यूके में नॉर्थम्ब्रिया विश्वविद्यालय की एक शोध टीम ने दशकों से ग्रह विज्ञान समुदाय को परेशान करने वाली समस्या का मुख्य उत्तर देने के लिए सबसे उन्नत जेम्स वेब स्पेस टेलीस्कोप (जेडब्ल्यूएसटी) का उपयोग किया: विभिन्न माप विधियों के आधार पर शनि की घूर्णन गति "बदलती" क्यों दिखाई देती है?
"जर्नल ऑफ जियोफिजिकल रिसर्च: स्पेस फिजिक्स" में प्रकाशित नवीनतम शोध ने पहली बार शनि के अरोरा में तापमान और आवेशित कण वितरण की विस्तृत छवियों को मैप किया है, जिससे पता चलता है कि यह घटना शनि के अरोरा द्वारा संचालित निरंतर आत्मनिर्भर प्रतिक्रिया प्रणाली से उत्पन्न होती है, इस प्रकार अवलोकन डेटा में "रोटेशन दर परिवर्तन" का भ्रम पैदा होता है।
शनि के असामान्य व्यवहार ने दशकों से खगोलविदों को हैरान कर दिया है। 2004 के आसपास कैसिनी अंतरिक्ष यान द्वारा दर्शाए गए डिटेक्टरों द्वारा प्राप्त आंकड़ों से पता चला है कि शनि की घूर्णन अवधि समय के साथ बदलती दिखती है। यह परिणाम पारंपरिक भौतिक समझ के साथ संघर्ष करता है - ग्रह का समग्र घूर्णन लंबे समय के पैमाने पर स्थिर रहना चाहिए। 2021 में, नॉर्थम्ब्रिया विश्वविद्यालय में ग्रहीय खगोल विज्ञान के प्रोफेसर टॉम स्टेलार्ड के नेतृत्व में एक अध्ययन ने एक महत्वपूर्ण सुराग दिया: जो वास्तव में बदलता है वह ग्रह की घूर्णन गति नहीं है, बल्कि ऊपरी वायुमंडल में उच्च गति वाला पवन क्षेत्र है। ये हवाएँ ऊपरी वायुमंडल में धाराएँ उत्पन्न करती हैं, जो बदले में ऑरोरल संकेतों को प्रभावित करती हैं, जिससे ऑरोरल विद्युत चुम्बकीय तरंगों पर आधारित "रोटेशन माप" बदलता हुआ प्रतीत होता है।
हालाँकि, यह स्पष्टीकरण स्वयं नए प्रश्न उठाता है: यदि उच्च ऊंचाई वाली हवाएं धाराओं को चलाती हैं, तो ये हवाएं "प्रज्वलित" कैसे होती हैं और पहले स्थान पर कैसे टिकी रहती हैं?
नवीनतम JWST अवलोकन पहेली का एक लुप्त भाग प्रदान करते हैं। स्टेलार्ड की टीम ने शनि के उत्तरी ध्रुव पर अरोरा क्षेत्र की लगातार निगरानी करने के लिए JWST का उपयोग करने के लिए यूके और अमेरिका में कई संस्थानों के साथ मिलकर काम किया - पृथ्वी पर अरोरा बोरेलिस के समान - एक पूर्ण "शनि दिवस" को कवर किया और अभूतपूर्व स्थानिक और अस्थायी संकल्प के साथ अवलोकन संबंधी डेटा प्राप्त किया। शोधकर्ताओं ने शनि के ऊपरी वायुमंडल में ट्राइहाइड्रोजन केशन (H₃⁺) नामक अणु के अवरक्त विकिरण का विश्लेषण करने पर ध्यान केंद्रित किया। यह अणु तापमान परिवर्तन की एक प्राकृतिक "जांच" है और इसका उपयोग वायुमंडलीय ताप स्थितियों और कण घनत्व वितरण को उलटने के लिए किया जा सकता है।
पिछले भू-आधारित और कक्षीय अवलोकनों ने तापमान को लगभग 50 डिग्री सेल्सियस की अनिश्चितता के साथ मापा है, जो लगभग उसी तापमान में उतार-चढ़ाव के समान है जिसे शोधकर्ता हल करने की कोशिश कर रहे हैं, और इसे केवल ध्रुवीय क्षेत्रों की एक बड़ी श्रृंखला में औसत किया जा सकता है। JWST डेटा परिमाण के क्रम में इस सटीकता में सुधार करता है, जिससे वैज्ञानिकों को पहली बार ऑरोरल क्षेत्र में विस्तृत स्थानीय ताप और शीतलन संरचनाओं को हल करने की अनुमति मिलती है।
अवलोकन एक दशक से भी पहले विकसित संख्यात्मक मॉडल के साथ अच्छे समझौते में थे, लेकिन केवल तभी जब मुख्य ताप स्रोत उस क्षेत्र में सटीक रूप से रखा गया था जहां अरोरा वायुमंडल में डूबते हैं, जहां चार्ज किए गए कण चुंबकीय क्षेत्र रेखाओं के साथ ऊपरी वायुमंडल में "टूट" जाते हैं। इससे पता चलता है कि शनि का उरोरा न केवल एक शानदार ऑप्टिकल दृश्य है, बल्कि एक शक्तिशाली स्थानीय ऊर्जा स्रोत भी है: ऑरोरल कण एक विशिष्ट ऊंचाई सीमा के भीतर ऊर्जा जमा करते हैं और जमा करते हैं, जिससे स्थानीय वायुमंडलीय तापमान बढ़ता है, जिससे उच्च ऊंचाई वाले पवन क्षेत्र चलते हैं। ये हवाएँ ग्रह के मैग्नेटोस्फीयर और वायुमंडल के बीच इंटरफ़ेस क्षेत्र में धाराओं को उत्तेजित करेंगी। बदले में धाराएँ अरोरा के लिए ऊर्जा प्रदान करती हैं, जिससे अरोरा को लंबे समय तक वातावरण को गर्म रखने और गर्म करने की अनुमति मिलती है, जिससे "उरोरा-हीटिंग-विंड-करंट-ऑरोरा" का एक बंद चक्र बनता है।
स्टैलार्ड ने स्पष्ट रूप से इस प्रक्रिया की तुलना "एक ग्रहीय ताप पंप" से की: अरोरा वायुमंडल को गर्म करता है, वायुमंडल हवा को चलाता है, हवा विद्युत प्रवाह उत्पन्न करती है, और विद्युत प्रवाह अरोरा को वापस खिलाती है, और प्रणाली आत्मनिर्भर है और बार-बार संचालित होती है। यह स्थिर रूप से संचालित फीडबैक प्रणाली है जो ऑरोरल इलेक्ट्रोमैग्नेटिक संकेतों के आधार पर गणना की गई "रोटेशन दर" को समय के साथ बहाव का कारण बनती है, जिससे ऐसा लगता है कि शनि का घूर्णन धीरे-धीरे बदल रहा है।
इस शोध का महत्व शनि के "परिवर्तनीय गति घूर्णन" रहस्य को समझाने से कहीं अधिक है। नतीजे बताते हैं कि शनि के वायुमंडल और उसके मैग्नेटोस्फीयर के बीच एक मजबूत युग्मन है: वायुमंडलीय प्रक्रियाएं मैग्नेटोस्फीयर वातावरण को बदलते हुए, वर्तमान और ऊर्जा को बाहर की ओर ले जा सकती हैं, जबकि मैग्नेटोस्फीयर में ऊर्जा और कण फिर से बस सकते हैं, ऊर्जा को वायुमंडल में वापस ले जा सकते हैं। यह दोतरफा ऊर्जा और गति विनिमय तंत्र शनि जैसे असामान्य संकेतों की दीर्घकालिक स्थिरता की कुंजी हो सकता है। इससे यह भी पता चलता है कि मजबूत चुंबकीय क्षेत्र और वायुमंडल वाले अन्य ग्रहों (गैस विशाल ग्रह और यहां तक कि एक्सोप्लैनेट सहित) पर, वायुमंडल-अंतरिक्ष पर्यावरण लिंकेज प्रक्रियाएं भी हो सकती हैं जिन्हें अभी तक पूरी तरह से समझा नहीं गया है।
स्टैलार्ड ने कहा कि यह परिणाम ग्रहों के वायुमंडल को समझने के हमारे तरीके को बदल देता है: यदि किसी ग्रह के वायुमंडल की स्थिति विद्युत धाराओं को बाहर की ओर ले जा सकती है, जिससे आसपास के अंतरिक्ष वातावरण में बदलाव हो सकता है, तो अन्य ग्रहों और यहां तक कि एक्सोप्लैनेट के ऊपरी वायुमंडल और समताप मंडल का अध्ययन करते समय, अब तक की अप्रत्याशित बातचीत की खोज की जा सकती है। प्रासंगिक परिणाम "जर्नल ऑफ जियोफिजिकल रिसर्च: स्पेस फिजिक्स" में "JWST/NIRSpec शनि के परिवर्तनशील मैग्नेटोस्फीयर रोटेशन दर के वायुमंडलीय ड्राइविंग तंत्र का खुलासा करता है" शीर्षक के तहत प्रकाशित किए गए थे। शोध को ब्रिटिश विज्ञान और प्रौद्योगिकी सुविधा परिषद और अन्य संस्थानों द्वारा वित्त पोषित किया गया था।