Saturn je šiesta planéta Slnečnej sústavy v poradí od Slnka, po Jupiteri druhá najväčšia z planét. Je známa i z prehistorického obdobia. Pomenovaný bol podľa rímskeho boha Saturna, ktorý je obdobou gréckeho Krona. Astronomický symbol pre Saturn je ♄.
Saturn patrí medzi joviálne planéty, to znamená, že nemá pevný povrch, ale len hustú atmosféru, ktorá postupne prechádza do plášťa. Atmosféra je tvorená prevažne vodíkom, ktorý tvorí 96,3 % jej objemu. Viditeľný povrch planéty tvorí svetložltá vrstva mrakov s nejasnými pásmi rôznych odtieňov, ktoré sú rovnobežné s rovníkom. Teplota v hornej oblačnej vrstve dosahuje -140 °C. Objem planéty je 764-krát väčší ako objem Zeme, má však zo všetkých planét najmenšiu hustotu: len 0,6873 g/cm³ a ako jediná planéta v slnečnej sústave je ľahší než voda. Saturn je známy najmohutnejšou sústavou prstencov zo všetkých planét slnečnej sústavy. Jeho hlavné prstence, ktoré sú označené veľkými písmenami možno pozorovať zo Zeme už aj malým ďalekohľadom. Okolo planéty obieha tiež početná rodina mesiacov, z ktorých najväčší je Titan, jediný mesiac v slnečnej sústave s hustou atmosférou.
Jeden obeh Saturna okolo Slnka trvá 29,46 pozemského roka. Je ľahko pozorovateľný voľným okom ako žltý neblikajúci objekt jasnosťou porovnateľný s najjasnejšími hviezdami. Od ekliptiky sa nikdy nevzdiali na väčšiu uhlovú vzdialenosť ako 2,5°. Prechod jedným zvieratníkovým znamením mu trvá viac než dva roky.
Vďaka nízkej hustote a veľkej rýchlosti rotácie je najvýraznejšie sploštenou planétou. Jeho rovníkový priemer je asi o 10 % väčší ako polárny priemer (rovníkový priemer je 120 660 km, polárny priemer je 98 000 km). Možným vysvetlením tohto javu je rýchla rotácia a skôr tekutá ako pevná fáza vodíka v jadre, ktorá sa pôsobením vnútorných tlakov nezmení až do teploty 6 727°C. (7 000 K).[2] Podobne ako Jupiter, aj Saturn vyžaruje väčšie množstvo energie, ako dostáva od Slnka.Vďaka nízkej hustote a veľkej rýchlosti rotácie je najvýraznejšie sploštenou planétou. Jeho rovníkový priemer je asi o 10 % väčší ako polárny priemer (rovníkový priemer je 120 660 km, polárny priemer je 98 000 km). Možným vysvetlením tohto javu je rýchla rotácia a skôr tekutá ako pevná fáza vodíka v jadre, ktorá sa pôsobením vnútorných tlakov nezmení až do teploty 6 727°C. (7 000 K).[2] Podobne ako Jupiter, aj Saturn vyžaruje väčšie množstvo energie, ako dostáva od Slnka.
Saturn obieha Slnko v strednej vzdialenosti 1 426,9 milióna km, čo je približne dvojnásobok vzdialenosti Jupitera od Slnka a takmer desaťnásobok vzdialenosti Zeme od Slnka. Odklon jeho osi od kolmice na ekliptiku je 26,7°, zhruba o 4 stupne viac, ako sklon Zeme. Sklon osi rotácie voči obežnej dráhe má veľký význam z hľadiska viditeľnosti Saturnovho prstenca. Dráha Saturna je eliptická, blízka kruhovej. Jeho obežná rýchlosť je 9,66 km/s (34 703 km/h), vďaka čomu je treťou najpomalšie obiehajúcou planétou (po Uráne a Neptúne).
Jedna otočka Saturna okolo svojej osi trvá 10,66 hodín, čím sa radí medzi planéty s najkratším dňom. Rýchlejšiu rotáciu má už len Jupiter. Rotácia je diferenciálna a jej rýchlosť klesá od rovníka smerom k pólom. Na 57° šírky trvá jedna otočka okolo osi 11 hodín 7,5 minút.
Predpokladá sa, že Saturn vznikal rovnakým procesom ako Jupiter v protoplanetárnom disku pred 4,6 až 4,7 miliardami rokov. Existujú dve hlavné teórie, ako sa mohli veľké plynné planéty sformovať: Teória akrécie[4] a teória gravitačného kolapsu[5]. Teória akrécie hovorí, že v protoplanetárnom disku sa postupne zliepali prachové častice do čoraz väčších celkov, až sa nabalili do veľkosti niekoľko tisíc kilometrov. Tieto železnokamenné zárodky planét sa tvorili aj v miestach obrích planét a je možné, že k ich vzniku došlo ešte skôr než k vzniku zárodkov terestrických planét. Pretože mali veľkú gravitáciu, začali strhávať zo svojho okolia plyn a prach, ktorý sa postupne nabaľoval na pevné jadrá, až dorástli do dnešnej veľkosti.[6] Najpodrobnejšie výpočty ukazujú, že Saturn sa sformoval o niečo bližšie k Slnku, vo vzdialenosti asi 7,3 AU. Vplyvom gravitačných porúch Jupitera sa postupne vzdialil (migroval) na dnešných 9,5 AU.[7]
Úniková rýchlosť 35,49 km/s ďaleko prevyšuje tepelnú rýchlosť molekúl, preto si Saturn ponechal pôvodné zloženie atmosféry, ktoré nadobudol už pri svojom vzniku z protoplanetárneho disku.[8]
Podľa teórie gravitačného kolapsu veľké planéty nevznikli postupným zliepaním, ale pomerne rýchlym zmrštením sa zhluku v zárodočnom disku podobným spôsobom, akým vznikajú hviezdy. Podľa teórie niekoľkých gravitačných kolapsov, ktorej autorom je Alan Boss z Carnegie Institution of Washington[5] bol vznik joviálnych planét krátky proces a v prípade Saturna trval len niekoľko storočí.
Vznik veľkých Saturnových mesiacov prebiehal pravdepodobne rovnakým spôsobom, ako vznik kamenných planét. Keďže Saturn je od Slnka dosť vzdialený, podľa modelových výpočtov v nijakej fáze jeho vzniku teplota nestúpla na také vysoké hodnoty, ako teplota Jupitera. Následkom toho sa ani ľahko taviteľné látky z pôvodného disku okolo vznikajúcej planéty nemohli vypariť. Preto je podstatnou zložkou jeho mesiacov ľad a voda vo forme ľadu sa mohla uchovať aj u najbližšie obiehajúcich mesiacov[9]. Menšie a retrográdne obiehajúce mesiace môžu byť zachytenými planetezimálami.
Magnetické pole Saturna objavila sonda Pioneer 11 v roku 1979.[10] Má oveľa menšiu intenzitu, ako magnetické pole Jupitera a je najslabšie zo všetkých magnetických polí plynných obrov. Na rovníku má hodnotu 21 μT[11] a je len o málo silnejšie, než magnetické pole Zeme. Má však v porovnaní so Zemou výraznejší dvojpólový charakter a magnetická os je takmer rovnobežná s rotačnou osou. Orientácia magnetického poľa je rovnaká ako u Jupitera. Magnetické pole je generované pravdepodobne hydromagnetickým dynamom, ktoré je o niečo hlbšie pod povrchom ako u Jupitera. Magnetosféra siaha ďaleko do priestoru (na strane privrátenej k Slnku do vzdialenosti 1,5 milióna km, na odvrátenej strane je natiahnutá do chvosta s neznámou dĺžkou) a pohybujú sa v nej všetky väčšie mesiace aj častice prstencov. Tvar magnetosféry pravdepodobne súvisí s prítomnosťou prstencov. Magnetosféra, resp. nabité častice v nej, obiehajú planétu podobnou rýchlosťou, akou ona rotuje okolo svojej osi. V oblasti dráhy Titanu je to až 193 km/s, takže častice mesiac pri jeho obehu dokonca predbiehajú.[3] Atómy vodíka v prstenci však nie sú ionizované a preto sa nezúčastňujú pohybu častíc magnetosféry.
Vďaka existencii magnetosféry sa v prítomnosti pólov príležitostne vyskytujú polárne žiary, ktoré sú viditeľné v ultrafialovej časti spektra. V optickej oblasti spektra zatiaľ neboli pozorované, čo môže súvisieť s tým, že sú slabšie ako u Jupitera a ich pozorovanie ruší odrazené a rozptýlené svetlo na prstencoch. Siahajú až do výšky 1 600 km nad oblačnú vrstvu.[12] Chemici sa domnievajú, že energia polárnych žiar napomáha vzniku zložitých uhľovodíkov, ktoré potom spôsobujú rôznofarebné odtiene. Sledovaním zmenšovania sa a zväčšovania sa polárnej žiary môžu astronómovia na diaľku sledovať atmosféru planéty a jej magnetické pole. Novšie štúdie polárnej žiary opierajúce sa o pozorovania sondou Cassini a Hubbleovým ďalekohľadom ukázali, že polárna žiara Saturna je odlišná od polárnych žiar iných planét. Polárny prstenec často nie je spojený (má tvar neúplného kruhu) a udrží sa dlhšie ako na Zemi.[13] Výskyt polárnych žiar v stredných šírkach na osvetlenej pologuli je zatiaľ nevysvetlený.
Z prítomnosti magnetosféry logicky vyplýva prítomnosť radiačných pásov planéty, čiže oblastí okolo rovníka, v ktorých sa zachytávajú častice slnečného vetra. Žiarenie z radiačných pásov je také slabé, že na rozdiel od žiarenia z pásov Jupitera nie je merateľné zo Zeme.[11] V blízkosti prstencov a mesiacov radiačné pásy nie sú spojité, pretože ich častice dokonale pohlcujú elektricky nabité častice slnečného vetra.[3] Najmenšie čiastočky prstenca však po zrážke s nabitou časticou radiačného pásu opúšťajú prstenec a pridávajú sa k stacionárne rotujúcim časticiam magnetosféry
Atmosféra Saturna pozostáva takmer výlučne z vodíka a hélia. Najväčšie zastúpenie má molekulárny vodík (89 %), nasleduje hélium (11 %). Malý obsah hélia sa vysvetľuje tým, že ťažšie hélium klesá cez vodíkovú vrstvu bližšie k jadru. V jej horných vrstvách sa nachádza aj kryštalický amoniak. Okrem toho atmosféra obsahuje aj malé množstvo metánu a ďalšie uhľovodíky.[12] Keďže atmosféra Saturna je chladnejšia ako atmosféra Jupitera, nachádzajú sa v nej komplexnejšie molekuly ako v Jupiterovej atmosfére. Sú to napríklad etán a iné deriváty metánu.[14]
Ionosféra, extrémne riedka ionizovaná vrstva atmosféry Saturna, siaha až po prstenec C. Najvrchnejšia vrstva atmosféry absorbuje ultrafialové žiarenie, čo vedie k vzniku hmlistého oparu. Hmla vzniká na pologuli, ktorá je práve priklonená k Slnku. V horným mrakoch dosahuje teplota približne -140 °C (133 K). S hĺbkou postupne rastie, čo ovplyvňuje skupenstvo rôznych chemických zlúčenín v atmosfére a má za následok vznik mrakov rôzneho zloženia v rôznych výškových hladinách. Najvyššiu vrstvu tvoria kryštáliky čpavkového ľadu. Pod nimi sa nachádza vrstva mrakov zo siričitanu amónneho. Predpokladá sa, že najnižšiu vrstvu tvoria mraky z vodného ľadu. K jadru planéty padajú kvapky héliového dažďa. Premena ich pohybovej energie na tepelnú má za následok, že Saturn vyžaruje približne dvojnásobné množstvo energie, aké dostáva od Slnka.[15]
Pohľad zo sondy Cassini na severnú pologuľu Saturna, kde je zreteľná modrá farba planéty spôsobená rozptylom slnečného svetla v horných vrstvách atmosféry. Tmavé pruhy sú tiene prstencov, mesiac na okraji fotografie je Mimas.
Vyžarovaniu energie do okolia pravdepodobne pomáha ešte aj iný mechanizmus, gravitačný kolaps, (tzv. Kelvinov-Helmhotzov mechanizmus), podobne, ako v prípade Jupitera.[16] Najchladnejšou časťou atmosféry sú póly, ale Voyagery prekvapivo namerali nízke teploty aj v strede rovníkového pásu.
Žltá farba planéty je spôsobená odrazom slnečného svetla od vrchných mrakov. Na podrobných záberoch zo sondy Cassini sa však atmosféra zobrazuje ako modrá. Bob West z Jet propulsion laboratory, člen zobrazovacieho tímu Cassini, prehlásil: „Boli sme veľmi prekvapení. Saturn by mal byť žltý.“[17] Pri pozorovaní z nižších vrstiev atmosféry by sa obloha Saturnu javila ako modrá. Modrá farba je pravdepodobne spôsobená rozptylom slnečného svetla, tzv. Rayleighovým rozptylom na molekulách atmosféry podobne ako v prípade Zeme. Zatiaľ čo v prípade Zeme sa svetlo rozptyľuje na molekulárnom dusíku a kyslíku, v atmosfére Saturna sa rozptyľuje na molekulárnom vodíku. Stále však zostáva nejasné, prečo je severnejšia pologuľa oveľa výraznejšie modrá než južná. Podľa jednej hypotézy je to spôsobené tým, že južná pologuľa obsahuje oveľa viac mrakov, ktoré sa podieľajú na žltej farbe planéty.[17]
V Saturnovej atmosfére vanú vetry rýchlosťami až 480 m/s, v zóne okolo rovníka, v porovnaní so 150 m/s na Jupiteri. Vo väčších výškach rýchlosť prúdenia vetrov neprekročí 160 m/s. Prevažná časť vetrov veje východným smerom a predbieha rotáciu jadra. V západnom smere vanú len slabšie vetry v severných šírkach. Vetry sa prejavujú pohybom mrakov a vytváraním tmavších pásiem oblakov rovnobežných s rovníkom a svetlejších pásiem medzi nimi. V dôsledku metánového zákalu vo veľkých výškach však nie sú také kontrastné, ako na Jupiteri.[8]
Polárne sploštenie spôsobilo vznik striedavo svetlejších a tmavších pruhov v atmosfére, ktoré obiehajú rovnobežne s rovníkom. Rôzne sfarbenie pruhov je spôsobené rozdielmi v ich chemickom zložení a rozdielnou hrúbkou oblačnosti. Atmosférické pásy sú menej výrazné ako u Jupitera a v oblasti rovníka sú tiež širšie.[18] Podľa iného zdroja sú pásy naopak tenšie a majú zložitejšiu, i keď nevýraznejšiu štruktúru ako pásy Jupitera.[3]
Výraznými atmosférickými útvarmi sú svetlé škvrny podobné tlakovým nížam na Zemi, ale tiež sú omnoho väčšie. Utvárajú ich konvektívne prúdy v atmosfére Saturna. Rýchlo menia tvar a po čase miznú. Biele škvrny sú pravdepodobne veľké výbuchy plynov zvnútra planéty. Ďalšie prejavy konvekcie sú vlnové reťazce.[14]
V decembri roku 1994 objavil Hubbleov vesmírny ďalekohľad biely búrkový vír v tvare klinu, jeden z najväčších pozorovaných búrkových útvarov v atmosfére Saturna. Búrka sa nachádzala tesne nad jeho rovníkom a spôsoboval ju prúd prehriateho vzduchu stúpajúceho z nižších vrstiev atmosféry. Novšie snímky zobrazili jej pohyb a detailné zmeny prebiehajúce v útvare. Biele búrkové mraky boli vytvorené z kryštálikov amoniaku.[19]
Južný polárny vír na Saturne
V júli až septembri 2004 vedci pozorovali intenzívne rádiové emisie z útvaru, ktorý dostal meno Dračia búrka. Generátorom rádiového žiarenia boli silné výboje statickej energie. Tento gigantický hurikán bol poháňaný energiou, ktorú produkovali dynamické procesy v hlbších vrstvách atmosféry. Dračia búrka sa nachádza v páse nazývanom Alej búrok.[13]
4. februára 2004 objavili Glenn S. Orton a Padma Yanamandra-Fisherová pomocou prístroja Long Wavelength Spectrometer na Keckovom observatóriu žeravý polárny vír - prvý prípad žeravej polárnej čiapočky v slnečnej sústave. Ide o najteplejšie miesto na planéte.[20] Polárne víry na Zemi, Jupiteri, Marse a Venuši sú chladnejšie než ich okolie, polárny vír v južných šírkach Saturna je však oveľa teplejší než okolie.[21] Neobvyklá je celá teplejšia kompaktná oblasť na póle planéty. Na Zemi je tento efekt len veľmi krátkodobý, avšak na Saturne sa jedná o dlhodobý jav. Z pozorovaní sa zistilo, že teplota výrazne stúpa na 70° južnej šírky a opäť na 87°. Toto náhle zvýšenie teploty bude pravdepodobne spôsobovať koncentrácia častíc v okolí južného pólu, ktoré absorbujú slnečné svetlo a teplo.[20]
Animácia rotácie polárneho šesťuholníka
Okolo severného pólu Saturna obieha záhadná štruktúra v tvare šesťuholníka (angl. hexagonal cloud). Nasnímali ju už sondy Voyager 1 a 2, podrobnejšie snímky prišli zo sondy Cassini. Z časovo veľmi vzdialených pozorovaní vyplýva, že šesťuholník s priemerom 25 000 km je stabilný. Jeho strany a uhly sú pravidelné. Tento útvar do istej miery pripomína atmosférické krútňavy nad zemskými pólmi, planétológov však zaráža, že nemá okrúhly tvar. Šesťuholník je vnorený 100 km do atmosféry a zachováva si svoj tvar minimálne do 75 km hĺbky. V súčasnosti je tento útvar zahalený do tmy polárnej noci, preto ho sonda Cassini neskúma opticky, ale infračerveným mapovacím spektrometrom.[22]
Na Saturne nastáva leto, keď je naklonený k Slnku tak, že je Slnko v rovine s prstencami Saturnu a lúče dopadajú na povrch pod menším uhlom ako v zime. Tieto dve ročné obdobia sa na Saturne striedajú približne raz za 15 rokov. Na planéte sa však ročné obdobia nijako neprejavujú, čo je spôsobené vplyvom atmosféry a pôsobením vnútra Saturnu.[2] Vo výskyte mohutných búrkových útvraov sa však prejavuje istá periodicita. Medzi výskytom troch najväčších doteraz pozorovaných útvarov uplynulo vždy približne 57 rokov, čo sú 2 obehy Saturna okolo Slnka. Pozorovaní je však zatiaľ príliš málo na to, aby mohli vedci tvrdiť, že výskyt veľkých búrok je pravidelný a súvisí s príchodom leta na severnej pologuli planéty.[19]
So vzrastajúcou hĺbkou teplota aj tlak vo vnútri Saturna rastie. Medzi atmosférou, povrchom, plášťom a jadrom nie sú zreteľné hranice. Už 500 km pod vrcholkami mrakov vodík prechádza do kvapalného skupenstva a vytvára globálny oceán vodíka. Bližšie ku stredu planéty nadobúda čoraz viac vlastností kovu. Asi 25 000-33 000 km[23] pod vrchnými mrakmi začína vrstva tekutého kovového vodíka, ktorá má hrúbku približne 20 000 km. Kovový vodík je tekutá molekulárna látka so zvláštnymi vlastnosťami, medzi ktoré patrí aj dobrá elektrická vodivosť. V tomto rozsiahlom objeme kovového vodíka sa vytvára magnetické pole. Jadro planéty má priemer pod 20 000 km a tvorí ho pravdepodobne nielen skalnatý materiál, ale aj ľad.[14] Teplota vo vnútri jadra je podľa odhadov 12 000 °C. Jadro je asi 2,5-krát väčšie ako Zem, a jeho hmotnosť je 25-násobkom hmotnosti Zeme.
Saturn má k 22. augustu 2008 pomenovaných 52 mesiacov. Okrem nich evidujeme 8 ďalších satelitov s provizornými označeniami. Pred letmi Voyagerov ich bolo známych iba 9. Najbližší objavený mesiac Saturna Pan obieha vo vzdialenosti 133 583 km od planéty, najvzdialenejší pomenovaný Ymir vo vzdialenosti 23 100 000 km. Len 4, prípadne 6 najväčších z nich má guľatý tvar, ostatné sú nepravidelné. So zdokonaľovaním prístrojov a pozorovacích techník počet známych mesiacov neustále pribúda. Počas posledných 20 rokov sa viac ako zdvojnásobil.[14]
Najväčším, najznámejším a prvým objaveným mesiacom Saturna je Titan. Jeho polomer je 2 575 km,čo je viac, ako polomer Merkúra a je obklopený vlastnou veľmi hustou atmosférou zloženou hlavne z molekulárneho dusíka a metánu. Po Ganymede je to druhý najväčší mesiac slnečnej sústavy. Jeho povrch je pevný, ale na jeho povrchu je už potvrdené minimálne jedno jazero z tekutých uhľovodíkov. Povrchové teploty na Titane dosahujú asi -178 °C a tlak 160 kPa.[12] Titan bol prvým mesiacom, mimo nášho Mesiaca, na ktorého povrchu pristála sonda - Huygens.
Druhý najväčší mesiac Saturna je Rhea a najväčší známy mesiac bez atmosféry. Skladá sa zo zmesi vodného ľadu a kremičitanov. Je možné, že má malé kamenné jadro. Spolu s mesiacom Japetus sú viditeľné aj malými ďalekohľadmi. Japetus je zvláštny tým, že má jednu pologuľu svetlú a druhú tmavú. Podobný zvláštny jav vykazuje aj ďalší veľký mesiac Dione, u ktorého je odrazivosť pologule v smere jeho pohybu až o 30-40 % väčšia ako odrazivosť opačnej pologule. Na povrchu mesiaca Mimas sa nachádza obrovský kráter Herschel, ktorý sa radí k najväčším impaktným kráterom v pomere k veľkosti telesa.
Enceladus s priemerom 512 km má najväčšie albedo zo všetkých mesiacov slnečnej sústavy. Je to mesiac so sopečnou aktivitou, pričom sopky namiesto magmy chrlia vodu. Teplo potrebné na vulkanizmus mu dodávajú slapové sily okolitých mesiacov a Saturna. Okolo mesiaca je tiež veľmi riedka atmosféra. Pozoruhodný mesiac je tiež Tethys, ktorý zdieľa dráhu s ďalšími dvoma malými mesiacmi Telesto a Calypso. Tieto mesiačiky obiehajú v libračných bodoch Tethysu, v 60° vzdialenostiach od neho. Podobne aj mesiace Helene a Dione majú spoločnú obežnú dráhu. Dvojica mesiacov Prometeus a Pandora obieha z opačných strán prstenca F a ich gravitačné pôsobenie udržuje častice v prstenci, preto sa im hovorí aj „pastierske mesiace“.