У Сатурна появился десятиугольник: «Хаббл» снял аномальную геометрическую волну на южном полюсе

Более сорока лет астрономы считали, что атмосфера Сатурна обладает устойчивой полярной асимметрией. В северном полушарии планеты на широте 78,5 градуса северной широты расположен знаменитый шестиугольник — замкнутая структура правильной формы, которую впервые сфотографировали аппараты «Вояджер-1» и «Вояджер-2» в 1980-1981 годах. Данные орбитального аппарата «Кассини» и космического телескопа «Хаббл» подтвердили, что этот гексагон существует десятилетиями, практически не меняя своего положения и геометрических пропорций.

В южном полушарии ничего подобного не наблюдалось. Хотя на юге действуют такие же мощные зональные ветры, в приполярных областях фиксировали лишь обычные круговые струйные течения, концентрические полосы облаков и отдельные изолированные вихри. Из-за этого исследователи полагали, что условия для образования стабильных многоугольных структур на планете сложились исключительно к северу от экватора.

Публикация группы ученых под руководством профессора Агустина Санчеса-Лавеги в журнале Science Advances изменила эти представления. Комплексные наблюдения с помощью орбитального телескопа «Хаббл», Очень большого телескопа (VLT) в Чили, обсерватории Калар-Альто в Испании и международной сети наземных наблюдателей выявили в южной полярной области Сатурна гигантскую волновую структуру с десятью вершинами — декагон.

Этот объект охватывает параллели между 58 и 63 градусами южной широты, подчиняется законам динамики волн во вращающихся газовых средах и демонстрирует совершенно иной тип эволюции, чем северный шестиугольник.

Астрономический контекст: почему структуру не замечали раньше

Период обращения Сатурна вокруг Солнца составляет 29,5 земных года. При этом экватор планеты наклонен к плоскости ее орбиты почти на 27 градусов. Этот наклон приводит к выраженной смене сезонов, каждый из которых продолжается более семи земных лет.

Более десяти лет исследователи не имели прямого оптического доступа к южным широтам планеты. С середины 2012-го осевой разворот Сатурна привел к тому, что его ледяное кольцевое окружение перекрыло обзор с земного направления, оставив приполярный регион в тени вплоть до 2023 года.

Как только южный сектор вышел из зоны затенения, астрофизики немедленно навели приборы. В середине осени 2023-го широкоугольная камера орбитальной обсерватории «Хаббл» зафиксировала начальную деформацию: в спектральной области свыше шести сотен нанометров ровный прежде контур облачного пояса в районе 63-й параллели южного полушария начал отчетливо изгибаться.

В августе 2024 года, когда условия освещенности улучшились, исследователи различили отдельные вершины и прямолинейные участки границы между ними. Наконец, в августе и сентябре 2025 года телескопы зафиксировали полностью сформированную десятиугольную фигуру, замкнутую вокруг полюса.

Данные подтвердили с помощью нескольких независимых инструментов:

• Космический телескоп «Хаббл» сделал снимки высокого разрешения в ультрафиолетовом, видимом и ближнем инфракрасном диапазонах в рамках долгосрочных программ мониторинга планет-гигантов OPAL и Saturn Equinox.
• Комплекс Очень большого телескопа с тепловизором и спектрометром VISIR провел наблюдения в среднем инфракрасном диапазоне (длины волн от 7,7 до 19,5 микрометра), что позволило измерить собственное тепловое излучение атмосферы и восстановить профиль температур на разных высотах.
• Прибор PlanetCam на 2,2-метровом телескопе обсерватории Калар-Альто выполнил оптическую и инфракрасную съемку для независимой проверки данных.

Физические параметры и пространственный масштаб декагона

Декагон представляет собой периодическое отклонение границы зонального облачного пояса от строго круговой формы. Он состоит из десяти последовательных выступов, направленных в сторону экватора (гребней волны), и десяти впадин, направленных в сторону полюса. Эти точки формируют симметричный десятиугольник.

Физические измерения структуры дают следующие величины:

• Географическое положение. В широкополосных фильтрах красного диапазона (на длинах волн 631, 727, 763 и 937 нанометров) центр волновой полосы зафиксирован на широте 63 градуса южной широты с погрешностью в четыре десятых градуса. В узкополосном фильтре на длине волны 889 нанометров, соответствующем сильной полосе поглощения метана, центр структуры смещен севернее — на широту 60,5 градуса южной широты.
• Длина волны. Среднее расстояние между соседними вершинами вдоль параллели составляет 16 782 километра (с погрешностью плюс-минус 1100 километров). В физике волновых процессов это описывается волновым числом десять: на полную длину окружности данной параллели укладывается ровно десять одинаковых волновых циклов.
• Амплитуда колебаний. Перепад между максимальным отклонением волны к северу и максимальным отклонением к югу составляет 2,7 градуса по широте (с погрешностью в три десятых градуса), что соответствует расстоянию в 2645 километров.
• Меридиональные размеры. Контрастные облачные пояса, очерчивающие ребра десятиугольника, насчитывают в поперечнике от двух до трех градусов вдоль меридиана (2000-3000 км). При этом общее поле волнового возмущения распространяется значительно шире — от 53-й до 66-й южных параллелей. В результате динамический пояс охватывает с севера на юг дистанцию порядка 13 тысяч километров.

Разница в положении структуры на разных длинах волн объясняется вертикальным строением атмосферы Сатурна. Свет на длине волны 763 нанометра отражается от плотного слоя облаков в глубине тропосферы. Излучение на длине волны 889 нанометров интенсивно поглощается газообразным метаном, поэтому до оптических приборов доходит только тот свет, который отразился от взвешенных микрочастиц (аэрозолей) в верхних слоях тропосферы и нижней стратосфере.

Таким образом, десятиугольник не является плоским поверхностным рисунком на вершинах облаков. Это объемное атмосферное возмущение, которое пронизывает газовую толщу от уровня давления в 10 миллибар (стратосфера) до глубины не менее двух бар (облачный покров из аммиака и гидросульфида аммония в глубинах тропосферы).

Кинематика: движение струи и фазовая скорость волны

Физическая природа феномена раскрывается при сравнении движения видимого узора и фоновых воздушных масс.

Циркуляция на Сатурне разбита на параллельные ветровые коридоры. Вдоль 60,5-й южной параллели зафиксировано восточное струйное течение с пиковым значением 116 метров в секунду. Сопоставление с данными миссий «Кассини» и «Вояджер» показывает: характеристики этого потока остаются стабильными на протяжении более чем четырех десятилетий.

Скорость движения самого декагона измеряли методом отслеживания координат его десяти вершин на снимках, сделанных с интервалом в один или несколько оборотов планеты, в период с июня по октябрь 2025 года. Положения вершин привязали к принятой в планетологии системе отсчета долготы Сатурна — так называемой Системе III, основанной на периоде вращения глубоких недр и магнитного поля планеты (10 часов 39 минут 22,4 секунды).

Измерения показали:

• Декагон смещается относительно глубоких слоев планеты на восток со средней скоростью около полуградуса в сутки.
• Это соответствует линейной скорости всего в 2,5 метра в секунду (плюс-минус две десятых метра в секунду).
• Период полного оборота десятиугольника вокруг оси планеты составляет 10 часов 39 минут и 1,8 секунды.

Возникает значительное расхождение: струйное течение движется на восток со скоростью 116 метров в секунду, а десятиугольный волновой контур внутри него перемещается в том же направлении со скоростью всего 2,5 метра в секунду.

Если вычесть скорость струи из скорости самого декагона, выяснится, что относительно окружающего его газового потока узор смещается в противоположную сторону — на запад — со скоростью около 113,5 метра в секунду.

Это характерный признак планетарной волны Россби. Такие волны возникают в атмосферах вращающихся планет под воздействием силы Кориолиса. Сила Кориолиса зависит от широты: у полюса она максимальна, а на экваторе обращается в ноль. Если масса газа в струе отклоняется вдоль меридиана к северу или к югу, разница сил закручивает поток. Возникает противодействующая сила, которая стремится вернуть смещенный объем газа обратно в исходную широтную зону.

В результате прямолинейное струйное течение начинает изгибаться регулярными волнами. Скорость распространения гребней и впадин такой волны всегда направлена на запад относительно породившего ее потока. В случае южного декагона Сатурна скорость волны направлена против течения ветра и почти точно уравновешивает его напор. Из-за этого для внешнего наблюдателя десятиугольник выглядит практически неподвижным относительно планеты в целом.

При этом сильный перепад скорости ветра по краям струйного течения удерживает волну в пределах узкой полосы широт. Энергия колебаний не рассеивается в сторону экватора или полюса, оставаясь замкнутой внутри границ струи.

Циклические колебания вершин

В поведении декагона зафиксирована особенность, которая полностью отличает его от неизменного северного шестиугольника: вершины десятиугольника непрерывно смещаются относительно своего среднего положения.

При анализе движения каждого отдельного угла структуры во времени астрономы обнаружили регулярные отклонения от прямолинейного перемещения. После математической обработки и вычитания постоянного дрейфа данные о долготе вершин продемонстрировали следующие свойства:

1. Периодичность. Девять из десяти вершин совершают циклические колебания вперед и назад вдоль параллели с периодом в 32,5 земных суток (одна вершина показала период в 43 дня).
2. Размах колебаний. Амплитуда смещения вершин по долготе составляет от 4,6 до 8,4 градуса. В пересчете на физическое расстояние на широте декагона это означает смещения на дистанцию от 1500 до 2800 километров.
3. Сдвиг фазы. Моменты максимального отклонения не совпадают у разных вершин. Фаза колебания последовательно передается по цепочке от одного угла к следующему: задержка между соседними вершинами составляет в среднем 2,7 суток.

Единственный аналог подобных зональных осцилляций в метеорологии газовых миров — супершторм БКП на соседнем Юпитере. Этот колоссальный вихрь совершает возвратно-поступательные смещения по долготе с трехмесячной регулярностью, отклоняясь в пределах одного градуса.

Для волновых систем на струйных течениях Сатурна такой режим смещений зафиксирован впервые. Северный шестиугольник подобных циклических деформаций вдоль параллели не демонстрирует.

Влияние соседнего антициклона

Оптический контраст вершин декагона неодинаков по всей длине окружности. Три вершины обладают максимальной четкостью и выраженными прямыми границами, четыре вершины выражены умеренно, а оставшиеся три — размыты.

Причина этой неравномерности прояснилась при сопоставлении карт ветров и вихрей южного полушария. Непосредственно к северу от декагона, на широте 55 градусов южной широты, находится крупное устойчивое образование — Красное пятно Сатурна.

Основные параметры этого вихря:

• Диаметр составляет около 4000 километров.
• Скорость движения на восток равна 23 метрам в секунду.
• Объект обладает высокой отражательной способностью в полосе поглощения метана (889 нанометров) и низкой яркостью в ультрафиолете.
• Анализ вертикального распределения ветров показывает, что это антициклонический вихрь, верхняя граница облаков которого расположена заметно выше окружающего фона.

По своим характеристикам этот шторм аналогичен антициклону, зафиксированному аппаратами «Вояджер» в 1981 году на той же широте (тогда исследователи назвали его пятном Энн).

Сопоставление координат показало прямую зависимость: наиболее четкие и геометрически выраженные вершины декагона сосредоточены именно в той долготной зоне, где располагается антициклон. На противоположной стороне планеты, удаленной от Красного пятна на 180 градусов, грани и углы волновой структуры сглаживаются и теряют контраст.

Гидродинамическое моделирование методом мелкой воды

Для проверки причин возникновения десятиугольника ученые использовали численное моделирование на основе уравнений мелкой воды.

Этот метод описывает движение тонкого слоя несжимаемой жидкости постоянной плотности на поверхности вращающегося сфероида. Модель применима к атмосферам планет, когда горизонтальный масштаб процессов (тысячи километров) существенно превышает их вертикальный размер (десятки километров). В расчетах исследователи варьировали глубину моделируемого слоя от 5 до 50 километров, чему соответствовал радиус деформации Россби — фундаментальный масштаб взаимодействия вихрей и струй — в пределах от 850 до 2700 километров.

Авторы протестировали три сценария.

Сценарий 1: Серия периодических возмущений в струе

В поток с профилем ветра, измеренным телескопами (максимальная скорость 116 метров в секунду), искусственно ввели десять равноудаленных друг от друга локальных источников возмущения. Моделирование подтвердило, что струя действительно формирует замкнутую десятиугольную структуру. Однако скорость движения полученной волны составила 88 метров в секунду, что значительно превышает реальную скорость декагона (2,5 метра в секунду). При уменьшении числа внесенных возмущений система перестраивалась: число сторон многоугольника становилось равным количеству введенных источников.

Сценарий 2: Воздействие изолированного антициклона

В симуляцию интегрировали антициклон с характеристиками наблюдаемого Красного пятна: его локализовали на 55-й параллели с тангенциальной скоростью внешнего края 125 м/с. Численный эксперимент подтвердил: появление столь мощного вихря на фланге зональной струи трансформирует распределение завихренности в потоке. Вихрь создает устойчивое локальное искривление струи, которое по цепочке вызывает периодические отклонения потока вдоль всей длины параллели.

Сценарий 3: Эволюция синусоидальной волны

В струю изначально заложили волну с десятью периодами и амплитудой отклонения в 1,3 градуса по широте. В ходе расчетов волна быстро потеряла устойчивость и распалась на систему чередующихся замкнутых вихрей. С северной стороны струи сформировались десять антициклонов, а с южной — десять циклонов. Эта система двигалась со скоростью 46 метров в секунду. Разрешающая способность современных телескопов пока не позволяет различить отдельные мелкие вихри такого масштаба на Сатурне, однако подобный вихревой пояс оптически воспринимается наблюдателями именно как непрерывная десятиугольная граница облаков.

Результаты расчетов показали, что крупный антициклон на границе струйного течения способен служить источником возмущений, организующим поток в десятиугольную структуру.

Сравнение полярных структур Сатурна и Юпитера

Открытие декагона позволяет провести сопоставление масштабных атмосферных систем на двух крупнейших планетах Солнечной системы:

• Северный шестиугольник Сатурна. Расположен на широте 78,5 градуса северной широты на струйном течении со скоростью около 100 метров в секунду. Имеет шесть вершин. Структура неподвижна относительно глубоких слоев планеты и сохраняет неизменную форму на протяжении более 44 лет наблюдений, игнорируя прохождение через нее мощных сезонных конвективных штормов. Это указывает на ее связь с глубокими процессами, уходящими под пределы погодного слоя.
• Декагон южного полушария Сатурна. Десятигранная конфигурация вписана в диапазон 60,5-63° ю. ш., где фоновый восточный ветер дует со скоростью 116 м/с. Сам полигон едва дрейфует — его восточное смещение составляет лишь 2,5 м/с, а узловые точки циклически раскачиваются по долготе с шагом в 32,5 суток. В прошлый сатурнианский год этой аномалии не существовало: ее появление заняло всего два года (2023-2025). Столь быстрая сборка подтверждает, что волна порождена нестационарными процессами непосредственно в верхнем погодном ярусе.
• Полярные полигоны Юпитера. Зафиксированы космическим аппаратом «Юнона» на широтах выше 80 градусов в обоих полушариях Юпитера. Они состоят из групп отдельных циклонов поперечником в несколько тысяч километров, сгруппированных вокруг центрального полярного вихря (восемь циклонов образуют восьмиугольник на севере, пять — пятиугольник на юге). В отличие от Сатурна, на Юпитере правильные геометрические фигуры формируются не за счет изгибов мощных струйных ветров, а за счет взаимного отталкивания компактных циклонов в зоне со слабыми фоновыми ветрами.

Значение открытия для науки

Обнаружение десятиугольного волнового фронта меняет представления об атмосферных процессах планет-гигантов.

Во-первых, оно доказывает, что формирование многоугольных атмосферных структур не является исключительной особенностью северного полушария Сатурна. Механизм генерации подобных волн универсален: если струйное течение достаточно узкое, перепад скоростей по его краям велик, а рядом присутствует крупный вихревой источник возмущений, поток неизбежно перестраивается в многоугольник. Число вершин при этом определяется конкретными характеристиками струи и плотностью среды.

Во-вторых, параметры декагона дают данные для проверки климатических моделей планет-гигантов. Тепловые инфракрасные карты прибора VISIR показали, что скорость ветра в струе на широте 60,5 градуса южной широты постепенно снижается с набором высоты. Расчеты с использованием уравнений баланса теплового ветра связывают этот вертикальный градиент скорости с горизонтальным распределением температур в атмосфере. Это позволяет определить, какая часть энергии атмосферных движений обеспечивается солнечным теплом, а какая поступает снизу — за счет внутреннего тепла, выделяемого недрами планеты.

В период с 2026 по 2030 год южное полушарие Сатурна достигнет максимума летнего прогрева. Дальнейшие наблюдения покажут, что произойдет со структурой при изменении сезонных условий. Если соседний антициклон разрушится или изменит скорость своего дрейфа, астрономы смогут зафиксировать либо постепенный распад десятиугольника, либо его переход в постоянное квазистационарное состояние.

Источник: Science Advances