Свежие данные американского космического аппарата «Кассини» показывают, что гейзеры спутника Сатурна Энцелада — своего рода специальная лаборатория для наблюдения за необычным поведением плазмы (горячего ионизированного газа).

Некоторые учёные считают, что «Кассини» имел дело с «пылевой плазмой» — состоянием, теоретически возможным, но ещё не виданным в окрестностях Энцелада.

Данные инструментов КА также говорят о том, что обычные «тяжёлые» и «лёгкие» разновидности заряженных частиц нормальной плазмы меняются местами близ струй, вырывающихся с южного полюса луны. Полученные результаты обсуждаются в двух статьях, вышедших в Journal of Geophysical Research Space Physics.

99% материи во Вселенной, как полагают, находится в виде плазмы, поэтому миссия «Кассини» используется в том числе для непосредственного наблюдения за поведением облаков ионов и электронов. Учёных интересует в том числе, каким образом Солнце даёт энергию плазменной среде Сатурна и как это отражается на погодных условиях планеты и силовых линиях магнитного поля. Всё это помогает понять, чем плазменная среда Сатурна схожа и отлична от Земли и других планет.

Небольшой, покрытый льдом Энцелад является основным источником ионизированного материала, наполняющего огромный магнитный пузырь вокруг Сатурна. Около 100 кг паров воды в секунду (приблизительный эквивалент одной активной кометы) — вот сколько выходит из длинных трещин в южной полярной области (так называемых тигровых полос). Выброшенное вещество образует шлейф, состоящий из ледяных частиц и нейтрального газа, в основном водяного пара. Шлейф преобразуется в заряженные частицы при взаимодействии с плазмой, заполняющей магнитосферу Сатурна.

Природа этой уникальной газо-пыле-плазменной смеси была выявлена в ходе миссии «Кассини» с помощью нескольких инструментов, в том числе плазма-спектрометра, магнитометра, инструмента визуализации магнитосферы, а также приборов для регистрации радио- и плазменных волн. Самое интересное открытие: частицы варьируются в размерах от небольших скоплений воды (несколько молекул) до 100 мкм. Основная их часть захватывает электроны в ловушку на своей поверхности. До 90% электронов шлейфа, похоже, «застревает» на больших, тяжёлых частицах.

«Кассини» наблюдал, как в этих условиях положительно заряженные ионы становятся маленькими, «лёгкими» разновидностями плазмы, а отрицательно заряженные частицы превращаются в её «тяжёлые» компоненты. Этот процесс прямо противоположен «нормальной» плазме, в которой отрицательные электроны в тысячи раз легче, чем положительные ионы.

В одной из статей группа шведских и американских учёных рассматривает данные инструмента по наблюдению радио- и плазменных волн, полученные в ходе четырёх облётов Энцелада в 2008 году. Исследователи обнаружили высокую плотность плазмы (как ионов, так и электронов) в пределах шлейфа Энцелада (впрочем, плотность электронов, как правило, значительно ниже, чем ионов в шлейфе и кольце E). Группа пришла к выводу, что частицы пыли размером от 1 нм до 1 мкм «сметают» отрицательно заряженные электроны. Масса наночастиц колеблется от нескольких сотен до нескольких десятков тысяч атомных единиц массы (масс протона), то есть они должны содержать десятки тысяч молекул воды, связанных друг с другом. По меньшей мере половина из отрицательно заряженных электронов крепится к этой пыли, и их взаимодействие с положительно заряженными частицами приводит к торможению ионов. Поскольку пыль заряжена и ведёт себя как часть плазменного облака, авторы считают это состояние вещества отличным от пыли, которая просто попадает в плазму.

«Столь сильная связь указывает на возможное состояние так называемой пылевой плазмы, а не пыли в плазме, которое широко встречается в межпланетном пространстве, — говорит ведущий автор исследования Митико Мороока из шведского Института космической физики. — Пылевая плазма доселе наблюдалась непосредственно только в верхних слоях атмосферы Земли».

Условия в пылевой плазме потворствуют участию пыли в общем поведении плазмы. Это увеличивает её сложность, меняет свойства и приводит к совершенно новому поведению. Считается, что пылевая плазма существует в хвостах комет и пылевых кольцах вокруг Солнца, но учёным нечасто выпадает возможность пролететь через пылевую плазму и напрямую измерить её характеристики.

Другой анализ, основанный на данных, полученных плазменным спектрометром «Кассини», показал наличие наночастиц с электрическим зарядом, соответствующим заряду одного избыточного электрона. «Плазменный спектрометр корабля позволил нам обнаружить и проанализировать новые классы заряженных частиц, о существовании которых никто не подозревал в те годы, когда разрабатывался этот инструмент», — отмечает ведущий автор исследования Том Хилл из Университета Райса (США).

Характеристики шлейфа Энцелада удалось выявить благодаря синергетическому эффекту инструментов «Кассини», работающему на орбите Сатурна с 2004 года. После первоначального обнаружения шлейфа путём магнитометрических измерений Свен Симон из Кёльнского университета и Хендрик Кригель из Брауншвейгского университета (оба — ФРГ) показали, что наблюдаемые возмущения магнитного поля Сатурна требуют наличия отрицательно заряженных пылевых частиц в шлейфе. Эти результаты были опубликованы в апреле и октябре 2011 года в Journal of Geophysical Research Space Physics. Предыдущие данные, полученные ионным и нейтральным масс-спектрометром, показали сложный состав газа в шлейфе, а анализатор космической пыли обнаружил, что частицы шлейфа богаты солями натрия. Подобная ситуация может возникнуть только в том случае, если шлейф возникает из жидкой воды. Следовательно, можно говорить об убедительных доказательствах существования подповерхностного океана на Энцеладе.

Подготовлено по материалам Лаборатории реактивного движения НАСА.