Satúrnus

Satúrnus (e. Saturn) er næst stærsta reikistjarna sólkerfisins á eftir Júpíter og sú sjötta í röðinni frá sólu. Satúrnus er gasrisi líkt og Júpíter, Úranus og Neptúnus og hefur því ekkert fast yfirborð. Satúrnus hefur áberandi hringakerfi sem er glæsilegt að sjá í gegnum litla stjörnusjónauka. Satúrnus er einnig sú reikistjarna sem skartar flestum tunglum. Í september 2023 eru þekkt 145 fylgitungl um Satúrnus.

Goðsagnir

Satúrnus er nefndur eftir guði landbúnaðar og uppskeru í rómverskri goðafræði. Grísk hliðstæða hans er títaninn Krónos sem var sonur Úranusar og Gæju. Krónos hafði frétt að eitt barna sinna myndi steypa honum af stóli og til að koma í veg fyrir það át hann öll börnin sín um leið og þau komu í heiminn.

Þegar Rhea kona hans var um það bil að eiga yngsta son þeirra Seif, lagði hún á ráðinn um að koma honum í öruggt skjól frá föður sínum með aðstoð Gæju, en þær vildu að Krónos fengi að kenna á voðaverkum sínum. Þegar Rhea loks ól Seif á eynni Krít rétti hún manni sínum stein sem vafinn var í föt sem hann taldi hvítvoðunginn sem hann svo gleypti. Þannig tókst Rheu að koma Seifi í öruggt skjól hjá ömmu sinni sem ól hann upp. Þegar Seifur var kominn á fullorðinsár neyddi hann föður sinn til að kasta upp systkinum sínum og steypti föður sínum af stóli, eins og véfréttin hafði spáð fyrir um.

Tákn Satúrnusar og Krónosar er ljár sem hann notaði til að taka uppskeru en einnig vopnið sem hann notaði til að gelda föður sinn Úranus, en hann fleygði svo kynfærum hans í hafið svo úr varð Afródíta.

Rómverjar héldu uppskeru- eða svallhátíðina Saturnalia hinn 17. desember ár hvert. Hátíðin stóð yfir til 23. desember og skiptist fólk á gjöfum, drakk vín og borðaði hátíðlegan mat þar sem húsbóndar þjónuðu þrælum sínum. Saturnalia-hátíðin er undanfari jóla kristinna. 

Á ýmsum tungumálum er laugardagur kenndur við Satúrnus, samanber Saturday á ensku. Á Indversku kallast laugardagur Shanivar og er þá vísað til Sani, hliðstæðu Satúrnusar í goðafræði Hindúa en hann var sonur sólguðsins Surya og dæmdi alla menn. Kínverjar og Japanir til forna kölluðu Satúrnus jarðstjörnuna og var það byggt á einu af frumefnunum fimm.

Eðliseinkenni

Stjörnufræðingar hafa lengi þekkt stærðir gasrisanna í sólkerfinu. Með því að þekkja vegalengdina til Satúrnusar og hornstærð reikistjörnunnar á himninum, er hægt að nota smáhornsformúluna til að reikna út að Satúrnus er rétt rúmlega níu sinnum stærri en jörðin að þvermáli eða um 120.536 km í þvermál.

Þegar stærðin er þekkt er auðvelt að reikna út rúmmálið. Satúrnus er þá 764 sinnum stærri en Jörðin að rúmmáli.

Með því að fylgjast með umferðartíma tunglsins Títan umhverfis Satúrnus gátu stjörnufræðingar notað þriðja lögmál Keplers til að reikna út að Satúrnus er 95 sinnnum massameiri en jörðina.

Þegar við þekkjum massann og rúmmálið er auðvelt að reikna út eðlismassann. Í ljós kom að eðlismassi Satúrnusar er aðeins tæplega 0,7 g/cm³ sem þýðir að hann gæti flotið á vatni.

Stærðir allra hnattlaga fyrirbæra í sólkerfinu. Satúrnus er næst stærsta reikistjarna sólkerfisins á eftir Júpíter. Mynd: © Emily Lakdawalla, The Planetary Society. Image data courtesy NASA/JPL og JHUAPL/CIW. Myndvinnsla Björn Jónsson; Mattias Malmer; Ted Stryk; Gordan Ugarkovic. Útstirnin: A. Feild (STSCI)

Braut og snúningur

Satúrnus gengur um sólina í að meðaltali 1,4 milljarða km (9 SE) fjarlægð. Meðalbrautarhraði Satúrnusar um sólu er 9,69 km/s sem þýðir að hann lýkur einni hringferð á 10.759 jarðdögum eða 29,5 árum.

Satúrnus hefur ekkert fast yfirborð svo það getur reynst þrautin þyngri að mæla snúningshraða hans eða lengd dagsins. Sýnileg kennileiti á Satúrnusi snúast nefnilega mishratt eftir því á hvaða breiddargráðu þau eru (vegna þess að Satúrnus er úr gasi). Nákvæmustu mælingarnar hafa fengist með gervitunglum sem hafa heimsótt Satúrnus. Við miðbaug er snúningshraðinn (einn dagur eða sólarhringur) 10 klukkustundir og 14 mínútur. Á hærri breiddargráðum, nærri pólsvæðunum, er snúningshraðinn hins vegar um 10 klukkustundir og 39 mínútur. Meðalsnúningstíminn er nú talinn vera 10 klst, 32 mín og 35 sek byggt á gögnum frá Pioneer 11, Voyagerflaugunum og Cassini geimfarinu.

Þessi mismunandi snúningshraði, auk lágs eðlismassa og vökvaeðli hans, veldur því að Satúrnus er óvenju pólflöt reikistjarna. Það þýðir að Satúrnus er nokkuð langt frá því að vera hnattlaga en er flatur við pólanna og feitur við miðbauginn. Satúrnus er í raun sporöskjulaga því hann er 10% feitari við miðbaug en pólana. Radíus reikistjörnunnar við miðbaug er 60.268 km en pólana 54.364 km. Þetta sést vel í gegnum litla stjörnusjónauka.

Satúrnus er pólflatasta reikistjarna sólkerfisins vegna þess að hún er gasreikistjarna með lágan eðlismassa og snýst mishratt. Mynd: James O'Donghue/NASA/Stjörnufræðivefurinn

Sama er uppi á teningnum í yfirborðslögum sólarinnar og má líkja þessum missnúningi við það þegar hrært er í potti eða bolla. Þá eru vökvinn nær miðju fljótari að fara eina hringferð en vökvinn sem er nær börmunum. Þessi hegðun gasrisanna sýnir okkur að innviðir hnattanna eru úr gasi eða vökva.

Árstíðir

Brautarhalli Satúrnusar er 2,48 gráður miðað við sólbauginn og miðskekkja brautarinnar er 0,056. Það þýðir að fjarlægðin milli Satúrnusar og sólar sveiflast um 155 milljón km þegar reikistjarnan er í sólnánd og sólfirrð, eða sem nemur rúmlega meðalfjarlægðinni milli Jarðar og sólar.

Satúrnus hallar um 27 gráður miðað við braut sína um sólu, líkt og jörðin hallar 23 gráður. Þegar Satúrnus ferðast í kringum sólu vísa norður- og suðurhvel reikistjörnunnar til skiptis að sólinni. Þessi breyting veldur árstíðaskiptum á Satúrnusi, rétt eins og á jörðinni. Hver árstíð stendur yfir í sjö ár vegna þess að eitt Satúrnusarár er tæp jarðarár 30 ár lengd.

Jafndægur á Satúrnusi verða á tæplega fimmtán ára fresti. Þá eru hringarnir eru á rönd miðað við sólina. Við jafndægur árið 2009 var Cassini geimfarið þá á sporbraut um Satúrnus og gat gert athuganir í návigi.

Ýmsar breytingar verða á Satúrnusi samhliða árstíðaskiptum. Komið hefur í ljós að spælar í hringunum hverfa í kringum sumar- og vetrarsólstöður á Satúrnusi en verða æ meira áberandi í kringum jafndægur. Á vorin á norðurhvelinu birtast líka stormar.

Hubblessjónaukinn tók þessa myndaröð af Satúrnusi milli áranna 1996 og 2000. Neðst er fyrsta myndin í röðinni, sem var tekin fljótlega eftir haustjafndægur á norðurhveli Satúrnusar. Á síðustu myndinni, þeirri efstu, er hallinn að nálgast hámarkið og en þá eru vetrarsólstöður á norðurhvelinu.

Árstíðabreytingar á Satúrnusi. Mynd: NASA/ESA-Hubble/STScI

Efnasamsetning

Upplýsingum um efnasamsetningu gasrisanna hefur að mestu verið aflað af gervitunglum. Áður en lagt var upp í Voyager leiðangrana töldu stjörnufræðingar að hlutföll frumefna í Júpíter og Satúrnusi væri svipuð og í sólinni og í upprunalegu þokunni sem sólkerfið varð til úr. Fljótlega eftir tilkomu litrófsmæla áttuðu menn sig á því að sú var raunin. Reyndust reikistjörnurnar að mestu úr vetni og helíum, tveimur algengustu frumefnum alheimsins sem einnig var mest af í þokunni sem myndaði sólkerfið. Satúrnus er 96,3% vetni og 3,3% úr helíum, en aðeins 0,4% metani og 0,01% ammóníak.

Innviðir

Frekar lítið er vitað um innri byggingu Satúrnusar en talið er að innviðirnir líkist innviðum Júpíters að miklu leyti, með mikilvægum undantekningum þó. Talið er að innst sé kjarni úr bergi, 9-22 sinnum massameiri en Jörðin. Kjarninn er stór og líklega um það bil 60% af radíus reikistjörnunnar.

Yfir kjarnanum er líklega að finna lag úr vetni en við þrýstinginn og hitastigið þetta djúpt í innviðum Satúrnusar tekur vetnið á sig málmkennda mynd. Þetta lag er líklega talsvert þynnra en í Júpíter.

Fyrir ofan þetta möttulslag er sennilega annað lag úr hefðbundnu sameindavetni (H₂) og helíumi á fljótandi formi, mögulega þykkara en í Júpíter. Lofthjúpurinn tekur loks við þegar 1000 km eru eftir.

Innviðir gas- og ísrisa sólkerfisins.

Orkuútgeislun

Innviðir Satúrnusar eru mjög heitir; kjarninn er líklega tæplega 12.000°C heitur. Bæði Júpíter og Satúrnus geisla frá sér meiri orku út í geiminn en þeir fá frá sólinni. Það þýðir að báðar reikistjörnurnar búa yfir eigin orkuupsprettu. Mikill varmi er innan í Júpíter og er hann til vitnis um árekstra ótal hnatta þegar reikistjarnan myndaðist fyrir 4,5 milljörðum ára. Á þeim tíma sem liðinn er frá þeim hamförum hefur Júpíter smám saman kólnað og dregist saman (minnkað) og þessi orka losnað út í formi innrauðrar geislunar.

Satúrnus geislar frá sér þrefalt meiri orku en hann fær frá sólinni, en Júpíter tvöfalt meiri. Þar sem Satúrnus er smærri en Júpíter ætti hann að hafa geislað frá sér varma hraðar en stóri bróðir. Einnig ætti Satúrnus að hafa búið yfir minni varma en Júpíter í upphafi. En hvers vegna geislar Satúrnus svona mikilli orku frá sér?

Helíumregn

Eins og áður sagði töldu stjörnufræðingar að Júpíter og Satúrnus innihéldu álíka mikið vetni og helíum eins og upprunalega þokan sem sólkerfið varð til úr. Báðar reikistjörnurnar eru nógu massamiklar og kaldar til að hafa viðhaldið öllu gasinu úr upprunalegu þokunni.

Niðurstöður Voyager og Galíleó leiðangranna sýna að Júpíter hefur mjög áþekka efnasamsetningu og sólin. Sé miðað við massa er hann 80% vetni, 19% helíum og 1% önnur þyngri efni.

Þegar rannsóknir hófust fyrir alvöru á Satúrnus í Voyagerleiðangrunum kom fram tilgáta sem útskyrir bæði varmaútgeislunina og lágan styrk helíums í Satúrnusi. Samkvæmt henni kólnaði Satúrnus hraðar en Júpíter og hratt af stað ferli sem svipar til myndun rigningar hér á jörðinni. Í lofthjúpi jarðar þéttist raki í regndropa þegar loftið er nógu svalt og fellur til jarðar. Í Satúrnusi eru það hins vegar helíumregndropar sem falla hægt og rólega niður í átt að kjarnanum. Þegar helíum rignir í Satúrnusi umbreytist stöðuorka þeirra í varmaorku sem að lokum geislar út frá Satúrnusi.

Óvenju lítið er af helíum í efri hluta lofthjúpsins af þessari ástæðu. Helíumregnið er talið hafa hafist fyrir um tveimur milljörðum ára og orkan sem hefur losnað er í samræmi við þann umframvarma sem Satúrnus hefur geislað frá sér á þeim tíma.

Innviðir Satúrnusar gætu haft þykkt óuppleyst helíumlag þar sem helíumdropar falla hægt og rólega niður á fljótandi málmvetnislag yfir kjarnanum. Mynd: Yi Zheng

Segulhvolf

Talið er að segulsvið Satúrnusar eigi uppruna sinn að rekja til rafstrauma í fljótandi málmvetnislaginu, líkt og segulsvið Júpíters. Segulsviðið Satúrnusar er þó ekki nema 20% af styrk segulsviðs Júpíters. Þannig er styrkur þess við miðbauginn um 0,2 Gauss (0,2 μTesla) og því örlítið veikara en segulsvið jarðar.

Ástæða þess að segulsviðið er veikara er að öllum líkindum vegna þess að möndulsnúningur Satúrnusar er örlítið hægari en einnig að málmvetnislagið er töluvert umfangsminna en í Júpíter.

Segulhvolf Satúrnusar inniheldur sömuleiðis miklu færri hlaðnar agnir en segulhvolf Júpíters. Fyrir því eru tvær ástæður. Í fyrsta lagi hefur Satúrnus ekkert tungl á borð við Íó sem sendir stöðugt frá sér gosefni í tonnatali inn í segulhvolf Júpíters. Þar að auki draga ísagnirnar í hringunum í sig hlaðnar agnir. Hlöðnu agnirnar í segulhvolfinu raðast í geislabelti, ekki ósvipuðum van Allen beltunum í segulhvolfi jarðar. Af þeim sökum er segulhvolfið miklu smærra en segulhvolf Júpíters og teygir sig aðeins örlítið út fyrir braut Títans.

Mynd segulmælis í Cassini geimfarinu af rafhlöðnum ögnum í segulhvolfi Satúrnusar í júní 2004. Mynd: NASA/JPL/John Hopkins University

Á Satúrnusi sjást norður- og suðurljós, rétt eins og á Jörðinni. Myndirnar hér undir eru af suðurljósum Satúrnusar sem Hubblessjónaukinn tók dagana 24., 26. og 28. janúar 2005. Myndirnar af suðurljósunum voru teknar í útfjólubláu ljósi (sem skýrir hvers vegna ljósin sýnast bláleit) og settar saman við myndir sem Hubble tók í sýnilegu ljósi. Með berum augum á Satúrnusi myndu norðurljósin sýnast rauðleit vegna vetnisins í andrúmsloftinu sem sólvindurinn örvar.

Suðurljós á Satúrnusi. Mynd: NASA, ESA, J. Clarke (Boston University) og Z. Levay (STScI)

Lofthjúpur

Lofthjúpur Satúrnusar er líklega um 1000 km þykkur. Litrófsmælingar á Satúrnusi gerðar frá jörðu, sem og gögn frá geimförum, staðfesta að Satúrnus hefur vetnisríkan lofthjúp sem inniheldur einnig snefil af metani, ammóníaki og vatnsgufu, líkt og Júpíter.

Lofthjúpurinn skiptist sennilega í þrjú lög. Neðst er skýjalag úr vatnsís sem teygir sig 10 km upp og nær -23°C hitastigi. Þar fyrir ofan tekur við 50 km þykkt skýjalag úr ammóníaks-vetnissúlfíðís (NH₄SH) þar sem hitastigið lækkar niður í -93°C. Áttatíu km ofar eru ský úr ammóníaksískristöllum þar sem hitastigið lækkar niður í um -153°C. Nærri skýjatoppnum er svo loks að finna 200 til 270 km þykkt lag úr vetni og helíum.

Þótt lofthjúpar gasrisanna séu svipaðir að gerð og uppbyggingu eru Júpíter og Satúrnus á engan hátt líkir í útliti, eins og þú getur sjálf(ur) séð ef þú átt stjörnusjónauka. Í stjörnusjónauka sést að lofthjúpur Satúrnusar skortir litbrigðin sem Júpíter hefur. Litbrigði lofthjúpsins eru háð hitastigi skýjanna og þar af leiðandi hversu djúpt þau eru í lofthjúpnum. Brún ský eru hlýjust og þar af leiðandi dýpst í lofthjúpnum. Ljósleit ský koma næst og svo loks rauð ský sem sem eru í efstu og köldustu lögunum. Ljósleitu svæðin eru þar af leiðandi nokkuð hærra í lofthjúpnum en dökkleitu beltin.

Á þessari gullfallegu mynd, sem Cassini geimfarið tók úr 2,1 milljón km fjarlægð þann 16. mars 2006, sést Satúrnus á rönd. Eins og sjá má eru hringarnir næfurþunnir og hverfa nánast frá þessu sjónarhorni, en á norðurhvelinu má sjá hvernig skuggar hringanna falla á reikistjörnuna. Mistrið í andrúmsloftinu gerir Satúrnus fremur sviplausan miðað við litadýrð Júpíters, þótt undir geysi kröftugir stormar. Bláa litinn á norðurhvelinu má rekja til sólarljóss sem ferðast lengri leið í gegnum lofthjúpinn og dreifir frekar stuttum öldulengdum (bláum). Rétt fyrir ofan hringana glittir í ístunglið Enkeladus. Mynd: NASA/JPL/Space Science Institute

Útlitsmunur Satúrnusar og Júpíters stafar af ólíkum massa reikistjarnanna. Aðdráttarkraftur Júpíters þjappar þremur skýjalögum í 75 km þykkt lag í efri hluta lofthjúpsins. Satúrnus er massaminni en Júpíter og þar af leiðandi er aðdráttarkrafturinn veikari. Því þjappast skýin ekki jafn mikið saman. Í Satúrnusi þjappast skýjalögin þrjú í yfir 300 km þykkt lag. Litirnir í skýjum Satúrnusar eru ekki jafn greinilegir því þokukenndur efsti hluti lofthjúpsins hylur dýpri lögin.

Stormar og vindar

Í gegnum stjörnusjónauka sést að Satúrnus skartar ekki sömu sýnilegu stóru stormsveipum og Júpíter. Á Satúrnusi er venjulega enginn risavaxinn og langlífur stormur á borð við stóra rauða blettinn á Júpíter. Stöku sinnum birtast þó stærðarinnar stormar sem standa yfir í nokkra daga eða mánuði. 

Um það bil einu sinni hvert Satúrnusarár (um þrjátíu jarðár), þegar vorar á norðurhveli reikistjörnunnar, byrjar einhver ólga djúpt undir skýjaþykkninu sem leiðir til mikilla hnattrænna vindtruflana og stormamyndunar. Þessir stormar hafa sést sex sinnum frá árinu 1876.

Í desember árið 2010 sáust fyrstu merki um nýjan storm á Satúrnusi með útvarpsbylgju- og rafgasnema á Cassini geimfari NASA. Stjörnuáhugafólk fylgdist líka vel með honum. Gerðar voru mælingar með innrauðu myndavélinni VISIR á Very Large Telescope (VLT) ESO og voru þá í fyrsta sinn mældar hitabreytingar innan stormsins.

Á myndum VISIR sáust óvænt fyrirbæri sem hafa verið nefnd heiðhvolfsvísar. Vísarnir eru mjög miklar hitabreytingar hátt í heiðhvolfi Satúrnusar, í um 250-300 km hæð yfir skýjatoppinn í lægri hluta lofthjúpsins, sem sýna glögglega hve hátt upp í lofthjúpinn áhrifa stormsins gætir. Venjulega er hitastigið í heiðhvolfi Satúrnusar í kringum -130°C á þessum árstíma en vísarnir eru 15-20°C hlýrri.

Innrauðar mælingar ViSIR mælitækisins á Very Large Telescope ESO (miðja og hægri), auk myndar frá Trevor Barry í Ástralíu sem teknar voru 19. janúar 2011 af stormi í andrúmslofti Satúrnusar. Mynd: ESO/University of Oxford/L. N. Fletcher/T. Barry

Vindar Satúrnusar eru þeir næst öflugust í sólkerfinu á eftir Neptúnusi. Við miðbaug Satúrnusar nær vindhraðinn allt að 500 m/s. Líkt og í lofthjúpi Júpíters eru austan- og vestanvindar ráðandi í efri hluta lofthjúpsins. Ekki er vitað fullkomlega hvers vegna vindarnir eru svona sterkir.

Sexhyrningurinn

Á norðurpól Satúrnusar er áberandi og stöðug sexhyrnt bylgjumynstur utan um heimskautalægð. Sexhyrningurinn sást fyrst á myndum Voyager árið 1981. Hver hlið hans er 14.500 km að lengd eða stærri en þvermál Jarðar en lægðin sjálf er um 29.000 km á breidd. Í lægðinni blása skotvindar á næstum 90 metra hraða á sekúndu sem er meira en vindhraði fimmta stigs fellibyls á Jörðinni. Sambærileg mynstur hafa sést í lægðum á Jörðini líka.

Myndir frá Cassini geimfarinu, sem sjást hér undir, sýna vel hvernig litbrigði stormsins breytast með árstíðunum. Myndin vinstra megin var tekin árið 2013 þegar stormurinn var bláleitur. Myndin vinstra megin var tekin fjórum árum síðar, árið 2017, þegar sumarsólstöður á norðurhvelinu nálguðust og sýnir hvernig aukin inngeislun sólar leiðir til aukins misturs í andrúmsloftinu og gulnunar þess.

Sexhyrnda heimskautalægðin á norðurpól Satúrnusar í náttúrulegum lit. Myndin vinstra megin var tekin árið 2013 en sú hægra megin árið 2017.
Mynd: NASA/JPL-Caltech/SSI/Hampton University

Athyglisvert er að á suðurpól Satúrnusar er ekki sambærileg heimskautalægð þótt þar séu skotvindar. Cassini geimfarið sá þar þó fellibyl með áberandi auga. Suðurpólsstormurinn er álíka stór og Jörðin en vindhraðinn mælist um 150 metra á sekúndu. Fellibylurinn hefur líklega geysað í mörg hundruð milljónir ára og eflaust lengur.

Auga fellibylsins á suðurpól Satúrnusar. Cassini geimfarið tók myndina hinn 11. október árið 2006 úr 340.000 km fjarlægð. Mynd: NASA/JPL/SSI

Hringar

Sjá nánar: Hringar Satúrnusar

Hringar Satúrnusar sjást í gegnum alla góða stjörnusjónauka og jafnvel góða handsjónauka sem stækka að minnsta kosti 20-falt (22x70, 20x80 og 25x100). Hringakerfið er við miðbaug Satúrnusar og teygir sig frá 6.630 km yfir skýjatoppi reikistjörnunnar og meira en 120.000 km út í geiminn. Hringarnir eru næfurþunnir miðað við breidd eða aðeins um 20 metra þykkir að meðaltali.

Efnið í hringunum er að mestu ísagnir en einnig er þar að finna kolefnisrykagnir. Smæstu agnirnar eru minni en sandkorn en þær stærstu á stærð við kæliskáp eða litla bifreið. Flestar agnirnar eru sennilega á stærð við snjóbolta. Heildarefnismagn hringanna er frekar lítið. Ef allt hringakerfið væri hnoðað saman í einn hnött yrði hann í mesta lagi 100 km í þvermál.

Hringarnir skiptast í nokkra hluta í stafrófsröð eftir því hvenær þeir uppgötvuðust. Röðin hefur ruglast eftir því sem nýir hringir hafa fundist. Frá innsta hring til hins ysta er röðin D, C, B, A, F, G, E og Föbe-hringurinn. Í gegnum sjónauka er unnt að sjá A, B og C hringana þar sem þeir eru bjartastir.

Hringar Satúrnusar og tunglin Mímas (bjarti bletturinn fyrir ofan hringana), Pan (agnarsmátt innan mjóa Encke-bilsins) og Prómeþeifur (undir meginhringunum). Litlu tunglin sjást ekki nema þegar myndin er stækkuð. Mynd: NASA/JPL-Caltech/SSI/Gordan Ugarkovic

Hringakerfið er ungt sem sést á því hve hreinir hringarnir eru. Væru hringarnir gamlir hefði ryk í sólkerfinu smám saman þakt þá með tímanum. Niðurstöður þriggja rannsókna, sem byggja á gögnum frá Cassini geimfari NASA, styðja það og benda til þess að hringarnir séu ekki aðeins ungir heldur líka skammlífir. Þeir urðu mögulega til á tímum risaeðlanna, fyrir 100 til 400 milljónum ára og munu þynnast og hverfa innan nokkur hundruð milljón ára. Talið er líklegt að stærstur hluti hringakerfisins eigi rætur að rekja til halastjarna, smástirna og tungla sem hafa brotnað af völdum flóðkrafta frá reikistjörnunni.

Hringakerfið samanstendur af þúsundum þunnum hringeiningum (ringlets). Innan hringanna eru geilar og eyður á borð við Cassini bilið og Encke geilina sem hægt er að sjá frá jörðinni. Þessi uppbygging hringanna er talin hafa myndast af völdum þyngdartogs þeirra fjölmörgu tungla sem sveima umhverfis Satúrnus. Sumar geilarnar, t.d. Encke geiilin, hafa hreinsast af völdum lítill smalatungla eins og Pan, Prómeþeifs og Pandóru, sem sveima innan hringanna. Efni er oftar en ekki til stað innan bilanna og geilanna, þ.e.a.s. þessi svæði eru ekki tóm. Birtu- og litamunur skýrir það hvers vegna svæðin virðast tóm.

Dagurinn þegar heimurinn brosti. Satúrnus á mynd sem Cassini geimfarið tók þegar það sveif inn í skugga reikistjörnunnar 19. júlí 2013 og horfði í átt til sólar. Satúrnus er því baklýstur á myndinni svo ystu hringarnir koma vel fram. Á myndinni eru líka sjö af tunglum Satúrnusar og í bakgrunni eru Mars, Venus og Jörðin og tunglið. Myndatakan var skipulögð fyrifram og voru jarðarbúar látnir vita af því augnabliki þegar hún var tekin. Þess vegna kallast myndin „Dagurinn þegar heimurinn brosti. Mynd: NASA/JPL-Caltech/SSI

Fylgitungl

Umhverfis Satúrnus ganga að minnsta kosti 145 þekkt fylgitungl. Erfitt er að komast að nákvæmri tölu því strangt tiltekið eru allir stórir íshnettir í kringum reikistjörnuna fylgitungl, en erfitt getur reynst að skilja á milli stórra hringagna og lítill fylgitungla. Af þessum tunglum eru aðeins sjö nógu stór og massamikil til að ná kúlulögun með eigin þyngdarkrafti: Mímas, Enkeladus, Teþýs, Díóna, Japetus, Rhea og Títan. Langflest eru minni en 50 km í þvermál.

Stærstu tungl Satúrnusar í réttum skala. Myndirnar eru frá Cassini geimfari NASA. Mynd: NASA / JPL-Caltech / Myndaröð: Emily Lakdawalla / Myndvinnsla Ted Stryk, Gordan Ugarkovic, Emily Lakdawalla, og Jason Perry. Ísl. útgáfa: Sævar Helgi Bragason

Upphaflega voru tungl Satúrnusar nefnd eftir títönunum, systkinum Krónosar í grískri goðafræði. Þessari nafnahefð kom John Herschel, sonur William Herschel sem fann bæði Mímas og Enkeladus, á árið 1847 í ritinu Niðurstöður stjarnfræðiathugana við Góðrarvonarhöfða. Í dag eru ný fylgitungl Satúrnusar til dæmis nefnd eftir goðum og gyðjum úr norrænni goðafræði.

Títan er langstærsta tungl Satúrnusar og næst stærsta tungl sólkerfisins á eftir Ganýmedesi. Títan er eina tungl sólkerfisins sem hefur þykkan lofthjúp sem gerir það enn áhugaverðara. Á yfirborði þess sjást merki um stór stöðuvötn úr fljótandi metani og íseldfjöll. Eitt stöðuvatnið er kallað Mývatn. Títan geymir yfir 90% af heildarmassa þess efnis sem er að finna á braut um Satúrnus, þar með talið hringana og önnur tungl.

Satúrnus, Títan og Díóna. Í bakgrunni sést gulleitur lofthjúpur Satúrnusar og örmjóir hringarnir sem varpa breiðum skuggum á suðurhvelið. Í forgrunni er Títan, stærsta tungl Satúrnusar, en á bakvið það er íshnötturinn Díóna, þriðja stærsta tungl Satúrnusar og fimm sinnum minna en Títan. Ef rýnt er í myndina sést norðurpólhettan sem er úr ískristöllum hátt í þykkum lofthjúpi Títans og móðan sem umlykur tunglið. Cassini geimfarið var í um það bil 2,3 milljón km fjarlægð frá Títan og 3,2 milljón km fjarlægð frá Díónu þegar myndin var tekin. Myndin var tekin 21. maí 2011. Mynd: NASA/JPL-Caltech/SSI

Fyrir utan Títan eru fjölmörg önnur mjög forvitnileg tungl. Ístunglið Enkeladus er einna mest heillandi því grunnt undir ísskorpunni er líklega að finna fljótandi vatn sem gýs upp úr yfirborðinu og dreifist yfir Satúrnus.

Rannsóknir á Satúrnusi

Forfeður okkar þekktu vel til Satúrnusar enda er hann áberandi á næturhimninum. Árið 1610 varð Galíleó Galílei fyrstur manna til að berja Satúrnus augum í gegnum stjörnusjónauka. Þótt sjónaukinn Galíleós væri ekki ýkja öflugur tók hann eftir tveimur einkennilegum „kúlum“ sem virtust skaga út úr sitt hvorri hlið hans. Galíleó undraðist það sem hann sá og sagði í bréfi til hertogans af Toskana að reikistjarnan Satúrnus væri ekki ein, heldur samanstæði af þremur sem snerta næstum hver aðra en færast aldrei, en sú í miðjunni væri þrefalt stærri en hinar. Árið 1612 undraðist Galíleó enn meira það sem hann sá í gegnum sjónaukann. Svo virtist sem kúlurnar tvær væru horfnar. Galíleó spurði „Hefur Satúrnus gleypt börnin sín?“ og vísaði þar til goðsagnarinnar um Krónos sem át börnin sín til að koma í veg fyrir að eitthvert þeirra steypti honum af stóli. Hringarnir birtust aftur árið 1613, Galíleó til mikillar furðu.

Árið 1655 hóf Hollendingurinn Christiaan Huygens að rannsaka Satúrnus með betri sjónauka en forverar hans. Huygens uppgötvaði fljótt að Satúrnus hafði að minnsta kosti eitt fylgitungl sem síðar var nefnt Títan. Á grunni athugana sinna taldi Huygens að Satúrnus væri umlukinn næfurþunnum flötum hringum sem hvergi snertu reikistjörnuna. Þegar hringarnir hurfu Galíleó sjónum, hafði hann séð þá á rönd.

Árið 1675 sá ítalski stjörnufræðingurinn Giovanni Domenico Cassini dökka geil í hringunum. Cassini ályktaði sem svo að hringarnir samastæðu úr mörgum smáum aðskyldum hringum. Geilin sem Cassini sá er milli A-hringsins og B-hringsins og var síðar nefnd honum til heiðurs eða Cassini geilin. Cassini fann ennfremur fjögur tungl til viðbótar við tunglið sem Huygens hafði fundið, þau Japetus, Rheu, Teþýs og Díónu.

Fátt markvert gerðist í rannsóknum á Satúrnusi í meira en öld eða þar til William Herschel fann tunglin Mímas og Enkeladus árið 1789. Árið 1848 fundu aðrir breskir stjörnufræðingar svo tunglið Hýperíon.

Ellefu árum síðar eða 1859 sýndi skoski eðlisfræðingurinn James Clerk Maxwell fram á að hringarnir gátu ekki verið fastir því annars yrðu þeir óstöðugir og myndi brotna upp. Maxwell taldi því að hringarnir hlytu að vera úr litlum ögnum sem hringsóluðu umhverfis Satúrnus. Tilgáta Maxwells staðfestist árið 1895 þegar bandaríski stjörnufræðingurinn James Keeler við Lick stjörnustöðina gerði litrófsmælingar á þeim.

Árið 1899 uppgötvaði William Henry Pickering tunglið Föbe. Í ljós kom að tunglið gengur öfugan hring í kringum Satúrnus sem gefur vísbendingar um að það hafi ekki myndast við reikistjörnuna upphaflega.

Hubble geimsjónaukinn hefur vaktað Satúrnus í þá rúmu þrjá áratug sem sjónaukinn hefur verið í geimnum og fylgst með breytingum sem hafa orðið í andrúmsloftinu. Hinn 25. júní 2023 tók James Webb geimsjónaukinn sína fyrstu ljósmynd af Satúrnusi.

Satúrnus á mynd James Webb geimsjónaukans 25. júní 2023, ásamt tunglunum Díónu, Enkeladusi og Teþýs. Mynd: NASA, ESA, CSA, STScI, M. Tiscareno (SETI Institute), M. Hedman (University of Idaho), M. El Moutamid (Cornell University), M. Showalter (SETI Institute), L. Fletcher (University of Leicester), H. Hammel (AURA), J. DePasquale (STScI)

Könnun gervitungla

Fjögur geimför hafa heimsótt Satúrnus hingað til, þau Pioneer 11, Voyager 1 og 2 og Cassini-Huygens. Þekking okkar á Satúrnusi hefur aukist gífurlega með þessum leiðangrum.

Pioneer 11

Pioneer 11 var fyrsta geimfarið sem heimsótti Satúrnus í september árið 1979. Geimfarið flaug í innan við 20.000 km fjarlægð frá reikistjörnunni og ljósmyndaði hana, hringana og tunglin. Myndavélar geimfarsins voru nokkuð frumstæðar og upplausnin ekki nægilega góð til þess að unnt væri að greina smáatriði á yfirborðum tunglanna. Geimfarið náði fyrstu nærmyndunum af hringunum og fann meðal annars nýjan hring, F-hringinn örþunna. Pioneer 11 uppgötvaði LÍKA að dökku geilirnar í hringunum inniheldu efni en þó í minni mæli en meginhringarnir.  Eftir heimsóknina til Satúrnus var Pioneer 11 stefnt út úr sólkerfinu.

Satúrnus á mynd sem Pioneer 11 tók í ágúst 1979 í fyrstu heimsókn jarðarbúa þangað. Mynd: NASA

Voyager 1 og 2

Í nóvember árið 1980 heimsótti Voyager 1 Satúrnus. Geimfarið sendi fyrstu almennilegu ljósmyndirnar af reikistjörnunni og hringunu. Í fyrsta sinn sáust smáatriði á yfirborðum tunglanna. Þegar geimfarið flaug hins vegar framhjá Títan urðu vísindamenn fyrir örlitlum vonbrigðum. Tunglið var umlukið svo þykkum lofthjúpi að útilokað var að greina smáatriði á yfirborðinu með venjubundnum hætti. Eftir framhjáflugið var geimfarið sent út úr sólkerfinu.

Næstum ári síðar eða í ágúst 1981 hélt Voyager 2 áfram rannsóknum á Satúrnusi. Fleiri smáatriði komu í ljós á tunglunum sem og vísbendingar um breytingar í lofthjúpi Satúrnusar og hringunum. Voyager 2 gat aftur á móti ekki flogið framhjá Títan því förinni var heitið til Úranusar og Neptúnusar eftir heimsóknina til Satúrnusar.

Bæði geimförin fundu nokkur ný fylgitungl á braut um reikistjörnuna innan hringakerfisins, svokölluð smalatungl. Geimförin uppgötvuðu einnig Maxwell eyðuna í C-hringnum og Keeler eyðuna í A-hringnum.

Samsett mynd af viðfangsefnunum sem Voyager 1 ljósmyndaði í heimsókn sinni í nóvember árið 1981. Tunglið Díóna er í forgrunni, Satúrnus fyrir aftan, Teþýs og Mímas undir hringunum til hægri, Enkeladus og Rhea til vinstri og Títan efst í hægra horninu. Mynd: NASA/JPL

Cassini-Huygens

Áhugi stjörnufræðinga á Satúrnusi og fylgitunglum hans dvínaði sannarlega ekki eftir heimsóknir Voyagerflauganna. Fljótlega eftir heimsóknir Voyagers var hafist handa við að skipuleggja stóran leiðangur til að rannsaka Satúrnus ítarlega. Leiðangurinn varð að veruleika árið 1997 þegar Cassini-Huygens geimfarinu var skotið á loft. Í júní 2004, eftir sjö ára ferðalag um geiminn, komst geimfarið loks á braut um Satúrnus eftir að hafa flogið framhjá tunglinu Föbe.

Cassini-Huygens tók mörg þúsund stórfenglegar myndir af reikistjörnunni þau ár sem gervitunglið sveimaði í kringum Satúrnus. Á Cassini var öflugt ratstjártæki sem gerði vísindamönnum kleift að svipta hulunni af Títan. Ratstjármyndir geimfarsins af tunglinu sýndu stór stöðuvötn úr fljótandi metani, fjallgarða og hugsanlega virk íseldfjöll. Geimfarið flaug tvisvar sinnum framhjá Títan áður en Huygens kanninn losnaði frá Cassini hinn 25. desember 2004. Huygens lenti heilu og höldnu á ísilögðu yfirborði Títans þann 14. janúar 2005, fyrsta geimfarið sem lendir á hnetti í ytra sólkerfinu.

Ein athyglisverðasta uppgötvun Cassinis var ekki gerð á Satúrnusi sjálfum eða Títan, heldur litlu ístungli sem heitir Enkeladus. Þegar Cassini flaug framhjá tunglinu sáust sprungur í ísskorpunni og gosstrókar sem streymdu út úr tunglinu. Gosstrókarnir reyndust úr vatnsís og innihéldu sömuleiðis lífræn efnasambönd. Undir ísskorpu Enkeladusar leyndist haf og í gegnum sprungur í ísnum, sem kallast tígrisrákirnar, spýttist ekki aðeins út vatn heldur líka lífræn efnasambönd. Í hafi Enkeladusar gæti þrifist líf. Cassini tók ekki aðeins myndir af strókum Enkeladusar, heldur flaug líka í gegnum þá.

Meginleiðangri Cassini lauk í júní 2008 eftir fjögur ár umhverfis Satúrnus. Geimfarið var þá við hestaheilsu og ákvað NASA því að framlengja leiðangurinn.

Í apríl 2017 hófust leiðangurslok Cassini þegar geimfarinu var skipað að dýfa sér í hverri viku á milli hringanna og reikistjörnunnar. Seinasta flugið framhjá Títan fór fram 22. apríl og var þyngdarkraftur tunglsins nýttur til þess að breyta brautarlögun Cassini. Hægt og rólega færðist geimfarið nær Satúrnusi uns það féll inn í reikistjörnuna og brann upp í andrúmsloftinu hinn 15. september 2017.

Að skoða Satúrnus

Sjá nánar: Að skoða Satúrnus

Þótt Satúrnus sé fjarlægust þeirra fimm reikistjarna sem unnt er að sjá með berum augum á stjörnuhimninum, er hann oftast nær nokkuð bjartur og áberandi. Sýndarbirtustig hans er venjulega milli -0,24 og +1,2 sem þýðir að hann er álíka bjartur og björtustu fastastjörnurnar. Frekar auðvelt er að þekkja hann á himninum þar sem hann sker sig úr hópi fastastjarna í kring enda tindrar hann ekkert líkt og fastastjörnurnar og er áberandi gulleitur. Sé fylgst með færslu hans yfir himinninn sést að hann lýkur einni hringferð í gegnum stjörnumerki dýrahringsins á meira en 29 árum.

Sýndarstærð Satúrnusar á himninum er venjulega milli 14,5 og 20,1 bogasekúnda svo nota þarf stjörnusjónauka til að greina hringana, skýjabelti í lofthjúpnum og nokkur fylgitungl með góðu móti. Sjónaukinn þarf að vera 60mm eða stærri og ná að minnsta kosti 50-faldri stækkun (allir stjörnusjónaukar eiga að ráða auðveldlega við það). Best er að skoða Satúrnus þegar hann er í gagnstöðu (opposition) við Jörð, þ.e. þegar jörðin er beint á milli Satúrnusar og sólar. Færsla Satúrnusar er svo hæg að reikistjarnan er í gagnstöðu við Jörð á tæplega eins árs og tveggja vikna fresti.

Satúrnus er stórfenglegur á að líta í gegnum góðan stjörnusjónauka. Í gegnum sjónauka blasa hringarnir við og í lofthjúpnum sjást ljósleit svæði og dökkleit skýjabelti. Lofthjúpurinn er ekki nærri eins litríkur og lofthjúpur Júpíters, en hringarnir eru þeim mun stórbrotnari.

Þegar horft er ofan á eða undir hringana er tiltölulega auðvelt að greina Cassini geilina milli A- og B-hringanna og skuggann sem fellur af reikistjörnunni á hringana. Þá tekur Hringadróttinn sjálfur á sig þrívíða mynd, sem engin önnur reikistjarna fær í gengum hefðbundinn sjónauka.

Satúrnus á einni mínútu

Meira um Satúrnus

• Hringar Satúrnusar

• Cassini-Huygens

• Að skoða Satúrnus

• Myndasafn NASA af Satúrnusi

• Myndasafn Hubble af Satúrnusi

Heimildir

Beatty, J. Kelly; Petersen, Carolyn Collins og Chaikin, Andrew (ritstj.). 1998. The New Solar System. Cambridge University Press, Massachusetts.

Freedman, Roger og Kaufmann, William. 2004. Universe, 7th Edition. W. H. Freeman, New York.

Hoskins, Michael. 1997. Cambridge Illustrated History of Astronomy. Cambridge University Press, Massachusetts.

McFadden, Lucy-Ann; Johnson, Torrence og Weissman, Paul (ritstj.). 2006. Encyclopedia of the Solar System. Academic Press, California.

Pasachoff, Jay. 1998. Astronomy: From the Earth to the Universe, fimmta útgáfa. Saunders College Publishing, Massachusetts.

Horft djúpt inn í stóran storm á Satúrnusi

Urmull lítilla tunglagna mynda furðuverk í F-hring Satúrnusar

Cassini í tíu ár við Satúrnus

Spælar birtast á ný í hringum Satúrnusar

62 áður óþekkt tungl finnast um Satúrnus 

Hringar Satúrnusar eru ungir og skammlífir

Hvernig á að vitna í þessa grein?

• Sævar Helgi Bragason (2023). Satúrnus. Stjörnufræðivefurinn. http://www.stjornufraedi.is/solkerfid/saturnus (sótt: DAGSETNING).