Jeśli ktoś poprosiłby Cię o narysowanie planety innej niż nasza, prawdopodobnie narysowałbyś Saturna, a to z powodu jego pierścieni. Ale przez większą część historii człowiek nie mógł zobaczyć tych pierścieni. Nie astronomowie starożytnych Indii, Egiptu, Babilonu czy świata islamu. Ani Ptolemeusz czy Greko-romanie, którzy jednak dostrzegli, że Saturn znajduje się dalej od Ziemi niż Merkury czy Wenus. Nie Mikołaj Kopernik, który wykazał, że Ziemia jest tylko kolejną planetą krążącą wokół Słońca. I nawet Tycho Brahe, duński szlachcic i alchemik, który próbował obliczyć średnicę Saturna (znacznie się pomylił).

To Galileo Galilei pierwszy dostrzegł coś tam. Jego prymitywny teleskop dał mu tylko nieco lepszy widok na niebo niż gołe oko, a w 1610 roku wydawało mu się, że widzi dwa nieodkryte ciała flankujące Saturna, po jednym z każdej strony. „Faktem jest, że planeta Saturn nie jest sama jedna” – napisał do doradcy Wielkiego Księcia Toskanii – „ale składa się z trzech”. Jednak dwa lata później, z pierścieniami przechylonymi bezpośrednio w stronę Słońca po krawędzi i w zasadzie niewidocznymi z Ziemi, Galileusz ze zdumieniem stwierdził, że dwaj tajemniczy towarzysze zniknęli. „Co można powiedzieć o tak dziwnej metamorfozie?” zastanawiał się.

Najlepsze umysły XVII wieku wymyśliły wszelkiego rodzaju teorie: Saturn był elipsoidalny, albo otoczony oparami, albo właściwie był sferoidą z dwiema ciemnymi plamami, albo miał koronę, która obracała się razem z planetą. W 1659 roku holenderski astronom Christiaan Huygens po raz pierwszy zasugerował, że Saturn jest otoczony „cienkim, płaskim pierścieniem, nigdzie się nie dotykającym i nachylonym do ekliptyki”. Włosko-francuski astronom Giovanni Cassini poszedł o krok dalej w 1675 roku, gdy zauważył zastanawiającą, wąską, ciemną szczelinę niemal w środku pierścienia. To, co wydawało się być jednym pierścieniem, okazało się być jeszcze bardziej złożone. Astronomowie wiedzą teraz, że ten „pierścień” składa się tak naprawdę z ośmiu głównych pierścieni oraz tysięcy innych pierścieni i podziałów. Niektóre z pierścieni mają pełnoprawne księżyce wędrujące w ich obrębie.

To zajęło Cassini i Huygens ponownie, aby dokonać pierwszych bezpośrednich pomiarów pierścieni. Nie ludzi, ale 4 miliardy dolarów misji NASA Cassini-Huygens, która została uruchomiona w 1997 roku i orbitowała wokół Saturna i jego księżyców do 2017 roku. (Tego lata NASA ogłosiła nową misję, nazwaną Dragonfly, do Tytana, największego księżyca Saturna). Sonda potwierdziła, że pierścienie składają się głównie z kawałków lodu wodnego o rozmiarach od submikroskopijnych cząsteczek do głazów o szerokości kilkudziesięciu stóp. Pozostają one na orbicie wokół Saturna z tego samego powodu, dla którego Księżyc pozostaje na orbicie wokół Ziemi: Ich prędkość jest na tyle duża, że ledwie przeciwdziała grawitacyjnemu przyciąganiu planety, utrzymując je w pewnej odległości. Cząsteczki lodu układają się w kształt pierścienia, ponieważ każda z nich podąża podobną ścieżką orbitalną. Cząsteczki w wewnętrznych pierścieniach poruszają się szybciej niż te w zewnętrznych, ponieważ walczą z silniejszym przyciąganiem grawitacyjnym.

Pierścienie mają tak dużą szerokość, że ich najbardziej zewnętrzny obwód jest większy niż odległość od Ziemi do Księżyca. Są jednak tak cienkie, że podczas równonocy Saturna, kiedy światło słoneczne uderza prosto w pierścienie, znikają one w widoku z Ziemi. Uważa się, że średnia grubość głównych pierścieni wynosi nie więcej niż 30 stóp. Ostatnie badania wykazały, że części pierścienia B – najjaśniejszego ze wszystkich pierścieni – mają grubość zaledwie od trzech do dziesięciu stóp.

Astronomowie od dawna zastanawiali się nad pochodzeniem pierścieni Saturna. Niektórzy uważali, że pojawiły się one, gdy planeta po raz pierwszy połączyła się w całość około 4,5 miliarda lat temu. Inni uważali, że powstały one w wyniku zderzenia księżyców, asteroid, komet lub nawet pozostałości po planetach karłowatych, być może nawet dziesięć milionów lat temu. Ale wydawało się, że nie ma poważnego zainteresowania pytaniem o to, jak długo będą one trwać. Większość pierścieni Saturna leży w tak zwanej granicy Roche’a – odległości, w jakiej satelita może okrążyć duży obiekt bez przewagi siły pływowej planety nad własną grawitacją obiektu i rozerwania go na strzępy. (Pierścienie Saturna, które leżą poza granicą Roche’a pozostają razem dzięki grawitacyjnemu wpływowi innych satelitów, takich jak księżyce). Jeśli pierścienie pozostawały nienaruszone do tej pory, większość ludzi rozumowała, wydawało się mało prawdopodobne, że nagle zaczną się rozpadać.

Wtedy, latem 2012 roku, 26-letni doktorant James O’Donoghue siedział w nijakim laboratorium na Uniwersytecie w Leicester w Anglii. Został przydzielony do badania zórz polarnych Saturna – świetlnych widowisk wokół jego biegunów. Skupił się w szczególności na formie wodoru zwanej H3+, wysoce reaktywnym jonie z trzema protonami i dwoma elektronami. H3+ odgrywa rolę w wielu reakcjach chemicznych, od tworzenia wody i węgla po formowanie się gwiazd. Jak to ujął O’Donoghue, „Za każdym razem, gdy patrzymy na H3+, pomaga nam to odkryć jakąś fajną, szaloną fizykę.”

O’Donoghue lubił pracować do późna, siedząc tam w swoich dżinsach i T-shircie, gdy wszyscy inni poszli już do domu na noc. Od czasu do czasu wstawał, by zrobić sobie kolejną filiżankę herbaty, po czym siadał i wpatrywał się w czarno-białe obrazy spektralne na ekranie, które opisywał jako wyglądające „jak biały szum”.”

Nie planował analizować regionów innych niż bieguny, ponieważ nikt nie spodziewał się, że H3+ robi coś interesującego gdziekolwiek indziej na planecie. Ale dla zabawy, O’Donoghue postanowił przyjrzeć się bliżej innym szerokościom geograficznym, z dala od biegunów. Ku swojemu zaskoczeniu, zobaczył wyraźne pasma H3+ – nie tylko jednolitą jednorodność, której się spodziewał. „Zdziwiony i zdecydowanie nie wierząc jeszcze w wynik,” wspomina O’Donoghue, „spędziłem kilka następnych dni próbując potwierdzić, że wzór pasm był prawdziwy, a nie jakiś błąd w kodowaniu komputerowym.”

Kilka dni później, O’Donoghue był w biurze około północy, kiedy dotarło do niego, że to co widział było prawdziwe. „To nienaturalne doświadczenie siedzieć samotnie w swoim martwym, cichym biurze i nagle poczuć, jak twoje serce zaczyna bić w sposób, który mógłby wyjaśnić tylko sprint, a wszystko przez niewyraźnie wyglądający zestaw punktów danych!” powiedział mi. „Pomyślałem, że może to być jakieś nowe pasmo zorzy, które nigdy wcześniej nie było widziane lub coś zupełnie nowego. To były dwie opcje teraz, i obie były niesamowite.”

O’Donoghue zastanawiał się, czy może to być rodzaj zjawiska pogodowego. Ale to wydawało się mało prawdopodobne, jeśli nie niemożliwe, ponieważ pasma znajdowały się setki mil ponad szczytami chmur Saturna. „Pogoda nie sięga tak wysoko w ten sposób” – powiedział. Najbardziej prawdopodobnym scenariuszem było to, że coś podróżowało z pierścieni do atmosfery. A ponieważ pierścienie składają się głównie z lodu wodnego, oznaczało to, że woda najprawdopodobniej spada na Saturna. Implikacja była zaskakująca: Pewnego dnia, wcześniej niż ktokolwiek się spodziewał, pierścienie mogą zniknąć.

To zajęło O’Donoghue około dziesięciu dni, aby przekonać swojego doradcę, że obserwacje wskazały na coś ważnego. „Nadzwyczajne twierdzenia wymagają nadzwyczajnych dowodów” – powiedział mi O’Donoghue, recytując stare naukowe porzekadło. „A ja byłem żółtodziobem”. Tamta noc w laboratorium w Leicester była więc dopiero początkiem. Przez następne siedem lat świat miał się dowiedzieć, że ten młody, nieznany brytyjski astronom, który trafił do akademickiej nauki po rozpaczliwym dzieciństwie, właśnie dokonał jednego z największych odkryć planetarnych w najnowszej historii.

* *

Poznałem O’Donoghue’a kilka mil za Waszyngtonem, w należącym do NASA Centrum Lotów Kosmicznych Goddard. Pojechaliśmy przez kampus Goddarda do Budynku 34 – znanego również jako Exploration Sciences Building – i usadowiliśmy się w małej sali wykładowej. Na tablicy za nami widniał kolorowy rysunek antropomorficznej planety w goglach ochronnych, a obok niego zastrzeżenie: „Nie w każdej skali”. Obok ktoś napisał: „Wow! Nauka!”

O’Donoghue, obecnie 33-latek, spędził czas obserwując każdą planetę w Układzie Słonecznym – plus Księżyc, gwiazdy, galaktyki i supernowe – ale głównie skupia się na górnych atmosferach Jowisza i Saturna, dwóch gazowych olbrzymów. W porównaniu z bliższymi planetami, Saturn od dawna był nieuchwytny, nawet dla naukowców. „Saturn nie daje wielu wskazówek,” powiedział. Naukowcy wiedzą już całkiem sporo o pokruszonej powierzchni Marsa i atmosferze zdominowanej przez dwutlenek węgla, a także o pyle tlenku żelaza, który nadaje mu czerwonawy kolor. Nawet Jowisz ma swoje prawie anatomicznie wyglądające pasma, plamy i kolory, które pokazują coś o siłach i elementach w pracy; na przykład, jasne strefy Jowisza są zimniejsze niż jego ciemne pasy, a jego Wielka Czerwona Plama jest burzą obracającą się przeciwnie do ruchu wskazówek zegara. Dla kontrastu, mówi O’Donoghue, „Saturn jest znacznie zimniejszy, więc te rzeczy dosłownie zamarzają. Pasiaste struktury, które widać na Jowiszu, na Saturnie znikają. To jest po prostu złoto-żółty kolor.” Zrobił pauzę. „Miło jest powiedzieć 'złoty’.” Dokładniej byłoby nazwać Saturna matowym żółtawo-brązowym.

Gdy O’Donoghue i jego doradca, Tom Stallard, profesor nadzwyczajny astronomii planetarnej w Leicester, zgodzili się, że widzą wyraźne pasma H3+ na sześciu nieoczekiwanych szerokościach geograficznych na Saturnie, następnym krokiem było ustalenie, co je powoduje. Linie pola magnetycznego Saturna dostarczyły wskazówek. Wyobraź sobie ten eksperyment, który zademonstrowała Ci nauczycielka fizyki w liceum. Umieściła ona prostokątny magnes pod arkuszem białego papieru i wysypała na wierzch wiórki żelaza. Wiórki utworzyły dwie linie w kształcie kwiatów, które spływały na siebie w zaokrąglony wzór z każdego końca, lub bieguna magnesu. Jak większość planet, Saturn działa jak gigantyczna wersja tego eksperymentu. Jego linie pola magnetycznego płyną z wnętrza jednej półkuli planety, na zewnątrz w przestrzeń i zaokrąglają się z powrotem do drugiej półkuli.

Linie pola magnetycznego Saturna mają również szczególne dziwactwo: przesuwają się znacznie na północ. Świecące pasma, które zauważył O’Donoghue mapowały się prawie dokładnie do miejsca, gdzie linie pola magnetycznego Saturna przechodziły przez trzy z jego pierścieni, i miały przesunięcie na północ – co oznaczało, że musiały być związane z liniami pola. Najbardziej prawdopodobnym scenariuszem było to, że światło słoneczne, jak również chmury plazmy pochodzące z uderzeń małych meteoroidów, ładowały lodowe cząsteczki pyłu wewnątrz pierścieni, pozwalając polom magnetycznym na ich uchwycenie. Gdy cząsteczki odbijały się i skręcały wzdłuż linii, niektóre z nich zbliżyły się do planety na tyle, że jej grawitacja wciągnęła je do atmosfery.

Choć O’Donoghue nie wiedział wtedy, że lata wcześniej, w 1984 roku, astrofizyk Jack Connerney ukuł termin „deszcz pierścieni”. Korzystając z danych zebranych przez sondy kosmiczne Pioneer i Voyager w latach 1979-1981, Connerney opisał zamglenie cząsteczek w określonych miejscach, sugerując, że materiał spływa z pierścieni. (H3+ nie został jeszcze wykryty w kosmosie.)

Jego pomysł nie zyskał wtedy zbyt dużej popularności. Ale kiedy O’Donoghue i Stallard złożyli swoją pracę do czasopisma Nature w 2013 roku, redaktorzy wysłali manuskrypt do Connerneya, aby uzyskać jego ekspercką opinię. „Dostałem ten artykuł do recenzji od młodego chłopaka. Nie wiedziałem, kim on jest” – powiedział Connerney, gdy spotkałem go w Goddard. Connerney, który do tego czasu spędził lata pracując nad misją Juno na Jowisza i misją Maven na Marsa, powiedział O’Donoghue o swoim zasadniczo zapomnianym artykule.

„Nie słyszeliśmy wcześniej o 'deszczu pierścieniowym'”, powiedział O’Donoghue, wspominając swoje zaskoczenie. „To było pogrzebane od lat 80-tych.”

Kiedy praca O’Donoghue’a została opublikowana w Nature, był on zdumiony tym, jak szybko jego życie się zmieniło. Reporterzy z całego świata bombardowali go prośbami o wywiady. Prestiżowe ośrodki astronomiczne zabiegały o niego. To była całkiem niezła zmiana dla faceta, który zaledwie kilka lat wcześniej pracował w magazynie przy przewożeniu skrzyń, nie wiedząc jeszcze, jak uciec od grawitacyjnego ciążenia w dół, spowodowanego jego ponurym wychowaniem.

* *

„Nie mam jednej z tych normalnych historii, w których patrzyłem przez teleskop, gdy byłem dzieckiem” – powiedział mi O’Donoghue. Zazdrości kolegom, którzy mają tego rodzaju historie – takie, które wyglądają jak historia Jodie Foster w filmie Kontakt. Ciemne niebo, jasny księżyc, inspirujący ojciec, który mówi im, aby dążyli do gwiazd i nigdy się nie poddawali.

Ojciec O’Donoghue’a opuścił jego życie, gdy miał 18 miesięcy i nigdy więcej się z nim nie skontaktował. „Nawet kartki urodzinowej”, powiedział mi O’Donoghue. Do wieku prawie 10 lat mieszkał z matką w Shrewsbury w Anglii, malowniczym mieście nad rzeką Severn, gdzie urodził się Karol Darwin. Na wschodzie leży duże wzgórze, które według niektórych było inspiracją dla Samotnej Góry J.R.R. Tolkiena – legowiska smoka Smauga. Dla młodego Jamesa to nie była bajka. Uzależniony od narkotyków chłopak jego matki stał się agresywny, więc ona i jej syn uciekli do schroniska dla ofiar przemocy domowej w Walii. „Wszyscy, których znałem przed ukończeniem 101/2 roku życia zostali wycięci”, powiedział.

O’Donoghue był daleki od bycia gwiazdą wśród studentów, a fizyka była jego najgorszym przedmiotem. W połowie A-levels – dwuletnich kursów wymaganych do dostania się na brytyjski uniwersytet – rzucił naukę i zapisał się do szkoły zawodowej. Praktykował w fabryce, która budowała płytki obwodów drukowanych do napędów wind. Aby chronić się przed elektrycznością statyczną, czasami musiał pracować w metalowej klatce. „I tak właśnie wyglądałaby moja przyszła kariera” – powiedział. „Zostać w klatce i na zawsze naprawiać płytki drukowane”. Odszedł i podjął pracę w magazynie, rozładowując 40-stopowe kontenery. Pracował w lodówce w mleczarni, a w końcu zamieszkał w małej kawalerce bez ogrzewania i z sufitem, który zapamiętał jako „nielegalnie cienki”.”

W dniu swoich 21 urodzin, O’Donoghue i kilku przyjaciół postanowiło świętować w Aberystwyth, mieście uniwersyteckim na zachodnim wybrzeżu Walii. Był to „tydzień świeżaków”, początek roku szkolnego. „Wszyscy byli tacy przyjaźni” – powiedział. „To był najlepszy czas, jaki miałem w życiu”. Następnego dnia wszedł na stronę internetową, aby dowiedzieć się, jak zapisać się na Uniwersytet Walijski w Aberystwyth. Tak się złożyło, że program w naukach planetarnych i kosmicznych poszukiwał studentów z niekonwencjonalnym pochodzeniem – starszych studentów, takich jak O’Donoghue.

W Aberystwyth, O’Donoghue odkrył, że uwielbia badania, uwielbia patrzeć przez dziesięciocalowe teleskopy na kampusie. Mógł je kontrolować zdalnie ze swojego komputera w domu, kierując je na zacienioną stronę Księżyca, i zostawał do późna, szukając uderzeń meteorów. „Zakochałem się w idei picia herbaty i siedzenia w obserwatorium przez całą noc.”

Znalazł się w tym kilka lat później, gdy został przyjęty na studia astronomiczne w Leicester. Kończąc doktorat, przeniósł się na Uniwersytet Bostoński, gdzie współpracował z Lukiem Moore’em z Centrum Fizyki Kosmicznej. Moore pomógł O’Donoghue’owi ustalić, ile wody tracą pierścienie: od 952 do 6,327 funtów na sekundę. Środek tego zakresu wystarczyłby do napełnienia basenu olimpijskiego co pół godziny.

W 2017 roku O’Donoghue przeniósł się do Maryland, aby pracować w Goddard, dokładnie w czasie, gdy sonda kosmiczna Cassini dokonała pierwszych w historii bezpośrednich pomiarów materiału opuszczającego pierścienie Saturna. Cassini był wyposażony w analizator pyłu kosmicznego, który wykrył lód wodny w obszarze pomiędzy pierścieniami Saturna a atmosferą. Gdy statek kosmiczny przelatywał przez pierścienie z prędkością ponad 75 000 mil na godzinę podczas epickiego wielkiego finału – 22 nurkowania przez szeroką na 1200 mil szczelinę między planetą a jej najbardziej wewnętrznym pierścieniem (pierścień D) – analizator pyłu kosmicznego wykrywał skład, prędkość, rozmiar i kierunek cząsteczek, które wchodziły w kontakt z instrumentem. Hsiang-Wen Hsu, członek zespołu analizatora pyłu kosmicznego Cassini, stwierdził, że ilość wody opuszczającej pierścienie pasuje do liczb O’Donoghue’a i Moore’a. Pierścienie rzeczywiście padały.

Bezpośredni sąsiedzi Saturna – Jowisz, Uran i Neptun – również mają pierścienie, ale są one skarłowaciałe w stosunku do Saturna pod względem średnicy, masy i jasności. „Nie bardzo rozumiemy, dlaczego Saturn ma tak masywny system pierścieni, a inne planety olbrzymie nie” – powiedział Moore. Rzeczywiście, naukowcy zastanawiają się teraz, czy inne planety zewnętrzne, które nie mają dziś olbrzymich pierścieni, mogły je posiadać dawno temu, ale w końcu je utraciły. Ten zupełnie nowy sposób myślenia o ewolucji planet to tylko jedna z bardziej spektakularnych implikacji odkrycia O’Donoghue. Inną jest to, że pierścienie Saturna, najbardziej urzekający element Układu Słonecznego poza Ziemią, mogą mieć nawet dziesięć milionów lat – miliony, a nawet miliardy lat mniej niż wcześniej sądzono. Gdyby najwcześniejsi wspólni przodkowie małp i ludzi byli w stanie spojrzeć na nocne niebo przez nowoczesne teleskopy, mogliby nie zobaczyć pierścieni wokół Saturna.

* * *

W dniu 17 grudnia 2018 roku NASA wydała komunikat prasowy o nowej pracy O’Donoghue’a i Moore’a, włączając dane z Cassini. Z materiałem wartym basenu opuszczającym pierścienie co 30 minut, O’Donoghue i Moore oszacowali, że pierścienie mogą zniknąć za około 300 milionów lat (daj lub weź). Co gorsza, orbiter Cassini odkrył również, że materiał z pierścieni spływał do atmosfery jeszcze szybciej na równiku planety – bardziej w linii prostej, w tempie 22 000 funtów lub więcej na sekundę. To jest wysoki szacunek, ale jeśli to jest stałe uszczuplenie – i to jest niejasne, czy to jest – łącząc szacunki deszczu pierścienia z równikowym odpływem dać pierścienie przyszłej żywotności mniej niż 100 milionów lat.

Przypadkowo, dzień NASA opublikowała komunikat prasowy był również pierwszy dzień Saturnalia, starożytny festiwal, w którym Rzymianie złożyli ofiary w świątyni Saturna. Kilka dni później, O’Donoghue powiedział, zobaczył film na YouTube, już z tysiącami wyświetleń, łącząc deszcz pierścieni Saturna do obcych, broni jądrowej, globalnego ocieplenia, chemtrails i Rothschildów. „To było jak, wow! To szybko eskalowało”, powiedział O’Donoghue. „Przyjrzyj się dobrze Saturnowi zanim będzie za późno”, bezczelnie ostrzegł magazyn Time, „Ponieważ traci on swoje pierścienie.”

O’Donoghue uważa, że rewelacje o pierścieniach są wystarczająco budzące respekt bez uciekania się do hiperboli. Zauważa, że badanie innych planet jest świetnym sposobem na poznanie praw natury, których nie możemy obserwować tak łatwo na Ziemi. „Są one jak laboratoria w kosmosie,” powiedział. „Zrozumienie ekstremalnych interakcji, które zachodzą gdzie indziej, pozwala nam sprawdzić naszą fizykę na tej planecie”. Jeśli do tej pory nie zdawaliśmy sobie sprawy, że pojedynczy najbardziej ikoniczny element w astronomii planetarnej znika, to czego jeszcze nie wiemy o planetach? Co jeszcze nie wiemy o naszych własnych?

Co więcej, praktyczne odkrycia mogą pochodzić z lepszego zrozumienia pól magnetycznych – być może nowe postępy w obrazowaniu opieki zdrowotnej, które wykraczają daleko poza obrazowanie rezonansem magnetycznym, lub rozwój w skali smartfonów lub paneli słonecznych. „To jest po prostu ogromna siatka informacji”, powiedział O’Donoghue. „Nie wiesz jeszcze, jak coś stanie się istotne.”

Wciąż trudno zaprzeczyć, że ludzie są zafascynowani Saturnem z powodów, które nie mają nic wspólnego z praktycznymi odkryciami. „Będę twierdził, że pierścienie Saturna są jedną z najbardziej fantastycznych struktur, jakie można zobaczyć w Układzie Słonecznym,” powiedział Hsiang-Wen Hsu, z zespołu analizatora pyłu kosmicznego. „Podobnie jak w przypadku znalezienia piramidy, wygląda ona tak okazale, tak spektakularnie. Chcesz wiedzieć kto ją zbudował, jak została zbudowana i dlaczego została zbudowana. To samo odnosi się do pierścieni Saturna.”

Na początku tego roku, O’Donoghue i jego żona, Jordyn, przenieśli się do Tokio, aby mógł rozpocząć stypendium w Japan Aerospace Exploration Agency. W wolnym czasie tworzy animowane filmy o astronomii, które mają ponad dwa miliony wyświetleń na YouTube. Pokazują one wszystko, od przechyłów i obrotów planet po rzeczywisty czas potrzebny na przebycie drogi promienia światła od Słońca do każdej planety. Jedna z jego animacji ma pięć i pół godziny długości. Dla O’Donoghue’a samo pobudzenie poczucia „Wow! Nauka!” jest znaczące. „Myślę, że ludzie zawsze byli odkrywcami” – zastanawia się. „Nawet gdyby chodziło tylko o rozrywkę, warto byłoby to zrobić”

.