Saturnus distinkta ringar observerades i oöverträffad detalj av NASA:s rymdfarkost Cassini, och forskare har nu använt dessa observationer för att undersöka det inre av jätteplaneten och få den första exakta bestämningen av dess rotationshastighet. Längden på en dag på Saturnus, enligt deras beräkningar, är 10 timmar 33 minuter och 38 sekunder.

Forskarna studerade vågmönster som skapats inom Saturnus ringar av planetens inre vibrationer. I själva verket, ringarna fungerar som en extremt känslig seismograf genom att reagera på vibrationer inom planeten själv.

Liknar jordens vibrationer från en jordbävning, Saturnus reagerar på störningar genom att vibrera vid frekvenser som bestäms av dess inre struktur. Värmedriven konvektion i interiören är den mest sannolika källan till vibrationerna. Dessa interna svängningar gör att densiteten på en viss plats på planeten fluktuerar, vilket gör att gravitationsfältet utanför planeten svänger med samma frekvenser.

"Partiklar i ringarna känner denna oscillation i gravitationsfältet. På platser där denna oscillation resonerar med ringbanor, energi byggs upp och förs bort som en våg, " förklarade Christopher Mankovich, en doktorand i astronomi och astrofysik vid UC Santa Cruz.

Mankovich är huvudförfattare till en artikel, publicerad 17 januari i Astrofysisk tidskrift , jämföra vågmönstren i ringarna med modeller av Saturnus inre struktur.

De flesta av vågorna som observeras i Saturnus ringar beror på gravitationseffekterna av månarna som kretsar utanför ringarna, sa medförfattaren Jonathan Fortney, professor i astronomi och astrofysik vid UC Santa Cruz. "Men några av funktionerna i ringarna beror på själva planetens svängningar, och vi kan använda dem för att förstå planetens inre svängningar och inre struktur, " han sa.

Mankovich utvecklade en uppsättning modeller av Saturnus inre struktur, använde dem för att förutsäga frekvensspektrumet för Saturnus inre vibrationer, och jämförde dessa förutsägelser med vågorna observerade av Cassini i Saturnus C-ring. Ett av huvudresultaten av hans analys är den nya beräkningen av Saturnus rotationshastighet, vilket har varit förvånansvärt svårt att mäta.

Som en gasgigantisk planet, Saturnus har ingen fast yta med landmärken som kan spåras när den roterar. Saturnus är också ovanligt att ha sin magnetiska axel nästan perfekt i linje med sin rotationsaxel. Jupiters magnetiska axel, som jordens, inte är i linje med sin rotationsaxel, vilket innebär att den magnetiska polen svänger runt när planeten roterar, gör det möjligt för astronomer att mäta en periodisk signal i radiovågor och beräkna rotationshastigheten.

Rotationshastigheten på 10:33:38 som bestäms av Mankovichs analys är flera minuter snabbare än tidigare uppskattningar baserade på radiometri från rymdfarkosterna Voyager och Cassini.

"Vi har nu längden på Saturnus dag, när vi trodde att vi inte skulle kunna hitta den, " sa Cassini Project Scientist Linda Spilker. "De använde ringarna för att titta in i Saturnus inre, och ut dök denna länge eftersökta, planetens grundläggande kvalitet. Och det är ett riktigt gediget resultat. Ringarna innehöll svaret."

Tanken att Saturnus ringar skulle kunna användas för att studera planetens seismologi föreslogs först 1982, långt innan de nödvändiga observationerna var möjliga. Medförfattare Mark Marley, nu på NASA:s Ames Research Center i Silicon Valley, utvecklade därefter idén till sin doktorsexamen. avhandling 1990, visade hur beräkningarna kunde göras, och förutspådde var funktioner i Saturnus ringar skulle vara. Han noterade också att Cassini-uppdraget, sedan i planeringsstadiet, skulle kunna göra de observationer som behövs för att testa idén.

"Två decennier senare, människor tittade på Cassini-data och hittade ringdetaljer på platsen för Marks förutsägelser, " sa Fortney.