Saturn

Fysiske egenskaper

Saturn og Jupiter klassifiseres som gasskjemper. Begge planetene består hovedsakelig av de aller letteste grunnstoffene; hydrogen og helium, som finnes i væskeform i planetenes indre, og som utover mot atmosfæren gradvis går over i gassform, som så gradvis blir tynnere og tynnere. Ingen av planetene har noen kjent fast (eller flytende) overflate, og for praktiske formål må overflaten derfor defineres. Høyder oppgis normalt i forhold til nivået i atmosfæren der gasstrykket har sunket til 0,1 bar.
Saturn har den laveste tettheten blant planetene i solsystemet. Med en gjennomsnittlig tetthet på 0,69 g/cm³, er planeten den eneste i solsystemet med en tetthet lavere enn vann; rundt 30 % lavere. Kjernen er riktignok betydelig tettere, men de ytre væske- og gasslagene trekker ned gjennomsnittet. Saturn har dermed «bare» 95 ganger jordens masse, mens den har 763 ganger jordens volum. I motsetning har Jupiter 318 ganger jordens masse, selv om Jupiter bare er ca. 20 % større enn Saturn. Til sammen utgjør Jupiter og Saturn 92 % av planetmassen i solsystemet.
Den lave tettheten er også medvirkende til at planeten er den mest flattrykte i solsystemet. Rotasjon gjør at ingen av planetene har form som perfekte kuler, men som flate sfæroider, litt flattrykte ved polene og litt utbulende ved ekvator. For Saturns del avviker radiene ved ekvator og ved polene med nesten 10 % – henholdsvis 60 268 km og 54 364 km.

Indre struktur og kjerne

Saturn består av rundt 96 volumprosent hydrogen, som i 99,9 % av planetens masse er å finne i væskeform på grunn av høyt trykk. Kun i det aller ytterste laget av planeten finnes hydrogen som gass, og det er ingen klar grense mellom de to fasene, fordi stoffet befinner seg over sitt kritiske punkt. Planeten har dermed heller ingen veldefinert overflate. Innover mot kjernen øker temperatur og trykk jevnt, og fører etterhvert til at hydrogenvæsken går over til å bli metallisk. Foruten hydrogen finnes det rundt 3 volumprosent helium og spor av ulike volatiler.
De fleste fysiske modeller forutsier en fast kjerne, men lite er kjent om denne. Modeller baserer seg blant annet på planetens masse, radius, rotasjonsperiode, flattrykthet, gravitasjonsmomenter, og tilstandsligninger for stoffene i planeten. Ut fra en gjennomgang av tilgjengelige resultater, anslo de franske astronomene Didier Saumon og Tristan Guillot i 2004 kjernens masse til å være 9–22 ganger jordens masse. Usikkerheten skyldes blant annet usikkerhet i målingene av Saturns gravitasjonsmomenter, og usikkerhet i tilstandsligningene for hydrogen ved høy temperatur og høyt trykk. Temperaturen i kjernen antas å ligge på rundt 12 000 K (11 700 °C).

Varmeproduksjon

I motsetning til mindre planeter som jorden, som hovedsakelig mottar varme fra solen, er Saturn en netto varmeprodusent; den utstråler 1,78 ganger mer energi enn den mottar fra solen, og har en effektiv temperatur på 95 K (−178 °C). Hovedandelen av varmeproduksjonen kan forklares ved Kelvin-Helmholtz-mekanismen, fra oppspart gravitasjonell energi fra akkresjon i planetens formasjonsprosess, men i motsetning til hva tilfellet er for Jupiter, kan ikke dette forklare hele varmeproduksjonen. Det antas at resten kommer fra friksjon ved utskillelse av helium. Historisk har helium og hydrogen utgjort en homogen blanding, men for et par milliarder år siden sank temperaturen på planeten nok til at de begynte å skille seg i ytre lag. Helium er tyngre enn hydrogen, og vil derfor gradvis synke innover og skape friksjon. Det er mulig at heliumet har samlet seg, eller vil samle seg, i et eget lag rundt kjernen.

Atmosfære

Den ytre atmosfæren inneholder 96,3 % molekylær hydrogen og 3,25 % helium. Andelen helium er vesentlig mangelfull i forhold til overfloden av dette grunnstoffet på solen. Mengden av grunnstoffer som er tyngre enn helium er ikke nøyaktig kjent, men proporsjonene antas å tilsvare den opprinnelige mengden fra dannelsen av solsystemet. Deres totale masse anslås til 19–31 ganger jordens, med en betydelig del beliggende i kjerneregionen.
Det er oppdaget spormengder av ammoniakk, acetylen, etan, propan, fosfin og metan i atmosfæren. De øvre skyene er sammensatt av ammoniakkrystaller. De lavere nivåene synes å bestå av enten ammoniumhydrosulfid (NH₄SH) eller vann. Ultrafiolett stråling fra solen forårsaker fotolyse av metan i den øvre atmosfæren. Dette gir kjemiske hydrokarbonreaksjoner som frakter produktene nedover med virvler og diffusjon. Denne fotokjemiske syklusen er modulert av Saturns årlige sesongsyklus.

Skylag

Atmosfærens stripete mønster ligner på Jupiters, men Saturns striper er mye svakere og mye bredere nær ekvator. Nomenklaturen som brukes til å beskrive disse stripene er den samme som på Jupiter. De finere skymønstrene ble ikke observert før Voyager-sonden passerte på 1980-tallet. Siden da har jordbaserte teleskoper blitt så mye bedre at regelmessige observasjoner kan utføres.
Sammensetningen varierer med dybden og trykket. I de øvre skylagene, hvor temperaturen er i størrelsesorden 100–160 K og trykket på 0,5–2 bar, består skyene av ammoniakkis. Skyer av vannis oppstår på nivåer hvor trykket er ca. 2,5 bar og strekker seg ned til 9,5 bar – temperaturen går her fra 185–270 K. Innblandet i dette laget er en stripe av ammoniumhydrosulfidis som ligger i trykkområdet 3–6 bar med temperaturer mellom 290–235 K. De lavere lagene, hvor trykket er mellom 10–20 bar og temperaturen er 270–330 K, inneholder regioner med vanndråper med ammoniakk i vandig løsning.
Atmosfæren er vanligvis rolig, men innimellom oppstår langvarige ovaler og andre formasjoner liksom på Jupiter. I 1990 fotograferte Hubble-teleskopet en enorm hvit sky nær ekvator som ikke fantes da Voyager-sonden passerte. I 1994 ble en annen mindre storm observert. Stormen i 1990 var et eksempel på den store hvite flekken – et unikt, men kortvarig fenomen som oppstår en gang per år på Saturn (tilsvarende ca. 30 år på jorden). Stormen oppstår rundt tiden for sommersolverv på den nordlige halvkulen. Tidligere store hvite flekker ble observert i 1876, 1903, 1933 og 1960, men stormen fra 1933 er mest kjent. Hvis syklusen fortsetter, er en ny storm ventet rundt 2020.
Vindhastighetene er blant de høyeste i solsystemet, men ikke like høye som på Neptun. Data fra Voyager-programmet indikerte østlige vinder med hastigheter opp mot 500 m/s (1 800 km/t). Bilder tatt av Cassini-sonden i 2007 viste en lyssterk blå nyanse på den nordlige halvkulen, tilsvarende som på Uranus. Fargen ble sannsynligvis forårsaket av Rayleigh-spredning.

Polarvirvel på sørpolen

I de sørlige polregionene indikerer bilder fra Hubble-teleskopet tilstedeværelsen av jetstrømmer. Infrarød fotografering har vist en varm polarvirvel på sørpolen – den eneste kjente i solsystemet. Temperaturen i virvlene kan komme opp i –122 °C, mot normalen på –185 °C, og antas å være de varmeste stedene på Saturn.
NASA rapporterte den 10. november 2006 at Cassini hadde observert en «orkanlignende» storm låst mot den sørlige polen som tydelig hadde definert et orkanøye. Skyer med orkanøyer var aldri før observert utenfor jorden. Bilder tatt av Galileo viste for eksempel ikke noe orkanøye i den store røde flekken på Jupiter.

Heksagonale skymønstre på nordpolen

Et vedvarende heksagonalt bølgemønster rundt den nordlige polarvirvelen – ca. ved 78°N – ble  oppdaget av Voyager 1 i 1980 og bekreftet av Cassini i 2006.
Hver av de rette sidene på det heksagonale skymønsteret på nordpolen er omtrent 13 800 km lange, noe som gjør de lengre enn diameteren på jorden. Hele strukturen roterer med en periode på 10t 39m og 24s, det samme som planetens radioutstråling som antas å være lik rotasjonen til planetens indre. Formasjonene forflytter seg ikke i lengdegrad som de andre skyene i den synlige atmosfæren.

Magnetosfære

Saturns iboende magnetiske felt kan i høy grad approksimeres som en enkel magnetisk dipol. En spesiell karakteristikk for Saturn er at magnetfeltets akse er nesten helt parallell med rotasjonsaksen. For alle andre planeter i solsystemet er det et markant større avvik mellom aksene, og det er vanskelig å forklare hvorfor de kan holde seg så stabilt parallelle i Saturns tilfelle. Styrken på feltet ved ekvator er 0,2 gauss (20 µT), som er ca. en tjuendedel av feltet rundt Jupiter og noe svakere enn jordens magnetfelt. Derfor er Saturns magnetosfære mye mindre enn Jupiters. Da Voyager 2 gikk inn i magnetosfæren, var trykket fra solvinden høyt og magnetosfæren strakk seg kun 19 saturnradier ut, eller 1,1 millioner kilometer. Den forstørret seg imidlertid i løpet av et par timer og forble slik i ca. tre dager.
Mest sannsynlig genereres magnetfeltet på lignende måte som Jupiters – ved strømmer i lagene av metallisk hydrogen, kalt en metallisk hydrogendynamo. Magnetosfæren avleder partiklene fra solen effektivt. Månen Titan går i bane innenfor den ytre delen av magnetosfæren og tilfører plasma fra ioniserte partikler i Titans ytre atmosfære. Magnetosfæren produserer polarlys på samme måte som jordens.

Omløp og rotasjon

Gjennomsnittlig avstand til solen er over 1,4 milliarder kilometer (9 AE). Med en gjennomsnittlig omløpshastighet på 9,69 km/s, tilsvarer ett år på Saturn, det vil si tiden for ett omløp rundt solen, ca. 29,5 jordår eller 10 759 jorddager. Den elliptiske banen er inklinert med 2,48° relativt til jordens baneplan. På grunn av en eksentrisitet på 0,056, varierer avstanden til solen med omtrent 155 millioner kilometer mellom perihelium og aphelium, de nærmeste og fjerneste punktene langs banen.
Siden Saturn ikke har en kjent fast overflate, kan man ikke fastslå planetens rotasjonsperiode med særlig presisjon fra visuell inspeksjon. Overflateformasjoner roterer ved ulike hastigheter, typisk raskere ved ekvator og saktere ved polene, og observerte rotasjonsperioder varierer mellom 10 og 11 timer. For å finne rotasjonsperioden til planetens indre masser, har man derfor brukt rotasjonsperioden til planetens magnetfelt som indikator. Denne rotasjonsperioden ble funnet fra målinger av planetens radioutstråling (Saturn kilometric radiation, SKR) gjort av Voyager-sondene i 1980 og 1981, hvorfra et Saturn-døgn ble fastslått til å ha en lengde på 10 timer, 39 minutter og 24 sekunder (± 7 s).
Nye målinger fra Cassini i 2004 viste at perioden for radioutstrålingen hadde økt med 6 minutter, til 10 t 45 m 45 s (± 36 s). Med planetens enorme treghet tatt i betraktning, ble det sett på som usannsynlig at rotasjonshastigheten hadde blitt så mye langsommere i løpet av så få år. I mars 2007 ble det foreslått at avviket skyldes geysiraktivitet på månen Enceladus. Vanndampen fra denne aktiviteten, som havner i Saturns bane, blir ladet, og skaper et drag mot Saturns magnetfelt, som senker rotasjonen noe relativt til planetens rotasjon. Det siste estimatet, basert på varierte målinger fra Cassini, Voyager og Pioneer-sondene, ble rapportert i 2007 og er på 10 t 32 min 35 s.

Saturns ringer

Saturns planetariske ringer gjør planeten visuelt bemerkelsesverdig i solsystemet. De strekker seg fra 6 630 km og ut til 120 700 km fra Saturns ekvator. De er i snitt ca. 10 m tykke og består av 93 % vannis med spor av urenheter fra tholin og 7 % amorft karbon. Partiklene i ringene varierer i størrelse fra støvkorn og opp til 10 m. En teori er at ringene er rester av en måne som har gått i oppløsning. En annen er at ringene er rester etter det opprinnelige tåkematerialet som Saturn ble dannet fra. Noe av isen i de sentrale ringene stammer fra isvulkanene på månen Encelauds.
Utenfor hovedringene, 12 millioner km fra planeten, ligger den spede Phoebe-ringen. Denne heller med 27° i forhold til de andre ringene, og som Phoebe går den i en retrograd retning. Noen av månene, deriblant Pan og Prometheus, fungerer som gjetermåner som begrenser ringene og forhindrer at de sprer seg utover. Pan og Atlas forårsaker lineære tetthetsbølger i ringene som har gitt mer pålitelige beregninger av massene.
Tidligere trodde astronomer at ringene ble dannet samtidig med planeten for milliarder av år siden. Sannsynligvis er de likevel bare noen hundre millioner år gamle.

Måner

Saturn har minst 82 måner, hvorav 53 har formelle navn – de fleste oppkalt etter titaner i gresk mytologi. Månen Titan utgjør mer enn 96 % av massen i bane rundt Saturn, inkludert ringsystemet. Den nest største månen Rhea synes å ha et eget tynt ringsystem og en tynn atmosfære. Av de øvrige månene er 34 mindre enn 10 km i diameter og 14 mindre enn 50 km. Titan er den eneste satellitten i solsystemet med en betydelig atmosfære hvor kompleks organisk kjemi oppstår. Den er også den eneste satellitten med sjøer av hydrokarboner.
Enceladus har ofte blitt ansett som en potensiell base for mikrobielt liv. Månens saltrike partikler har en «havlignende» sammensetning som indikerer at det meste av dens forviste is skyldes fordampning av flytende saltvann.

Utforskningshistorie

Det har vært tre hovedfaser i utforskningen av Saturn. Den første æraen var i antikken (med det blotte øye), før de moderne teleskopene. Fra det 17. århundre ble det utført mer progressive og avanserte teleskopiske observasjoner fra jorden. Den andre typen er besøk av romsonder, enten ved forbiflyvning eller plassering i bane. I det 21. århundre fortsatte observasjonene fra jorden (eller observatorier i bane rundt jorden) og fra Cassinis banesonde ved Saturn.

Antikkens observasjoner

Saturn har vært kjent siden førhistorisk tid. Babylonske astronomer observerte og registrerte Saturns bevegelser systematisk. I antikken var det den fjerneste av de fem kjente planetene i solsystemet (ikke medregnet jorden) og en viktig skikkelse i ulike mytologier. I romersk mytologi var Saturnus guden for jordbruk, og romerne betraktet den som likeverdig med den greske guden Kronos. Grekerne gjorde den ytterste planeten hellig til Kronos, og romerne fulgte opp med å gjøre den hellig til Saturnus. På moderne gresk har planeten beholdt sitt antikke navn Kronos (Κρόνος).
Grekeren Klaudios Ptolemaios, som var bosatt i Alexandria, observerte en opposisjon med Saturn som ble grunnlaget for hans fastsettelse av planetens baneelementer.  Hinduistisk astrologi opererer med ni astrologiske objekt, kjent som Navagrahaene. Blant disse er Saturn kjent som «Shani» (sanskrit: शनि, kannada: ಶನಿ Śani, tamil: சனி, Caṉi), og dømmer alle basert på gode og onde gjerninger utført i livet. Antikkens kinesiske kultur utpekte Saturn som «jordens stjerne» (kinesisk: 土星, pinyin: Tŭxīng, kantonesisk: Tousing), basert på de fem elementene som tradisjonelt ble brukt for å klassifisere de fem naturlige elementer. Denne navneformen brukes også i koreansk (hangul: 토성, revidert romanisering: Toseong) og i japansk (Dosei). I antikkens hebraisk ble Saturn kalt Shabbathai.

Europeiske observasjoner (17.–19. århundre)

Saturns ringer krever minst et teleskop med diameter på 15 mm for å kunne sees, og var derfor ikke kjent før Galileo Galilei oppdaget dem i 1610. Han tenkte imidlertid på dem som to måner til Saturn. Da Christiaan Huygens brukte en større teleskopisk forstørrelse, ble dette tilbakevist. Huygens oppdaget også månen Titan, mens Giovanni Cassini noe senere oppdaget de fire månene Iapetus, Rhea, Tethys og Dione. I 1675 oppdaget Cassini et gap som i dag er kjent som Cassini-delingen.
I 1789 oppdaget William Herschel ytterligere to måner – Mimas og Enceladus. Den irregulært formede månen Hyperion ble oppdaget av et britisk lag i 1848. Hyperion har en resonans med Titan.
I 1899 oppdaget William Henry Pickering Phoebe – en svært irregulær måne som ikke roterer synkront med Saturn slik de større månene gjør. Phoebe var den første av denne typen som ble funnet, og bruker over ett år på å gå i bane rundt Saturn i en retrograd bane. I løpet av det tidlige 20. århundre førte utforskning av Titan i 1944 til bekreftelsen på at den hadde en tykk atmosfære – en unik egenskap blant månene i solsystemet.

Pioneer 11

I september 1979 passerte Pioneer 11 20 000 km over Saturns skytopper. Den tok bilder av planeten og noen av månene, men oppløsningen var for lav til å skjelne overflatedetaljer. Romsonden studerte også ringsystemet, og avslørte den tynne F-ringen og det faktum at de mørke gapene er lyse når de ses ved høy fasevinkel (mot solen). Det vil si at de inneholder fint lysspredende materialer. Pioneer 11 utførte også temperaturmålinger av Titan.

Voyager

I november 1980 besøkte Voyager 1-sonden Saturn-systemet. Den sendte tilbake de første høyoppløste bildene av planeten, sammen med bilder av ringene og måner. Formasjoner på overflaten til forskjellige måner ble dermed sett for første gang. En nærpassering av Titan bidro til økt kunnskap om månens atmosfære. Den beviste at Titans atmosfære er ugjennomtrengelig i synlige bølgelengder, så ingen overflatedetaljer ble sett. Forbipasseringen endret banen ut av solsystemets plan.
I august 1981 tok Voyager 2 flere nærbilder av månene, og samlet beviser for endringer i atmosfæren og ringene. Dessverre satte sondens vendbare kamera seg fast i to dager under forbiflyvningen, så noen planlagte bilder gikk tapt. Saturns gravitasjon ble brukt for å rette sondens bane mot Uranus.
Sondene oppdaget og bekreftet flere nye måner i bane nær eller innenfor ringene, i tillegg til det lille Maxwell-gapet innenfor C-ringen og det 42 km brede Keeler-gapet i A-ringen.

Cassini–Huygens

1. juli 2004 utførte Cassini-romsonden en SOI-manøver (Saturn Orbit Insertion) og gikk inn i bane rundt planeten. Før SOI hadde Cassini allerede studert systemet utstrakt. I juni 2004 hadde den utført en nærpassering av Phoebe, og sendte tilbake høyoppløste bilder og data.
Under forbipasseringen av Titan, tok Cassini radarbilder av store innsjøer med tilhørende kystlinjer med en rekke øyer og fjell. Banesonden passerte Titan to ganger før den frigjorde Huygens-sonden 25. desember 2004. Huygens steg ned til Titans overflate 14. januar 2005, og returnerte en strøm av data under nedstigningen gjennom atmosfæren og etter landing. Cassini har siden gjennomført flere forbiflyvninger av Titan og andre ismåner.
Siden tidlig 2005 har forskere sporet lyn på Saturn. Kraften til lynene er omtrent 1 000 ganger så høy som de på jorden.
I 2006 rapporterte NASA at Cassini hadde funnet bevis for flytende vannreservoarer som brøt ut i geysirer på Saturn-månen Enceladus. Jetstråler av ispartikler ble slynget ut i bane rundt Saturn fra ventiler på månens sørlige polregioner. Ifølge Andrew Ingersoll ved California Institute of Technology «har andre måner i solsystemet hav av flytende vann dekket av kilometere med isskorper. Det som er forskjellen her, er at lommene med flytende vann kanskje ikke er stort mer enn noen titalls meter under overflaten». I mai 2011 rapporterte NASA-forskere ved en Enceladus Focus Group-konferanse at Enceladus «fremstår som det mest beboelige stedet for liv i solsystemet utenfor jorden slik vi kjenner det».
Cassini avslørte enda en planetring utenfor den lyse hovedringen og på innsiden av G- og E-ringene. Den antas å være dannet av en meteoroidekollisjon med to måner. I juli 2006 ga Cassini-bilder bevis for hydrokarbonsjøer nær Titans nordpol. Dette ble bekreftet i januar 2007. I mars 2007 avslørte ytterligere bilder fra nær Titans nordpol «hav» av hydrokarboner, og det største var nesten på størrelsen med Det kaspiske hav. I oktober 2006 oppdaget sonden en syklonlignende storm med diameter på 8 000 km og et stormøye nær Saturns sørpol.
Fra 2004 til november 2009 oppdaget og bekreftet sonden åtte nye måner. Hovedoppdraget ble avsluttet i 2008 etter 74 omløp rundt planeten. Oppdraget ble utvidet til september 2010 og deretter til 2017 for å studere en full periode med Saturns årstider.

Observasjon

Saturn er den fjerneste av de fem planetene som er synlige for det blotte øye; de andre fire er Merkur, Venus, Mars og Jupiter (Uranus og noen ganger 4 Vesta er synlige for det blotte øye ved svært mørk himmel). Med det blotte øye fremstår Saturn som et lyst, gulaktig punkt med lys med en tilsynelatende størrelsesklasse mellom +1 og 0. Det tar omtrent 29½ år å fullføre en komplett runde rundt ekliptikken mot bakgrunnsstjernebildene i Dyrekretsen. De fleste trenger optisk hjelp (store kikkerter eller et teleskop) med minst 20x forstørrelse for å tydelig kunne skille Saturns ringer.
Selv om den er et givende mål for observasjoner det meste av tiden den er synlig på himmelen, sees Saturn og ringene best når planeten er ved eller nær opposisjon (når planeten har en elongasjon på 180° og dermed står på motsatt side av solen på himmelen). Under opposisjonen 17. desember 2002 fremstod Saturn på sitt mest lyssterke på grunn av en gunstig orientering av ringene i forhold til jorden, selv om Saturn var nærmere jorden og solen sent i 2003.