Strålningsbälten från Jorden och Saturnus skiljer sig kraftigare från varandra än vad som tidigare antagits. I dessa bälten, mycket energirika partiklar, såsom elektroner och protoner, röra sig runt planeten med höga hastigheter - fångas av dess magnetfält. När det gäller jorden, solvinden, en ström av laddade partiklar från solen som varierar i styrka, styr strålningsbältets intensitet både direkt och indirekt. Strålningsbälten från Saturnus, dock, utvecklas helt oberoende av solvinden och påverkas istället avgörande av gasjättens månar. Dessa resultat publiceras i dag i tidskriften Nature Astronomy av en grupp forskare från Max Planck Institute for Solar System Research (MPS) i Tyskland som är med och leder den mest omfattande studien i ämnet hittills. Nyckeln till de nya rönen är mätningar av MIMI-LEMMS-instrumentet ombord på NASA:s Cassini-rymdsond, som utforskade Saturnussystemet i mer än 13 år innan det dök in i planeten den 15 september i år.

Solens aktivitet – och med den solvindens styrka – följer en elvaårig cykel. Att undersöka solvindens långsiktiga påverkan på en planets strålningsbälten kräver därför tålamod – och rymduppdrag av en ansenlig längd. "Om Cassinis uppdrag till Saturnussystemet hade avslutats efter fyra år, som ursprungligen planerat, vi skulle aldrig ha kunnat uppnå dessa resultat, " förklarar Dr. Elias Roussos från MPS. Lyckligtvis, uppdraget utökades flera gånger. Magnetospheric Imaging Instrument (MIMI) med sin högenergipartikeldetektor (LEMMS) ombord på Cassini kunde därför registrera fördelningen av laddade partiklar i närheten av Saturnus under en tidsperiod som inkluderar en komplett solcykel. "Så omfattande in-situ-data om strålningsbälten på en planet är annars bara tillgängliga för jorden, " säger MPS-forskaren Dr Norbert Krupp, som leder MIMI-LEMMS-teamet.

Som data från Cassini visar, Saturnus protonstrålningsbälten är gigantiska:de når från planetens innersta ring till månen Tethys omloppsbana – och därmed mer än 285, 000 kilometer ut i rymden. En avgörande skillnad mot jorden:medan vår måne ligger långt bortom gränserna för magnetosfären och strålningsbälten, Saturnus strålningsbälten innehåller flera av dess satelliter, som de stora månarna Janus, Mimas, och Enceladus. "Saturnus månar påverkar strålningsbältena på ett avgörande sätt, säger Krupp. De fungerar som en slags gränsvägg på mycket energirika partiklar, särskilt protoner. Eventuella protoner som diffunderar längre inåt från sin ursprungsplats absorberas och stoppas därför när de interagerar med en måne. "Detta skapar områden i strålningsbältet som är helt isolerade från varandra, säger Roussos. Till skillnad från Saturnus, partiklar som uppstår utanför jordens strålningsbälten kan färdas inåt och fylla på dess innehåll.

På jorden, de högenergipartiklar som bildar strålningsbälten har två ursprung. Vissa tillhandahålls direkt av solvinden. Andra härrör från infallande protoner av extrem energi som härrör från vår galax, kallas galaktiska kosmiska strålar. När galaktiska kosmiska strålar når planetens atmosfär, det sätter igång en kedja av reaktioner, i slutet av vilka högenergielektroner och protoner skapas. Eftersom solvinden delvis skyddar och på så sätt modulerar denna kosmiska strålning, Solens aktivitet spelar också en avgörande roll i denna process.

I det Saturniska systemet är detta annorlunda. "Under de första åren av Cassini-uppdraget, vi observerade att solvinden kunde orsaka dramatiska förändringar i Saturnus magnetosfär, " säger Roussos. "Men, detta direkta inflytande upphörde abrupt vid månen Tethys omloppsbana."

Ändå, till en början tydde allt på att solvinden fortfarande hjälper till att forma strålningsbälten – om än indirekt:de första åren av Cassini-uppdraget sammanföll med en nedgång i solens aktivitet; intensiteten på strålningsbältena ökade som förväntat. Under perioden 2010 till 2012, dock, det skedde ett snabbt intensitetsfall som inte kunde tillskrivas solvindmoduleringen av galaktiska kosmiska strålar, som förändras på mycket längre tidsskalor. Och även solstormar, våldsamma utbrott av partiklar och strålning från solen, kunde inte ha varit ansvarig. Medan sådana händelser gång på gång på jorden orsakar en plötslig nedgång i intensitet, omfattande simuleringar utförda av forskarna visar, att denna effekt inte heller kan förklara den årslånga minskningen som Cassini bevittnat.

Snarare, forskarna misstänker att extrem ultraviolett strålning från solen kan vara ansvarig. Denna strålning kan lokalt värma atmosfären på en planet. De resulterande turbulenta vindarna överför denna information till jonosfären som är "förankrad" till magnetosfären genom planetens magnetfält. Som ett resultat, protonerna i strålningsbälten sprider sig mycket mer effektivt än vanligt. På väg, de möter Saturnus månar och absorberas:strålningsbältens intensitet minskar därigenom avsevärt. "Vi observerar att intensitetsfallet i Saturnus protonstrålningsbälten sammanfaller exakt med starka förändringar i EUV-strålningen från solen, Roussos beskriver de nya resultaten. Det är därför möjligt att även om solvinden inte har någon inverkan på strålningsbälten, solen kan fortfarande.

"Våra analyser påminner oss också om hur starkt egenskaperna hos strålningsbälten beror på strukturen hos det speciella planetsystemet, det är, positionen och antalet månar för fallet Saturnus", säger Roussos. Denna kunskap kan också vara till hjälp för en blick bortom solsystemets kant:om strålningsbälten från en exoplanet i framtiden kunde upptäckas, dessa data kan också indirekt innehålla information om systemets egenskaper och struktur.