Недавние наблюдения зонда Кассини показывают, что Энцелад может стать отличной лабораторией для изучения необычных свойств плазмы – горячего ионизованного газа. В новых данных некоторые специалисты усматривают доказательство наличия около Энцелада пылевой плазмы – состояния материи, которое там ожидается, но пока не наблюдается (во всяком случае, с полной уверенностью). Кроме того, собранные данные показывают необычное поведение тяжелых и легких частиц в плазме, роли которых вблизи вырывающихся из-под поверхности струй поменялись. «Это действительно удивительные открытия в области изучения плазмы, – говорит Томас Гомбози, сотрудник Университета Мичигана, занятый в работе группы по изучению полей и частиц на основе данных Кассини. – Кассини дает нам новую лабораторию для изучения физики плазмы».

99% обычной материи во Вселенной находится в форме плазмы, так что изучение ее свойств не только на Земле полезно по двум причинам: во-первых, это дает нам новые знания о ее поведении, во-вторых, ее много где можно найти. В данном случае – в системе Сатурна. В данном случае первостепенный вопрос – воздействие энергии Солнца на плазменное окружение газового гиганта, и дальнейшие приложения этого процесса, такие как погодные условия гиганта и состояние его магнитного поля. Сравнение окрестностей Сатурна с Землей и другими планетами также интересно.

В этом деле важную роль играет Энцелад, небольшая ледяная луна гиганта. Именно она является основным источником ионизованного материала, наполняющего магнитосферу Сатурна. Примерно 100 килограмм водяного пара в секунду – примерная масса средней кометы – вылетает из щелей в южном полюсе Энцелада. Эти продолговатые щели иногда называют тигровыми полосами. Вырывающийся из-под поверхности материал представляет собой смеси льдинок и газа, в основном – водяного пара. Взаимодействуя с плазмой внутри магнитосферы Сатурна, новоприбывшие частицы также быстро ионизируются.

Природа этой уникальной смеси плазмы, газа и пыли постепенно приоткрывалась по мере изучения ее различными приборами аппарата, включая плазменный спектрометр, магнитометр, прибор изучения волн. Что оказалось особенно интересным, так это распределение частиц по размерам. Они разнятся от небольших скоплений молекул – всего несколько молекул воды – до клубков в несколько сотен микрометров. Значительная часть этих сгустков захватывает электроны на поверхности, причем до 90% электронов, вырвавшихся вместе со струей пара, оседает на крупных скоплениях молекул.

В этих условиях положительно заряженные ионы становятся меньшей компонентой плазмы, тогда как отрицательно заряженной – ее тяжелой компонентой, в противоположность обычному положению вещей, при котором негативные электроны с тысячи раз легче, нежели лишившиеся их положительно заряженные атомы. Такой результат дал анализ данных, собранных в ходе четырех пролетов зонда около Энцелада в ходе 2008 года. Он также показал общую высокую плотность плазмы (как тяжелых заряженных ионов – атомов и их сгустков, так и электронов) в области выброса материи гейзерами Энцелада, хотя обычно плотность электронов заметно ниже, нежели ионов, во всяком случае в кольце Е. Тем не менее, частицы пыли размером от нанометра до микрометра активно захватывают электроны. Массы наблюдавшихся наночастиц выходятся в диапазонах от нескольких сотен до нескольких десятков тысяч масс протона, так что в них должны находиться тысячи молекул воды. Как минимум половина электронов захвачена такими частицами пыли, и их взаимодействие с положительно заряженными ионами приводит в замедлению последних. Поскольку пыль заряжена и ведет себя, как часть плазменного облака, это положение вещей несколько отличается от пыли, просто перемешанной с плазмой.

«Такое сильное взаимодействие указывает на наличие так называемой пылевой плазмы, а не просто «пыли в плазме», которая часто встречается в космосе, – говорит Мичико Морока, сотрудник Шведского института космической физики в Кируне, первый автор публикации исследования, заместитель руководителя проекта прибора изучения волн и плазмы на зонде Кассини. – Если не считать измерений в верхних слоях земной атмосферы, пылевая плазма пока что не наблюдалась в космосе».

В пылевой плазме условия идеальны для того, чтобы пыль принимала участие в коллективном поведении плазмы. Это усложняет структуру плазмы, сильно меняет ее свойства и создает совершенно новый объект изучения. Пылевая плазма, как ожидается, должна существовать в хвостах комет и пылевых кольцах около Солнца, но возможность пролететь через эту плазму, изучить ее вблизи пока что является непозволительной роскошью для ученых.

Сопутствующее исследование, основанное на данных плазменного спектрометра Кассини, показало присутствие в пылевой плазме наночастиц с единичным отрицательным зарядом – частиц, имеющих один лишний электрон. Прибор не был рассчитан на детектирование таких частиц, когда создавался в 80-90х годах прошлого века. Вообще, разобраться в природе плазмы, создаваемой гейзерами Энцелада, позволили два фактора – совместная работа различных приборов аппарата и долго время сбора данных, ведь зонд пребывает внутри магнитосферы Сатурна с 2004 года. Например, после первоначального обнаружения выбросов гейзеров Энцелада по показаниям магнитометров, Свен Саймон из Кельнского университета и Хенрик Кригель ил Университета Брауншвейга, обнаружили, что изменения в магнитосфере газового гиганта требуют присутствия отрицательно заряженных частиц пыли в выбросах. Эти открытия были опубликованы в конце прошлого года, и теперь эти частицы найдены. Предыдущий анализ данных спектрометра уже показал сложный состав выбрасываемого гейзерами материала, а специальный прибор для анализа космической пыли указал на высокое содержание солей натрия. Это, в свою очередь, указывает на воду под поверхностью океана, так как эти соединения образуются в жилкой воде. Эти и другие примеры указывают на удачный выбор оборудования и высокое качество сборки зонда Кассини.