Om du stoppar en slumpmässig person på trottoaren och frågar dem vad deras favoritplanet är, chansen är att deras svar kommer att vara Saturnus. Saturnus fantastiska ringar är en minnesvärd syn i alla bakgårdsteleskop. Men det finns fortfarande mycket att lära om Saturnus, speciellt om planetens unika väder och kemi, samt ursprunget till dess överdådiga ringsystem. Efter lanseringen 2021, NASA:s rymdteleskop James Webb kommer att observera Saturnus, dess ringar, och familj av månar som en del av ett omfattande solsystemprogram.

Denna studie kommer att genomföras genom ett program för garanterad tidsobservation som leds av Heidi Hammel, en planetarisk astronom och vice ordförande för Association of Universities for Research in Astronomy (AURA) i Washington, D.C. Hammel valdes av NASA till Webb Interdisciplinary Scientist 2002.

"Syftet med detta program är att visa Webbs förmåga att observera solsystem, inklusive observation av ljusa föremål, spåra rörliga föremål, och ser svaga mål bredvid ljusa, Hammel förklarade. "Datan kommer att göras tillgänglig för solsystemgemenskapen så snart som möjligt för att visa dem att Webb kan göra vad vi har lovat dem."

Webb kommer att fortsätta där NASA:s rymdfarkost Cassini slutade. Cassini kretsade runt Saturnus i 13 år, från 2004 tills uppdraget avslutades 2017 då rymdfarkosten störtade in i Saturnus atmosfär. Sedan dess, program som Hubble Space Telescopes Outer Planet Atmospheres Legacy-program och markbaserade mätningar har varit det enda sättet att övervaka Saturnus.

Saturnus årstider

Saturnus lutar på sin axel precis som jorden, och som resultat, den upplever också årstider när den kretsar runt solen. Dock, eftersom det Saturniska året är 30 jordår långt, varje säsong varar ca 7-1/2 år. Cassini anlände under södra halvklotets sommar (vinter på norra halvklotet). Nu är det sommar på norra halvklotet. Astronomer är ivriga att leta efter säsongsmässiga förändringar i Saturnus atmosfär.

"Dessa observationer kommer att ge oss en fullständig analys av det saturniska systemet för att se vad som har förändrats, för att se hur årstiderna har utvecklats sedan Cassinis senaste glimtar och att utnyttja de möjligheter som Webb har som Cassini aldrig gjorde, sa Leigh Fletcher från University of Leicester, England, en huvudutredare på programmet.

I slutet av 2010 en monsterstorm utbröt på Saturnus norra halvklot. Det började som en liten fläck men växte snabbt, tills den i slutet av januari 2011 omringade planeten. Astronomer blev förvånade eftersom sådana stormar normalt inte bildas förrän efter sommarsolståndet, som inträffade 2017. De kommer att hålla utkik efter fler stormar när Saturnus norra halvklot rör sig från sommar till höst under loppet av Webbs uppdrag.

Stormar är inte de enda atmosfäriska fenomen som Saturnus och jorden delar. Saturnus upplever också norrsken, eller norr- och södersken. Dessa norrsken utlöser kemiska förändringar i Saturnus atmosfär, bryta isär vissa molekyler och låta nya bildas. Webb kommer att leta efter signaturer av den ovanliga kemin som lyser vid medelinfraröda våglängder, särskilt i den nordliga polarregionen.

Titan, Saturnus största måne

Saturnus största måne, Titan, kommer också att falla under Webbs kraftfulla blick. Titan är unik eftersom det är den enda månen i vårt solsystem med en betydande atmosfär. Faktiskt, den är större än planeten Merkurius. Atmosfärstrycket på Titan är cirka 50 % högre än på jorden. Som jorden, den atmosfären består mest av kväve, men Titan har också ångformiga kolväten som metan. Titan är också mycket kallare än jorden, med en yttemperatur runt minus 290° Fahrenheit (minus 180° Celsius).

Inom Titans atmosfär, kemiska reaktioner gör ständigt om dess sammansättning. Molekyler bryts upp i sina beståndsdelar som kol, väte, syre och kväve. Dessa atomer bildar nya molekyler, som sipprar genom luften och slår sig ner vid vilken pol som för närvarande upplever vinter.

"Titans atmosfär är som ett stort kemilabb, " sa Conor Nixon från NASA:s Goddard Space Flight Center, Grönt bälte, Maryland., en huvudutredare på programmet. Nixon och hans kollegor kommer att använda Webbs Near-Infrared Spectrograph (NIRSpec) och Mid Infrared Imager (MIRI) för att studera dessa molekyler i mycket större detalj än vad Cassinis instrument tillät.

Titan är också det enda objektet i vårt solsystem förutom jorden med flytande hav och sjöar på sin yta. Medan jorden har ett vattenkretslopp där vatten avdunstar, faller som regn, och rinner nedför floder till havet, Titan upplever en liknande cykel med metan. På Titan, metanregn skär flodbäddar genom stenhård vattenis innan det rinner ut i tjärkantade hav. Cassini och dess Huygens-sond från European Space Agency, som landade på Titan 2004, gjort anmärkningsvärda upptäckter om denna Saturniska måne. Webb kommer att studera Titans säsongsbetonade klimatcykler för att jämföra dem med astronomers modeller.

"Titan har moln och väder som vi kan se förändras i realtid. Dess kemi skiljer sig mycket från jordens, men det är fortfarande ekologiskt, kolbaserad kemi, " sa Stefanie Milam från NASA Goddard, en medutredare på programmet.

Även om Webbs uppdragslivslängd efter lanseringen är utformad för att vara minst 5-1/2 år, det kan potentiellt pågå i 10 år eller mer. Som ett resultat, den kunde se Saturnus gå från norra sommaren genom höstdagjämningen och tillbaka till södra våren. Det skulle nästan "fullborda cirkeln" som började när Cassini anlände under södra sommaren.

"Vi kommer verkligen att ha täckt ett helt Saturnian-år. Det skulle vara en ganska ögonöppnande upplevelse, sa Fletcher.