signal known as Saturn Kilometric Radiation, which scientists have used to estimate the length of a day on Saturn, is intimately linked to the behavior of Saturn's magnetic field. Because Saturn has no surface or fixed point to clock its rotation rate, scientists inferred the rotation rate from timing the peaks in this type of radio emission, which is assumed to surge with each rotation of a planet. This method has worked for Jupiter, but the Saturn signals have varied. Measurements from the early 1980s taken by NASA's Voyager spacecraft, data obtained in 2000 by the ESA/NASA Ulysses mission, and Cassini data from about 2003 to the present differ by a small, but significant degree. As a result, scientists are not sure how long a Saturn day is.
"What's important about this new work is that scientists are beginning to describe the global, causal relationships between some of the complex, invisible forces that shape the Saturn environment," said Marcia Burton, the Cassini fields and particles investigation scientist at NASA's Jet Propulsion Laboratory, Pasadena, Calif. "The new results still don't give us the length of a Saturn day, but they do give us important clues to begin figuring it out. The Saturn day length, or Saturn's rotation rate, is important for determining fundamental properties of Saturn, like the structure of its interior and the speed of its winds."
Plasma is invisible to the human eye. But the ion and neutral camera on Cassini's magnetospheric imaging instrument provides a three-dimensional view by detecting energetic neutral atoms emitted from the plasma clouds around Saturn. Energetic neutral atoms form when cold, neutral gas collides with electrically-charged particles in a cloud of plasma. The resulting particles are neutrally charged, so they are able to escape magnetic fields and zoom off into space. The emission of these particles often occurs in the magnetic fields surrounding planets.
By stringing together images obtained every half hour, scientists produced movies of plasma as it drifted around the planet. Scientists used these images to reconstruct the 3-D pressure produced by the plasma clouds, and supplemented those results with plasma pressures derived from the Cassini plasma spectrometer. Once scientists understood the pressure and its evolution, they could calculate the associated magnetic field perturbations along the Cassini flight path. The calculated field perturbation matched the observed magnetic field "thumps" perfectly, confirming the source of the field oscillations.
"We all know that changing rotation periods have been observed at pulsars, millions of light years from our solar system, and now we find that a similar phenomenon is observed right here at Saturn," said Tom Krimigis, principal investigator of the magnetospheric imaging instrument, also based at the Applied Physics Laboratory and the Academy of Athens, Greece. "With instruments right at the spot where it's happening, we can tell that plasma flows and complex current systems can mask the real rotation period of the central body. That's how observations in our solar system help us understand what is seen in distant astrophysical objects."
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