De övre lagren i gasjättarnas atmosfär — Saturnus, Jupiter, Uranus och Neptunus - är heta, precis som jordens. Men till skillnad från jorden, solen är för långt från dessa yttre planeter för att kunna förklara de höga temperaturerna. Deras värmekälla har varit ett av planetvetenskapens stora mysterier.

Ny analys av data från NASA:s rymdfarkost Cassini hittar en hållbar förklaring till vad som håller de övre lagren av Saturnus, och möjligen de andra gasjättarna, så varmt:norrsken vid planetens nord- och sydpol. Elektriska strömmar, utlöst av interaktioner mellan solvindar och laddade partiklar från Saturnus månar, gnista norrskenet och värm upp den övre atmosfären. (Som med jordens norrsken, att studera norrsken berättar forskarna vad som händer i planetens atmosfär.)

Arbetet, publiceras idag i Natur astronomi , är den mest kompletta kartläggningen hittills av både temperatur och densitet för en gasjättes övre atmosfär – ett område som har varit dåligt förstått.

"Att förstå dynamiken kräver verkligen en global vy. Denna datauppsättning är första gången vi har kunnat titta på den övre atmosfären från pol till pol samtidigt som vi ser hur temperaturen förändras med djupet, sa Zarah Brown, huvudförfattare till studien och en doktorand vid University of Arizona Lunar and Planetary Laboratory.

Genom att bygga en helhetsbild av hur värme cirkulerar i atmosfären, forskare är bättre på att förstå hur norrskens elektriska strömmar värmer de övre lagren av Saturnus atmosfär och driver vindar. Det globala vindsystemet kan distribuera denna energi, som initialt avsätts nära polerna mot ekvatorialområdena, värma upp dem till dubbelt så höga temperaturer som förväntas från enbart solens uppvärmning.

"Resultaten är avgörande för vår allmänna förståelse av planetariska övre atmosfärer och är en viktig del av Cassinis arv, " sa studiens medförfattare Tommi Koskinen, en medlem av Cassinis team för Ultraviolet Imaging Spectograph. "De hjälper till att ta itu med frågan om varför den översta delen av atmosfären är så varm, medan resten av atmosfären - på grund av det stora avståndet från solen - är kall."

Hanteras av NASA:s Jet Propulsion Laboratory i södra Kalifornien, Cassini var en orbiter som observerade Saturnus i mer än 13 år innan den tömde sin bränsletillförsel. Uppdraget kastade den in i planetens atmosfär i september 2017, delvis för att skydda sin måne Enceladus, som Cassini upptäckte kunde hålla förhållanden lämpliga för livet. Men innan dess dopp, Cassini utförde 22 ultranära banor av Saturnus, en sista turné som kallas Grand Finale.

Det var under den stora finalen som nyckeldata samlades in för den nya temperaturkartan över Saturnus atmosfär. I sex veckor, Cassini riktade in sig på flera ljusa stjärnor i konstellationerna Orion och Canis Major när de passerade bakom Saturnus. När rymdfarkosten observerade stjärnorna stiga och satte sig bakom den jättelika planeten, forskare analyserade hur stjärnljuset förändrades när det passerade genom atmosfären.

Att mäta hur tät atmosfären är gav forskarna den information de behövde för att hitta temperaturerna. Densiteten minskar med höjden, och minskningshastigheten beror på temperaturen. De fann att temperaturerna toppar nära norrskenet, vilket indikerar att norrskens elektriska strömmar värmer upp den övre atmosfären.

Densitets- och temperaturmätningar tillsammans hjälpte forskarna att räkna ut vindhastigheter. Förstå Saturnus övre atmosfär, där planet möter rymden, är nyckeln till att förstå rymdvädret och dess inverkan på andra planeter i vårt solsystem och exoplaneter runt andra stjärnor.

"Även om tusentals exoplaneter har hittats, endast planeterna i vårt solsystem kan studeras i denna typ av detalj. Tack vare Cassini, vi har en mer detaljerad bild av Saturnus övre atmosfär just nu än någon annan jätteplanet i universum, sa Brown.

Cassini-Huygens-uppdraget är ett samarbetsprojekt av NASA, Europeiska rymdorganisationen och den italienska rymdorganisationen. NASA:s Jet Propulsion Laboratory, eller JPL, en division av Caltech i Pasadena, sköter uppdraget för NASA:s Science Mission Directorate i Washington. JPL designad, utvecklade och monterade Cassini orbiter.