För ungefär ett år sedan, ett spektakulärt dyk i Saturnus avslutade NASA:s Cassini-uppdrag – och med det en unik, 13-årig forskningsexpedition till det Saturniska systemet. Under uppdragets senaste fem månader, sonden gick in i okänt territorium igen:tjugotvå gånger, den störtade in i det nästan outforskade området mellan planeten Saturnus och dess innersta ring, D-ringen. På fredag, 5 oktober 2018, journalen Vetenskap släpper sex artiklar som beskriver de första resultaten från denna uppdragsfas.

I en av dessa tidningar, ett forskarlag ledd av Max Planck Institute for Solar System Research i Tyskland och Applied Physics Laboratory vid Johns Hopkins University i USA rapporterar om de unika protonstrålningsbälten som bildas i närheten av planeten. På grund av närvaron av den täta A, B, och C-ringar, detta område är nästan helt frikopplat från huvudstrålningsbältet och resten av magnetosfären, som sträcker sig längre utåt.

När rymdsonden Cassini svängde in i sin första bana runt Saturnus och dess ringar den 1 juli, 2004, partikeldetektorsviten Magnetospheric Imaging Instrument (MIMI), inklusive lågenergimagnetosfäriskt mätsystem (LEMMS), utvecklat och byggt under ledning av MPS, fångade en kort glimt av området mellan planeten och den innersta D-ringen. Mätningarna indikerade att en population av laddade partiklar kan vara närvarande, men dess exakta sammansättning och egenskaper förblev oklara. Under de följande åren, MIMI-LEMMS undersökte partiklarna som fångas av Saturnus starka magnetfält utanför dess ringar, bildar dess huvudsakliga strålningsbälte som består av högenergiprotoner och elektroner. Protonstrålningsbältet sträcker sig mer än 285, 000 kilometer ut i rymden och är starkt påverkad av Saturnus många månar, som delar upp den i fem sektorer. "Bara 13 år senare, strax innan uppdragets slut, vi fick möjligheten att följa upp våra allra första mätningar vid Saturnus och se om ytterligare en strålningsbältesektor existerar tillsammans med D-ringen och planetens övre atmosfär, " förklarar Elias Roussos, forskare vid Max Planck Institute for Solar Systems huvudförfattare till den aktuella studien.

Det 13 år långa tålamodsprovet har nu gett resultat. I deras nuvarande Vetenskap artikel, forskarna målar upp en heltäckande bild av protonerna som omger Saturnus i närheten. Två artiklar i tidskriften Geofysiska forskningsbrev utveckla dessa fynd.

I likhet med Saturnus huvudprotonbälte, protonerna som befolkar området nära planeten genereras av infallande galaktisk kosmisk strålning. När kosmisk strålning interagerar med material i Saturnus atmosfär eller i dess täta ringar, det utlöser en kedja av reaktioner som genererar högenergiprotoner som sedan fångas av planetens magnetfält.

Saturnus magnetfält är mer än 10 gånger starkare nära planeten än det är i huvudstrålningsbälten. Det gör fångst så effektivt att protoner kan stanna i flera år i samma magnetfältslinje. Det tvingar dem att interagera kontinuerligt med D-ringen och den saturniska atmosfären och gradvis förlora sin fulla energi. Men med densiteten hos den tunna D-ringen okänd, det var oklart hur snabbt denna energiförlust utvecklas och om ett strålningsbälte kunde upprätthållas. Teoretisk modellering indikerade att ett gångbart scenario kan vara MIMI som inte mäter något annat än buller.

Det hände lyckligtvis inte – åtminstone för protoner. LEMMS-mätningar avslöjade en stabil ansamling av energiska protoner som sträcker sig från Saturnus atmosfär och över hela D-ringen. Energin som många av dessa protoner har är extrem:mer än 10 gånger högre än vad LEMMS var designat för att mäta. "Vi var tvungna att gräva fram gamla mekaniska ritningar av instrumentet och konstruera nya modeller av det för att förstå hur det skulle mäta i en så extrem miljö, ", tillägger Roussos.

"Utanför D-ringen, Saturnus A, B- och C-ringar är betydligt tätare och dammigare, bildar en effektiv 62, 000 kilometers barriär för att fånga upp laddade partiklar, " Fortsätter Roussos. Det innebar att den yttre kanten av D-ringen var så långt som det här nya protonbältet kunde sträcka sig – och LEMMS-mätningar bekräftade det. "Detta skapar ett strålningsbälte som är helt isolerat från resten av magnetosfären, " säger MPS-forskaren Dr Norbert Krupp, Huvudutredare för MIMI-LEMMS-teamet och medförfattare till studien i Vetenskap .

Denna region är unik i solsystemet. Det ger möjlighet att undersöka ett strålningsbälte under laboratorieliknande förhållanden, eftersom dess protoner skapas av en mycket stabil process, styrs och styrs av Saturnus starka magnetfält. I Saturnus huvudstrålningsbälte och i strålningsbälten på jorden och Jupiter, dessa förhållanden är annorlunda – och mycket mer komplicerade. På jorden, till exempel, ett varierande inflöde av högenergipartiklar från solen kan ha en stark inverkan på strålningsbältets struktur.

Lika värdefull är den nya information som LEMMS lägger till om D-ringsystemet, vilket är för svagt för att studera med enbart avbildning. Denna ring innehåller totalt tre smala ringlets, allt ljusare än resten av ringen och heter D68, D72 och D73. Medan intensiteten av protoner reducerades av ringlets D68 och D73, ringlet D72 som ligger mellan dem verkar inte ha någon effekt. "Även om ringarna D72 och D68 är lika ljusa, LEMMS-mätningar visar oss att de faktiskt måste vara väldigt olika, säger Roussos.

MIMI-mätningar avslöjade också en sekundär, protonstrålningsbälte med lägre energi på en höjd under flera tusen kilometer. Detta bälte bildas ibland när snabba neutrala väteatomer som skapas i Saturnus magnetosfär fastnar nära planeten när de träffar dess atmosfär och blir laddade. "Närvaron av detta bälte på lägre höjd visar att viss minimal information från Saturnus variabel, avlägsen magnetosfär kan sändas över planetens täta ringar, " tillägger Krupp.

Under de 13 år som MIMI/LEMMS-instrumentet tillbringade vid Saturnus, den genomförde en av de mest omfattande undersökningarna av ett planetariskt strålningsbälte annat än jordens och hjälpte till och med att upptäcka okända ringar. En sammanfattning av dessa och ytterligare upptäckter finns i boken Saturnus på 2000-talet , som publiceras av Cambridge University Press denna månad. Dr Norbert Krupp från MPS är en av dess fyra redaktörer.