Saturno: la densità segreta del pianeta con gli anelli e la storia dello spazio profondo

Saturno è il secondo pianeta più grande per massa e dimensioni nel nostro sistema solare. Si trova come il sesto pianeta dal Sole. Ad occhio nudo nel cielo notturno, sembra una stella fissa e non scintillante. Puntatelo però con un piccolo telescopio. Vedrai gli anelli. Sono probabilmente l’oggetto più bello dell’intero sistema solare. Il simbolo di Saturno è ♄.

Perché Saturno gira così lentamente

Il nome deriva dal dio romano dell’agricoltura. Lo identifichiamo con Crono, il Titano greco e padre di Zeus (o Giove nella mitologia romana). Gli antichi osservatori sapevano che Saturno era il pianeta più lontano che potevano vedere. Hanno anche notato che si muoveva più lentamente di qualsiasi altro pianeta. Per completare un’orbita attorno al Sole occorrono circa 29,5 anni terrestri. Questo perché si trova 9,5 volte più lontano dal Sole rispetto alla Terra.

Galileo fu il primo a osservare Saturno con un telescopio nel 1610. Vide qualcosa di strano. La risoluzione era semplicemente troppo bassa per capire cosa stesse effettivamente guardando. Ci sono voluti secoli per comprendere gli anelli.

Il pianeta galleggiante

Saturno è stranamente leggero. Contiene circa il 60% del volume di Giove. Ma ha solo circa un terzo della massa di Giove. La sua densità media è la più bassa di qualsiasi oggetto conosciuto nel sistema solare. Rappresenta circa il 70% di quello dell’acqua.

Ipoteticamente, potresti mettere Saturno in un oceano abbastanza grande da contenerlo. E galleggerebbe. Sia Saturno che Giove sono per lo più costituiti da idrogeno. Questo li fa assomigliare un po’ alle stelle in termini di composizione complessiva. Nel profondo di Saturno, la pressione mantiene l’idrogeno in uno stato metallico fluido. Simile a Giove, ma l’evoluzione di Saturno è totalmente diversa.

Lune e origini

Come Giove, Urano e Nettuno, Saturno ha anelli e molte lune. Questi sistemi potrebbero contenere la chiave per spiegare come si è formato il pianeta. Ci aiutano anche a comprendere il resto del sistema solare.

Prendi Titano. È la luna più grande. Ha un’atmosfera densa. È più denso di quello di qualsiasi pianeta terrestre tranne Venere. Ciò rende Titano unico tra tutte le altre lune.

Come sappiamo ciò che sappiamo

Abbiamo imparato quasi tutto su Saturno dalle sonde dello spazio profondo. Quattro veicoli spaziali hanno visitato il sistema saturniano. Il Pioneer 11 volò nel 1979. Il Voyager 1 e 2 seguirono nei due anni successivi. Poi c’era Cassini-Huygens.

I primi tre furono rapidi sorvoli. Ci hanno regalato delle istantanee. Cassini arrivò nel 2004. Rimase in orbita per anni. Ha studiato tutto. La sua sonda Huygens è andata oltre. Si è paracadutato attraverso l’atmosfera di Titano. È atterrato in superficie. È stata la prima navicella spaziale ad atterrare su una luna diversa da quella terrestre.

Dati astronomici di base

Saturno è lontano da noi. La sua distanza media dal Sole è di 1.427 miliardi di chilometri. Sono 887 milioni di miglia. Il punto più vicino alla Terra è di circa 1,2 miliardi di chilometri. Non lo vediamo mai semiilluminato. L’angolo di fase, ovvero l’angolo tra Saturno, la Terra e il Sole, non supera mai i 6°. Quindi, dal nostro punto di vista, Saturno è sempre quasi completamente illuminato. Per vederlo illuminato di lato o in controluce, devi andare in profondità nello spazio.

Orbita attorno al Sole come gli altri giganti. Movimento Progrado. Piccola eccentricità. Leggera inclinazione rispetto all’eclittica. Ma Saturno è diverso da Giove in un grande senso. Il suo asse di rotazione è inclinato di 26,7° rispetto al suo piano orbitale.

Questa inclinazione crea le stagioni. Quelli lunghi. Ogni stagione dura più di sette anni terrestri. Determina anche il modo in cui vediamo gli anelli. Gli anelli si trovano sul piano equatoriale di Saturno. Dalla Terra, li osserviamo ad angoli di apertura che vanno da zero (di taglio) a quasi 30°. Il ciclo dura 30 anni. Da circa 15 anni vediamo il lato settentrionale illuminato dal sole. Poi il lato meridionale per i successivi 15. Nelle brevi finestre in cui la Terra attraversa il piano degli anelli, gli anelli scompaiono alla vista. Sono quasi invisibili.

Risolvere il mistero della rotazione di Saturno

Capire quanto velocemente gira Saturno era un grattacapo. La sua atmosfera superiore è massiccia. Le nuvole lì tracciano una varietà di periodi. Vicino all’equatore sono circa 10 ore e 10 minuti. A latitudini più elevate, oltre i 40°, rallenta di circa 30 minuti. Oscillazione. Caos.

Gli scienziati hanno cercato di trovare il periodo di rotazione delle profondità interne osservando il campo magnetico. Si presume che il campo sia radicato nel nucleo esterno dell’idrogeno metallico. La misurazione diretta era difficile. Il campo è altamente simmetrico attorno all’asse di rotazione. Difficile da definire.

Durante gli incontri con la Voyager apparvero esplosioni radio. Erano legati a piccole irregolarità nel campo magnetico. Il periodo misurato è stato di 10 ore e 39,4 minuti. Questo è stato considerato il periodo di rotazione.

Venticinque anni dopo, la sonda Cassini misurò nuovamente il campo. Ruotava da 6 a 7 minuti più lentamente. Perché la differenza? Si ritiene che il vento solare sia responsabile di parte di questa deriva.

“Il periodo di rotazione fu misurato con precisione solo quando Cassini volò all’interno degli anelli di Saturno nelle sue orbite finali.”

Cassini si è tuffato sugli anelli. Ha analizzato le onde nel materiale dell’anello e le ha collegate a lievi variazioni nel campo gravitazionale di Saturno. Il risultato? 10 ore, 33 minuti, 38 secondi. Questo è il vero periodo di rotazione dell’interno del pianeta. La differenza tra quel numero e la parte superiore delle nuvole aiuta a stimare la velocità del vento.

Il pianeta più oblato

I pianeti giganti non hanno una superficie solida. Quindi, per convenzione, il raggio e la gravità vengono calcolati al livello in cui la pressione atmosferica è di un bar. A quel livello, il diametro equatoriale di Saturno è di 120.536 chilometri. Il suo diametro polare è di soli 108.728 chilometri.

Questo è il 10% più piccolo. Saturno è il pianeta più oblato del sistema solare. Appiattito ai poli. Puoi vederlo anche con un piccolo telescopio. Ruota leggermente più lentamente di Giove, ma è più oblato. Perché? L’accelerazione rotazionale annulla una frazione maggiore di gravità all’equatore.

La gravità equatoriale è solo il 74% della gravità polare. 896 cm al secondo quadrato all’equatore. 1.214 ai poli.

Saturno è 95 volte più massiccio della Terra. Ma occupa un volume 766 volte maggiore. La sua densità media è di 0,69 grammi per centimetro cubo. Solo circa il 12% della densità della Terra. È appena più denso dell’acqua.

La velocità di fuga all’equatore è di quasi 36 km al secondo. 80.000 miglia orarie. Quella della Terra è di soli 11,2 km al secondo. Questo valore elevato indica che Saturno non ha perso un’atmosfera significativa sin dalla sua formazione. Ha trattenuto tutto.

Dai numeri

I dati dipingono l’immagine di un mondo in costante movimento e flusso.

• Distanza media dal Sole: 1,426 miliardi di km (9,5 UA)
• Eccentricità: 0,054
• Inclinazione rispetto all’eclittica: 2,49°
• Periodo orbitale: 29,45 anni terrestri
• Grandezza visiva all’opposizione: 0,7
• Periodo sinodico: 378,10 giorni terrestri
• Velocità orbitale: 9,6 km/sec
• Raggio equatoriale: 60.268 km
• Raggio polare: 54.364 km
• Massa: 5.683 × 10^26 kg
• Densità media: 0,69 g/cm³
• Gravità equatoriale: 896 cm/sec²
• Gravità polare: 1.214 cm/sec²
• Velocità di fuga equatoriale: 35,5 km/sec
• Velocità di fuga polare: 37,4 km/sec
• Periodo di rotazione (campo magnetico): 10 ore e 39 minuti (Voyager); ~10 ore e 46 minuti (Cassini)
• Inclinazione assiale: 26,7°
• Intensità del campo magnetico: 0,21 gauss
• Lune conosciute: 274
• Sistema di anelli: 3 anelli principali, una miriade di riccioli componenti, diversi anelli meno densi

L’atmosfera di Saturno

Composizione e struttura. Gli strati esterni non hanno una superficie solida. L’atmosfera è il luogo in cui si svolge l’azione. I movimenti delle nuvole variano. Le velocità del vento vengono stimate confrontando la rotazione delle nuvole con la rotazione dell’interno. La differenza è il vento.

Saturno sembra un nebuloso marmo giallo-marrone proveniente dalla Terra. È insipido. Ma questa è una bugia. Il volto che vedi è una maschera complessa di strati di nuvole e caos su piccola scala. Macchie rosse. Vortici bianchi. Bande marroni. Queste caratteristiche cambiano rapidamente. Saturno è fondamentalmente il cugino più tranquillo e meno attivo di Giove.

Fino al settembre 1990.

Poi una massiccia tempesta di colore chiaro scoppiò vicino all’equatore. È cresciuto fino a raggiungere una larghezza di oltre 20.000 chilometri. Si avvolse attorno al pianeta prima di svanire. Lo chiamiamo “Grande Macchia Bianca”. È l’equivalente saturniano della Grande Macchia Rossa di Giove, ma è più raro. Queste tempeste si verificano ogni 30 anni circa. Poiché l’orbita di Saturno dura 29,4 anni, il collegamento è ovvio. I temporali sono stagionali. Seguono l’anno lungo e lento del pianeta.

Cosa c’è dentro il gigante gassoso?

L’atmosfera è composta principalmente da idrogeno molecolare ed elio. Il rapporto non è esatto. L’elio è difficile da misurare direttamente. La migliore ipotesi? Dal 18 al 25% di elio in massa. Il resto è idrogeno e circa il 2% di altra spazzatura.

Questo è strano. Il Sole è composto per il 71% da idrogeno e per il 28% da elio. Saturno ha meno elio rispetto all’idrogeno rispetto alla stella al centro del nostro sistema solare. Perché? Alcune teorie dicono che l’elio è affondato. Si stabilì dagli strati esterni e scese più in profondità nel pianeta.

Compaiono anche altre molecole. Qui il metano e l’ammoniaca sono da due a sette volte più abbondanti che al sole. Sospettiamo che l’idrogeno solforato e l’acqua si trovino nella profondità dell’atmosfera. Non li abbiamo ancora rilevati. Ma abbiamo individuato fosfina, monossido di carbonio e germano provenienti dalla Terra.

Questi non dovrebbero essere lì. In un’atmosfera ricca di idrogeno in equilibrio chimico, svaniscono. La loro presenza significa che provengono dal profondo. Alta pressione. Alta temperatura. Reazioni che avvengono sotto le nuvole visibili. I moti convettivi li trascinano fin dove possiamo vederli.

La presenza di molecole non in equilibrio dimostra che l’interno di Saturno sta attivamente agitando la materia dal suo nucleo caldo e profondo fino alla superficie visibile.

Chimica nella stratosfera

La stratosfera racconta una storia diversa. Acetilene. Etano. Forse propano. Metile acetilene. Questi sono idrocarburi. Non sono creati dal calore profondo. Sono creati dalla luce. La radiazione ultravioletta solare guida le reazioni fotochimiche. Oppure, a latitudini più elevate, il lavoro viene svolto dagli elettroni energetici provenienti dalle fasce di radiazione di Saturno.

Giove ha una configurazione simile. La chimica è coerente tra i giganti gassosi. È una caratteristica di famiglia.

Profili di temperatura e pressione

Gli astronomi hanno misurato la temperatura di Saturno osservando la curvatura della luce stellare e dei segnali radio mentre attraversano l’atmosfera. Ciò accade quando i veicoli spaziali volano o le stelle occultano il pianeta. Abbiamo mappato le temperature da un milionesimo di bar a 1,3 bar.

Sotto 1 millibar, è freddo e costante. 140-150 Kelvin. (da -208 a -190 °F).

Immergiti più a fondo. Nella stratosfera (da 1 a 60 millibar). Le temperature scendono. Hanno toccato il fondo a 82 Kelvin. (-312 °F). Questo è il punto più freddo dell’atmosfera di Saturno.

Vai ancora più in profondità. Le temperature tornano a salire. Questa è la troposfera. Come lo strato più basso della Terra, il calore aumenta con la pressione. È solo compressione del gas. Nessun calore aggiunto o perso. A 1 barra, sono 135 Kelvin. Al di sotto continua a fare più caldo.

I mazzi delle nuvole

Le nuvole che vedi sono la condensazione di composti minori in una zuppa ricca di idrogeno. C’è una foschia in alto, a 20-70 millibar. Questo deriva dalle reazioni fotochimiche. Ma le nubi principali iniziano più in basso. Sotto i 400 millibar.

Il ponte più alto è costituito da cristalli di ammoniaca solidi. Si dissolvono e scompaiono a circa 1,7 bar. Non possiamo vedere direttamente gli strati sottostanti. Li modelliamo.

Sulla base di modelli chimici, lo strato successivo è costituito da cristalli di idrosolfuro di ammonio. A 4,7 bar. Ancora più in profondità, a 10,9 bar, i cristalli di ghiaccio d’acqua si mescolano con goccioline acquose di ammoniaca.

L’ammoniaca pura è bianca. Il ghiaccio d’acqua puro è bianco. Queste nuvole dovrebbero essere invisibili.

Ma Saturno è giallo, marrone e rosso. Perché? Impurità. I sottoprodotti chimici piovono dall’alto. Prodotti fotochimici. Forse le molecole contenenti fosforo agiscono come coloranti. Le nuvole sono macchiate dagli scarichi chimici dell’atmosfera.

Ombre blu e silenzio invernale

Saturno si inclina sul suo asse. Molto. Questa inclinazione cambia tutto. Gli anelli proiettano ombre lunghe e scure sull’emisfero invernale. La luce solare diventa più debole. Le ombre diventano più profonde.

Quando Cassini guardò le strisce soleggiate dell’emisfero settentrionale invernale, vide qualcosa di inaspettato. L’atmosfera era blu. Sorprendentemente chiaro.

Perché? Gli anelli bloccavano la luce del sole. L’assenza di luce solare significa una minore produzione di foschia fotochimica. La chimica è rallentata. Il cielo si schiarì.

Ci ricorda che Saturno non è statico. È un mondo dinamico e in fermento. Stratificato. Stagionale. Chimico. E occasionalmente, ti permette di vedere attraverso la foschia per un momento. Poi ritornano le ombre. La foschia si accumula di nuovo. Ti stai chiedendo cosa si nasconde negli strati più profondi e caldi che non possiamo ancora vedere.

La linea di fuga tra gas e liquidi su Saturno

Non puoi tracciare una linea. Non proprio.

Sulla Terra, la differenza tra un gas e un liquido è netta. L’acqua bolle. Il vapore sale. L’oceano resta fermo. C’è un confine. Saturno non segue queste regole. Anche nelle profondità della sua atmosfera, dove le pressioni sono estreme, le condizioni sono instabili. La temperatura minima è di 82 Kelvin. È semplicemente troppo caldo perché l’idrogeno molecolare possa coesistere come gas e liquido in equilibrio.

Ciò significa che le nuvole superficiali e visibili che vedi nei telescopi non si trovano su un pavimento duro. Non esiste un confine netto. Quaggiù l’idrogeno non si comporta come un semplice gas, né come un liquido convenzionale. Si offusca. Transizione. La troposfera si estende per decine di migliaia di chilometri sotto quelle soffici cime bianche. Diventa più denso. Fa più caldo.

A differenza della Terra, l’atmosfera di Saturno non termina in superficie. Sfuma in uno stato fluido supercritico, diventando costantemente più denso e caldo man mano che si scende in profondità.

Parliamo di pianeti che hanno superfici. Quelli rocciosi. Quelli gassosi. Ma questo è diverso. La pressione sale. La temperatura aumenta. Alla fine, stai osservando migliaia di Kelvin e pressioni superiori a un milione di bar.

Perché è importante? Perché mette in discussione il modo in cui definiamo la struttura di un pianeta. Assumiamo strati. Nucleo solido. Mantello. Atmosfera. La regione dell’idrogeno di Saturno sfida questa segmentazione pulita. È un gradiente. Un continuum. Non atterri su Saturno. Ci affondi. E più vai in profondità, meno “gas” c’è di cui parlare. Solo fluido sempre più denso e surriscaldato.

Allora dov’è il fondo? Non ce n’è uno. Non nel modo in cui lo intendiamo noi. L’atmosfera semplicemente… continua. Finché non colpisci qualunque cosa si trovi sotto. O fino a quando la pressione non trasformerà tutto in qualcosa a cui non abbiamo ancora un nome.

Il clima di Saturno non è solo simile a quello di Giove. È un sistema enorme e distinto. Il pianeta è avvolto da flussi zonali: venti da est-ovest che creano le familiari bande di luce e oscurità. Ma non cercare tempeste ad alto contrasto. Le caratteristiche sono sottili. Le bande sono più larghe vicino all’equatore e la parte superiore delle nuvole ha un contrasto basso. Non puoi semplicemente scattare una foto dalla Terra e vedere molto. Per ottenere i dettagli sono necessari veicoli spaziali.

Misurare il vento

Ecco il problema. Saturno non ha una superficie solida. Allora come si misura la velocità del vento? Hai bisogno di un punto di riferimento. Gli scienziati usano la rotazione del campo magnetico di Saturno come riferimento. Rispetto a quel nucleo magnetico, quasi tutto si sposta verso est. Il senso di rotazione.

La zona equatoriale è dove diventa selvaggio. Al di sotto dei 20° di latitudine si ha un flusso verso est che raggiunge i 470 metri al secondo. Sono 1.700 chilometri orari. Ma non è costante. A volte rallenta di 200 metri al secondo. È una bestia variabile.

Confrontalo con la Terra. I venti più forti e sostenuti in un ciclone tropicale potrebbero colpire i 67 metri al secondo. Il getto equatoriale di Saturno si muove quattro volte più velocemente. Ed è due volte più largo in latitudine. Non è nemmeno vicino.

L’esagono al Polo Nord

Poi c’è l’esagono.

È a 75° Nord. Il primo getto a sud del vortice settentrionale segue questa forma. Le caratteristiche della nuvola si muovono attorno ad essa in senso antiorario a 100 metri al secondo. Perché un esagono? Probabilmente si tratta di onde interagenti. Vedete schemi angolari simili nei secchi di fluidi rotanti in un laboratorio. Ma perché è stabile? E perché si è sviluppato a questa specifica latitudine? Nessuno lo sa.

La simmetria è sorprendente. I flussi zonali si rispecchiano a vicenda attraverso l’equatore. Un flusso ad una data latitudine settentrionale ha solitamente una controparte a sud. Forti venti provenienti da est compaiono a 46° e 60° in entrambi gli emisferi. I flussi verso ovest, quasi stazionari nel sistema magnetico, compaiono a 40°, 55° e 70°.

Questa simmetria ha resistito per decenni. La Voyager l’ha mappata. Poi i telescopi terrestri sono migliorati. Osservarono Saturno per anni. I dati concordavano con Voyager. I getti sono stabili. Il meccanismo che li mantiene in funzione contro l’attrito atmosferico? Ancora un mistero.

Poli e Perle

I poli sono diversi. Entro 11° da entrambi i poli si trovano vortici simili a uragani. Il vortice del polo sud ha un occhio caldo. È largo 2.000 chilometri. Circondato da nuvole che torreggiano da 50 a 70 chilometri sopra le nuvole polari circostanti.

Anche le tempeste dell’emisfero meridionale della Terra hanno occhi caldi e flusso in senso orario. Risuonano di nuvole alte. Ma qui le dimensioni contano. La versione di Saturno è enorme. E, cosa fondamentale, non c’è oceano sotto il vortice di Saturno. Nessuna acqua calda ad alimentare lo scambio termico. Solo atmosfera fino in fondo.

Guarda più da vicino le medie latitudini. Vicino a 33,5° Nord, c’è un “filo di perle”. Circa due dozzine di schiarite nuvolose. Ciascuno ha un diametro di 1.500 chilometri. Spaziati quasi uniformemente su 100° di longitudine. Nelle immagini a infrarossi, brillano intensamente. Come una collana tesa attraverso il pianeta.

Fulmini e correnti profonde

L’emisfero meridionale racconta una storia diversa. Cassini ha rilevato emissioni radio a onde corte da temporali a 35° sud. Intenso. Centinaia di volte più forte dei fulmini terrestri. Durano settimane. A volte mesi.

Queste tempeste siedono su nuvole spesse e di colore chiaro. Forti moti convettivi guidati dal vapore acqueo. Le radure a nord e i fulmini a sud sono collegate. Si siedono in zone con forti venti diretti verso ovest. Di fronte alla direzione della maggior parte degli altri flussi zonali.

Cosa significa questo per gli interni? La simmetria nord-sud suggerisce che i flussi siano collegati nel profondo. I modelli teorici di un pianeta fluido a convezione profonda mostrano un allineamento della rotazione differenziale lungo i cilindri. Cilindri allineati con l’asse di rotazione.

L’atmosfera di Saturno potrebbe essere costituita da cilindri coassiali. Ognuno ruota al proprio ritmo. Creando i getti di superficie che vediamo. Questi strati non iniziano a muoversi insieme fino a 9.000 chilometri più in basso. Questo è molto più profondo di Giove. Su Giove la rotazione differenziale si ferma più in alto. Su Saturno le correnti sono profonde. E ancora non comprendiamo appieno cosa li spinge.

Il campo magnetico di Saturno è stranamente perfetto. Si allinea con l’asse di rotazione del pianeta entro un solo grado. Il centro del dipolo magnetico si trova proprio al centro del pianeta. Questa configurazione assomiglia ad una semplice barra magnetica più di qualsiasi altro pianeta nel sistema solare. Ma c’è un problema. La polarità è invertita rispetto alla Terra. Le linee di campo emergono nell’emisfero settentrionale e si tuffano nuovamente nell’emisfero meridionale. Se tenessi lì una bussola, l’ago punterebbe a sud.

Non è un dipolo puro però. Ci sono sottili deviazioni. Il campo mostra un’asimmetria nord-sud. Il campo della superficie polare è leggermente più forte di quanto previsto da un semplice modello. A livello di “superficie” ad una barra, il polo nord raggiunge 0,8 gauss. Il polo sud si trova a 0,7 gauss. Il campo polare della Terra è simile. Ma l’equatore racconta una storia diversa. Il campo equatoriale di Saturno è di 0,2 gauss. Quello della Terra è 0,3 gauss. Il campo equatoriale di Giove è di 4,3 gauss. È più di 20 volte più forte di quello di Saturno.

Se modelliamo il campo di Saturno come un circuito di corrente, il momento magnetico è circa 600 volte quello della Terra. Quello di Giove è 20.000 volte quello della Terra. Perché la differenza? Dipende da dove viene generato il campo. Il campo di Saturno deriva da movimenti fluidi nel suo interno elettricamente conduttivo. Questa regione è costituita da idrogeno metallico fluido che circonda un nucleo roccioso. Costituisce la metà interna del pianeta. Giove ha più di questo fluido conduttore. Meno massa e volume nella zona di conduzione spiegano in parte perché il campo di Saturno è più debole. Anche Giove è più caldo. Interni più caldi significano movimenti fluidi più vigorosi. Ciò probabilmente contribuisce all’enorme divario nell’intensità del campo tra i due giganti gassosi.

La forma della magnetosfera di Saturno

La magnetosfera è la regione dello spazio a forma di lacrima dominata dalla presa magnetica di Saturno. Controlla le particelle cariche provenienti principalmente dal Sole. Il lato arrotondato è rivolto al sole. Forma un confine chiamato magnetopausa. Questo confine si trova a circa 20 raggi di Saturno dal centro del pianeta. Sono circa 1.200.000 chilometri. Ma fluttua. La pressione del vento solare cambia costantemente la forma. Dal lato opposto, la magnetosfera si allunga in un’immensa coda magnetica. Si estende a grandi distanze nello spazio.

All’interno di questa regione le cose si complicano. La magnetosfera interna intrappola particelle cariche altamente energetiche. La maggior parte sono protoni. Viaggiano in percorsi a spirale lungo le linee del campo magnetico. Questi formano cinture attorno a Saturno simili alle cinture di Van Allen della Terra. Ma a differenza della Terra o di Giove, le cinture di Saturno perdono. Le particelle vengono assorbite dai corpi solidi che orbitano all’interno delle linee del campo. I dati della Voyager lo hanno confermato. Ci sono “buchi” nella popolazione delle particelle. Questi buchi esistono sulle linee di campo che intersecano gli anelli e le orbite delle lune.

Esistono “buchi” nelle popolazioni di particelle sulle linee di campo che intersecano gli anelli e le orbite delle lune all’interno della magnetosfera.

Titano e Hyperion orbitano vicino alle dimensioni minime della magnetosfera. Occasionalmente attraversano la magnetopausa. Viaggiano fuori dalla bolla protettiva di Saturno. Quando le particelle energetiche intrappolate colpiscono gli atomi neutri nell’atmosfera superiore di Titano, li energizzano. Ciò provoca l’erosione dell’atmosfera lunare. Cassini osservò un alone di questi atomi energetici attorno a Titano. È un collegamento diretto tra la violenza magnetica di Saturno e la perdita atmosferica della sua luna più grande.

Interazioni tra aurore e vento solare

Saturno ha aurore ultraviolette. Questi sono prodotti da particelle energetiche della magnetosfera che colpiscono l’idrogeno atomico e molecolare nell’atmosfera polare. Le immagini del telescopio spaziale Hubble della fine degli anni ’90 e dell’inizio del 21° secolo hanno catturato questi anelli aurorali. Le immagini hanno fornito prove vivide dell’elevata simmetria del campo. Hanno anche rivelato come le aurore rispondono al vento solare. Anche qui il campo magnetico del Sole gioca un ruolo.

I dati mostrano uno stretto accoppiamento tra il sole e il pianeta. Ma non è statico. Le aurore cambiano. Reagiscono ai cambiamenti di pressione. Seguono le linee magnetiche. È un sistema dinamico. Uno che stiamo ancora imparando a leggere. I buchi nelle cinture di radiazione rimangono un mistero di assorbimento. L’asimmetria nel campo allude a profonde dinamiche interiori che non possiamo ancora vedere. Saturno racchiude i suoi segreti nella rotazione del suo metallo e nello scontro delle particelle contro i suoi anelli.

Il nucleo denso di Saturno e le profondità dell’idrogeno

La densità di Saturno è il primo indizio. È così basso che la sua composizione principale deve essere principalmente idrogeno. Ma questo non è l’idrogeno che vediamo in un pallone. Percorri 1.000 km (600 miglia) sotto le nuvole visibili. La pressione raggiunge un kilobar. La temperatura sale a circa 1.000 K (730 °C). A questa profondità l’idrogeno smette di comportarsi come un gas. Si trasforma in un liquido.

È un materiale strano e altamente comprimibile. Per portare Saturno alla sua densità media di 0,69 grammi per centimetro cubo, sono necessarie pressioni superiori a un megabar. Ciò accade 20.000 km (12.500 miglia) più in basso. Circa un terzo del percorso verso il centro. Il pianeta è essenzialmente una palla di idrogeno denso e fluido che tiene insieme tutto.

Mappare la gravità per trovare la massa

Non possiamo perforare Saturno. Dobbiamo leggere il suo campo gravitazionale. Non è sfericamente simmetrico. Il pianeta gira velocemente. La sua densità è bassa. Questi fattori distorcono la sua forma fisica. Inoltre deformano il suo campo gravitazionale.

I dati dei veicoli spaziali mostrano chiaramente questa distorsione. Il movimento delle sonde e la struttura degli anelli rivelano la verità. La forma del campo ci dice come è distribuita la massa. Saturno è più condensato centralmente di Giove. C’è materiale significativamente più denso vicino al nucleo.

Il centro di Giove è composto per circa il 67% da idrogeno in massa. Quello di Saturno è solo del 50% circa. Il resto è roba più pesante.

La transizione metallica

Vai più in profondità. All’incirca a metà strada tra la parte superiore delle nuvole e il centro. La pressione raggiunge i due megabar. La temperatura raggiunge i 6.000 K (5.730 ° C). Succede qualcosa di strano. L’idrogeno molecolare subisce una transizione di fase. Diventa idrogeno metallico fluido. Sembra e si comporta come un metallo alcalino fuso. Pensa al litio.

I dati sulla gravità confermano che questa regione è più densa dell’idrogeno puro mescolato con l’elio solare. Parte di questa densità in eccesso probabilmente deriva dall’elio che si è depositato dagli strati esterni. Ma c’è di più. Saturno può contenere materiale più denso sia dell’idrogeno che dell’elio. La massa totale potrebbe essere fino a 30 volte quella della Terra. Non possiamo individuare la distribuzione esatta. Tuttavia, è probabile un nucleo roccioso e ghiacciato. Probabilmente pesa 15-18 masse terrestri. Si trova proprio al centro.

La dinamo magnetica

Il nucleo esterno è costituito da questo idrogeno metallico fluido. Ha un’elevata conduttività elettrica. Se esistono correnti di circolazione, come previsto quando il calore fluisce verso l’esterno e i componenti più pesanti si depositano, c’è abbastanza azione dinamo. Questo genera il campo magnetico di Saturno. Il meccanismo è lo stesso della Terra. Qui si applica la teoria del campo profondo.

Il campo profondo vicino al nucleo è irregolare. Ma ciò che vediamo dalla navicella spaziale è diverso. È abbastanza regolare. L’asse del dipolo si allinea quasi perfettamente con l’asse di rotazione. Perché la simmetria? Le teorie suggeriscono che le linee di campo passano attraverso una regione non convettiva ed elettricamente conduttiva prima di raggiungere la superficie. Questa regione ruota rispetto alle linee del campo, attenuando il caos.

Abbiamo osservato un sorprendente cambiamento nel periodo di rotazione del campo magnetico negli ultimi 25 anni. Questo spostamento potrebbe essere collegato a correnti elettriche profonde che coinvolgono il nucleo conduttore. L’interno non è statico. Si sta muovendo.

Il mistero del calore interno

Saturno irradia nello spazio circa il doppio dell’energia che riceve dal Sole. Questa uscita è principalmente a lunghezze d’onda infrarosse comprese tra 20 e 100 micrometri. All’interno è presente una fonte di calore.

Chilogrammo per chilogrammo, la produzione di energia interna di Saturno è simile a quella di Giove. Ma Saturno è meno massiccio. Aveva un contenuto energetico totale inferiore quando si formarono entrambi i pianeti. Se irradia ancora al livello di Giove, la fonte non può essere la stessa. Qualcos’altro sta alimentando questo calore.

Il motore termico interno di Saturno

Saturno non è semplicemente caduto insieme. È cresciuto. I calcoli della sua storia termica suggeriscono che il pianeta iniziò con un nucleo pesante. Stiamo parlando di circa 10-20 masse terrestri di materiale. Quel nucleo probabilmente si è formato da planetesimi ricchi di ghiaccio che si sono schiantati l’uno contro l’altro. Una volta stabilite queste solide fondamenta, la gravità ha preso il sopravvento. Un’enorme quantità di idrogeno ed elio proveniente dalla nebulosa solare primordiale si precipitò dentro. Collassò attorno al nucleo.

Giove ha attraversato la stessa danza. È semplicemente diventato più pesante. Ha catturato ancora più gas di Saturno. Quel rapido accrescimento ha riscaldato il gas a temperature sconcertanti. Stiamo parlando di decine di migliaia di Kelvin all’interno di questi giovani pianeti.

Perché Saturno brucia più caldo del previsto

È qui che la storia diventa interessante. L’energia interna di Giove ha senso. È iniziato incredibilmente caldo. Si sta lentamente raffreddando da 4,6 miliardi di anni. Il calore che rileviamo ora è solo il calore residuo di quella nascita violenta.

Saturno avrebbe dovuto fare lo stesso. Se si fosse semplicemente raffreddato, il suo calore interno sarebbe svanito molto tempo fa. In effetti, i modelli mostrano che avrebbe dovuto scendere al di sotto dell’attuale produzione di energia circa due miliardi di anni fa. Ma non è così. Saturno sta ancora emettendo calore.

Qualcos’altro sta accadendo dentro.

La pioggia di elio guida il caldo

La spiegazione più probabile risiede in ciò che sta accadendo nelle profondità dell’interno di Saturno. L’elio si sta separando dall’idrogeno. Nello strato metallico di idrogeno, l’elio precipita dalla soluzione. Forma goccioline dense. Queste goccioline cadono.

È effettivamente pioggia di elio.

Man mano che queste goccioline pesanti affondano più in profondità, perdono energia potenziale. Quell’energia si trasforma in energia cinetica mentre accelerano. L’attrito smorza il movimento. Quella energia cinetica si converte in calore. La convezione trasporta il calore nell’atmosfera. Le radiazioni lo spingono nello spazio.

Questo processo aggiunge ulteriore energia. Mantiene Saturno caldo più a lungo di quanto consentirebbe il semplice raffreddamento. Probabilmente anche Giove fa lo stesso. Il suo interno è più caldo. Ciò consente a più elio di rimanere disciolto nell’idrogeno. Quindi l’effetto è molto più debole lì.

Le prove si complicano

Le missioni Voyager hanno trovato qualcosa che sembrava una prova. Hanno rilevato un sostanziale esaurimento dell’elio nell’atmosfera di Saturno. Ciò corrispondeva perfettamente alla teoria. L’elio stava affondando, lasciando sottili gli strati superiori dell’elemento.

Sembrava una rivendicazione.

Ma da allora i dati sono stati messi in discussione. L’esaurimento potrebbe non essere così netto come si pensava. La teoria della pioggia di elio è ancora la migliore spiegazione del calore persistente di Saturno. Ma la prova decisiva non è più così ovvia come in passato. Resta il mistero del calore extra.

Un unico sistema caotico

Tendiamo a tracciare una linea nella sabbia (o nel ghiaccio). Da un lato, le lune. Dall’altro, gli anelli. Sembra una separazione netta. Non lo è. Gli anelli di Saturno e le sue lune fanno parte di un sistema disordinato e interconnesso. Le loro strutture dialogano tra loro. Le loro dinamiche si influenzano a vicenda. Anche la loro evoluzione è collegata.

Guarda le lune più interne conosciute. Non si siedono fuori nel buio freddo. Cadono negli anelli. O tra loro. Le nuove lune continuano ad apparire incastonate nella struttura ad anello stessa. Il che solleva una strana domanda: cos’è esattamente una luna?

Il sistema di anelli è fondamentalmente uno sciame di minuscole lune. Stiamo parlando di granelli di polvere e pezzi delle dimensioni di un’auto. Ai massi grandi quanto una casa. Tutti orbitano attorno a Saturno in modo indipendente. Non esiste un confine netto tra la particella dell’anello più grande e la luna più piccola. Ciò rende il conteggio delle lune una partita persa. Un numero preciso potrebbe essere semplicemente impossibile.

Il sistema degli anelli

Gli anelli non sono lastre di ghiaccio statiche. Sono dinamici. Attivo. Modellato dalla gravità e dalle collisioni. Le lune fungono da pastori. Impediscono agli anelli di allargarsi. Inoltre ritagliano delle lacune. La Divisione Cassini, ad esempio, non è uno spazio vuoto. È il risultato di risonanze orbitali con lune come Mimas.

Quando guardiamo questi anelli, non vediamo solo detriti. Stiamo vedendo un laboratorio. Un luogo in cui la fisica gioca su vasta scala. Le particelle si scontrano. Si attaccano. Si rompono. Il sistema è in costante cambiamento.

Non si tratta solo di belle immagini. Si tratta di capire come si formano i sistemi planetari. E come stanno insieme. Oppure cadere a pezzi. I confini tra lune e anelli sono sfumati. Intenzionalmente? No. Solo il risultato di una danza caotica e meravigliosa che va avanti da miliardi di anni.

L’avvistamento di Saturno da parte di Galileo nel 1610 fu meno una scoperta e più una confusione. Puntò il suo telescopio primitivo verso il pianeta e riferì di aver visto non un oggetto, ma tre.

“Saturno non è una stella singola, ma è un composto di tre stelle, che quasi si toccano, non cambiano né si muovono mai l’una rispetto all’altra, e sono disposte in fila lungo lo zodiaco, quella centrale è tre volte più grande di quelle laterali.”

Pensava di aver trovato un sistema a tre stelle.

Due anni dopo rimase la stella centrale, ma le compagne svanirono. La Terra si era mossa. Aveva attraversato il piano orbitale di Saturno, osservando gli anelli da un angolo di taglio. Agli occhi smarriti di Galileo le “appendici” scomparvero del tutto. Quando tornarono, non riusciva ancora a mettere insieme il puzzle. Non si era mai reso conto che quegli strani rigonfiamenti fossero un disco.

Ci volle lo scienziato olandese Christiaan Huygens, che lavorò con un telescopio significativamente migliore nel 1655, per dedurre la vera forma. Vide il piano inclinato dell’anello. Immaginò addirittura che si trattasse di un disco solido e spesso.

I calcoli hanno dimostrato che non sono solidi

Lo scetticismo crebbe nel 1675. Gian Domenico Cassini, un astronomo francese di origine italiana, individuò un’enorme lacuna nel disco. La divisione Cassini, come è conosciuta oggi, ha fatto sembrare traballante una solida teoria degli anelli.

Poi è arrivata la matematica.

Nel 1789, Pierre-Simon Laplace propose che gli anelli fossero costituiti da molti piccoli componenti. Ma fu solo nel 1857 che il fisico scozzese James Clerk Maxwell lo dimostrò matematicamente. Gli anelli potrebbero essere stabili solo se fossero composti da un gran numero di piccole particelle individuali.

L’astronomo americano James Keeler confermò questa deduzione circa 40 anni dopo.

Una fragile struttura nello spazio

Oggi sappiamo che gli anelli di Saturno sono enormi ma allo stesso tempo assurdamente sottili.

• Diametro: 270.000 km (170.000 miglia)
• Spessore: Non più di 100 metri (330 piedi)
• Massa: $ 1,5 \times 10^{19}$ kg

Quella massa è solo circa 0,41 volte quella della luna di Saturno, Mimas. L’intero sistema, compresi i deboli anelli esterni, si estende per quasi 26.000.000 di km.

Ma perché gli anelli non si sono raggruppati insieme per formare una luna?

Spiegazione del limite Roche

Gli anelli di Saturno si collocano comodamente entro il limite classico di Roche. Questa è la distanza più vicina alla quale una grande luna può avvicinarsi a un pianeta prima che le forze di marea lo distruggano. Per Saturno, tale limite è di circa 147.000 km (91.300 miglia), ovvero 2,44 raggi di Saturno.

All’interno di questa zona, le forze di marea impediscono ai piccoli corpi di aggregarsi in oggetti più grandi. La regola si applica agli oggetti tenuti insieme dalla gravità. Non ferma i piccoli corpi tenuti insieme dalla coesione molecolare. Ecco perché le piccole lune e i satelliti artificiali possono persistere indefinitamente entro questo limite.

Di cosa sono fatti gli anelli?

Non possiamo vedere direttamente le singole particelle. Invece, deduciamo le loro dimensioni dal modo in cui diffondono la luce e i segnali radio provenienti dalle stelle e dai veicoli spaziali.

Il risultato è un ampio e continuo spettro di dimensioni delle particelle, che vanno da centimetri a diversi metri. Ci sono molti meno oggetti grandi rispetto a quelli piccoli. Questa distribuzione corrisponde al risultato atteso di collisioni ripetute che frantumano corpi inizialmente più grandi.

In alcune zone, le collisioni sono così frequenti che esistono anche granelli delle dimensioni di polvere. Questi grani hanno una vita breve. Si caricano elettricamente dalla luce solare o dagli impatti di micrometeoriti. Questa carica interagisce con il campo magnetico di Saturno, creando “raggi” mobili a forma di cuneo che si estendono radialmente sul piano dell’anello.

I raggi erano comuni durante gli incontri con la Voyager. Sono scomparsi durante la missione Cassini fino al settembre 2005. Lo spostamento probabilmente indica come i diversi angoli del sole influenzano la produzione di grani carichi. Alcuni astronomi suggeriscono che i raggi siano stagionali e compaiano solo intorno agli equinozi.

Esistono anche prove dell’esistenza di “lune ad anello” più grandi, corpi di diversi chilometri di diametro incastonati negli anelli maggiori. Ne sono stati rilevati solo alcuni. Queste lune “mucchi di macerie” sono probabilmente transitorie, costantemente create e distrutte dalla gravità, dalle collisioni e dalle variabili velocità orbitali.

Gli anelli stanno morendo

Gli anelli riflettono fortemente la luce solare. L’analisi spettroscopica mostra che si tratta principalmente di ghiaccio d’acqua misto a contaminanti più scuri.

Poiché la massa totale è così bassa, gli anelli sono probabilmente molto giovani. Potrebbero avere tra 10 e 100 milioni di anni.

Ciò solleva una domanda: da dove vengono?

È ipotizzabile che gli anelli maggiori siano stati prodotti dalla disgregazione di una cometa. In alternativa, lune delle dimensioni e della composizione di Teti o Dione potrebbero essere andate in frantumi. Il sistema di anelli originale sarebbe stato molto più grande, restringendosi nel tempo fino a formare lune interne ghiacciate come Teti.

Ma anche gli anelli stanno scomparendo.

Il materiale carico proveniente dagli anelli migra nella ionosfera di Saturno seguendo le linee del campo magnetico. Ogni secondo cadono nell’atmosfera tra 432 e 2.870 kg di materiale anulare.

Di questo passo gli anelli scompariranno tra 292 milioni di anni.

È un batter d’occhio in termini geologici. Viviamo in una breve finestra della storia cosmica, osservando una struttura che è allo stesso tempo magnifica e fugace. Il ghiaccio è lì. La fisica è chiara. Ma la fine è già in movimento.

Il sistema ad anello principale non è solo un disco piatto. È un caos caotico e multistrato di strutture che abbracciano scale. Hai i tre ampi anelli principali – C, B e A – ordinati in base alla distanza da Saturno. Questi sono visibili dalla Terra. All’interno di questi ci sono una miriade di riccioli individuali, alcuni larghi solo pochi chilometri. Gli scienziati usano queste strutture per studiare le risonanze gravitazionali. Osservano quante piccole particelle interagiscono quando orbitano nelle immediate vicinanze.

Molte strutture hanno spiegazioni teoriche. Un gran numero rimane enigmatico. Manca ancora una sintesi completa. Perché è importante? Perché gli anelli di Saturno potrebbero essere un analogo dell’originale sistema di particelle a forma di disco da cui si sono formati i pianeti. Comprenderne le dinamiche e l’evoluzione ha implicazioni per l’origine del sistema solare stesso.

Come la profondità ottica rivela la densità dell’anello

La struttura è ampiamente descritta dalla profondità ottica in funzione della distanza da Saturno. La profondità ottica misura la quantità di radiazione elettromagnetica assorbita passando attraverso un mezzo. Pensa alle nuvole. Atmosfere planetarie. Regioni di particelle spaziali. Serve come indicatore della densità media.

Un mezzo completamente trasparente ha una profondità ottica pari a 0. All’aumentare della densità, aumenta anche il numero. Dipende dalla lunghezza d’onda e dal tipo di mezzo. Per gli anelli di Saturno, le lunghezze d’onda radio di diversi centimetri e maggiori non sono in gran parte influenzate dalle particelle più piccole dell’anello. Incontrano profondità ottiche minori rispetto alle lunghezze d’onda visibili.

Gli anelli interni: C, D e l’anello denso B

L’anello B è il più luminoso. Più spesso. Il più ampio. Si estende da 1,52 a 1,95 raggi di Saturno. Le profondità ottiche sono comprese tra 0,4 e 2,5. I valori precisi dipendono dalla distanza da Saturno e dalla lunghezza d’onda della luce. (Il raggio equatoriale di Saturno è 60.268 km.)

È separato visivamente dall’anello maggiore esterno, l’anello A, dalla divisione Cassini. Questa è la lacuna più evidente. Situato tra 1,95 e 2,02 raggi di Saturno, non è privo di particelle. Presenta variazioni complicate nella profondità ottica con un valore medio di 0,1.

L’anello A si estende da 2,02 a 2,27 raggi di Saturno. Le profondità ottiche vanno da 0,4 a 1,0.

All’interno dell’anello B si trova l’anello C. A volte noto come anello crêpe. Si trova tra 1,23 e 1,52 raggi di Saturno con profondità ottiche vicine a 0,1. All’interno di questo, con raggi compresi tra 1,11 e 1,23, si trova l’anello D estremamente tenue. Non ha effetti misurabili sulla luce delle stelle o sulle onde radio. Visibile solo in luce riflessa.

L’anello F e la periferia

All’esterno dell’anello A si trova lo stretto anello F a 2,33 raggi di Saturno. Le osservazioni di Cassini suggeriscono una struttura a spirale strettamente avvolta. Tra gli anelli A ed F, distribuiti lungo l’orbita della luna interna Atlante, c’è una tenue fascia di materiale. Probabilmente versato dalla luna.

Ancora più lontano c’è l’anello G. Profondità ottica di soli 0,000001. Si trova a circa 2,8 raggi di Saturno. Originariamente rilevato dalla sua influenza sulle particelle cariche nella magnetosfera di Saturno. Debolmente distinguibile nelle immagini della Voyager.

Le immagini di Cassini del 2008 hanno rivelato una piccola luna chiamata Aegaeon nell’anello G. Circa 0,5 km di diametro. Potrebbe essere uno dei numerosi enti genitori. Quegli anelli al di fuori dell’anello A sono analoghi agli anelli di Giove. Composto principalmente da piccole particelle emesse continuamente dalle lune.

L’E Ring e l’enorme Phoebe Ring

Oltre l’anello G c’è l’anello E. Estremamente ampio. Diffondere. Si estende da 3 ad almeno 8 raggi di Saturno. Le osservazioni di Cassini hanno verificato che è composto da particelle di ghiaccio provenienti da geyser. Vulcanismo del ghiaccio o criovulcanismo. Una regione termicamente attiva, un punto caldo, vicino al polo sud di Encelado.

Poi c’è l’anello più esterno. Esteso da 128 a 207 raggi di Saturno. Ben oltre gli altri. Un vasto e tenue anello di polvere. Perde dagli impatti sulla luna Phoebe. È il più grande anello planetario del sistema solare.

Scoperto dal telescopio spaziale Spitzer. Le osservazioni hanno mostrato una profondità ottica di 2 × 10−8. A differenza di altri anelli, questo anello di polvere condivide la stessa inclinazione dell’orbita di Phoebe.

Anche altri piccoli satelliti hanno anelli tenui. O archi di anelli. Associato alle lune coorbitali Giano ed Epimeteo. Metone. Anta. Pallene.

Il sistema non è ancora del tutto compreso. Abbiamo i pezzi del puzzle. Il resto rimane nascosto negli spazi vuoti.

La profondità ottica negli anelli principali di Saturno non è uniforme. È fratturato. Ci sono enormi lacune sparse negli anelli C, B e A, alcune delle quali prendono il nome dagli astronomi che per prime le hanno mappate. Stiamo parlando dei gap Colombo, Maxwell, Bond e Dawes all’interno dell’anello C. Poi c’è il gap Huygens sul bordo esterno dell’anello B, e i gap Encke e Keeler all’interno dell’anello A.

La maggior parte di questi erano misteri finché la navicella spaziale non si avvicinò. Il gap Encke era l’unico conosciuto dalla Terra prima delle missioni Voyager.

Le falciatrici Moonlet

Perché sono vuoti? Per molto tempo è stata solo teoria. Gli scienziati hanno ipotizzato che una piccola luna, larga circa 10 chilometri, stesse orbitando all’interno dello spazio vuoto, eliminando i detriti con la sua gravità.

Si è scoperto che avevano ragione.

Pan vive nel divario Encke. La Voyager lo scattò nel 1990. Cassini lo rivide più tardi, confermando la teoria. Poi venne Dafni. Era il pastore atteso per il divario Keeler. Cassini lo trovò nel 2005.

“Dafni, la luna corrispondente prevista all’interno del gap Keeler, è stata trovata nelle immagini di Cassini nel 2005.”

Lo schema si ripete. Le lune potrebbero nascondersi anche negli spazi di Huygens e Maxwell. Ma la vera sorpresa è arrivata dalla tangenziale. Cassini ha rilevato oltre 150 lune di circa 100 metri di diametro. Non colmano grandi lacune. Lasciano nella loro scia strutture “eliche”: piccoli disturbi nel ghiaccio che tradiscono la loro presenza. Una piccola luna di 400 metri è stata avvistata anche nell’anello B, anche se non sembra che stia scavando un buco.

La trappola della risonanza

A volte, una luna non è nello spazio vuoto. È lontano, ma la sua gravità lo raggiunge ancora.

Ciò avviene attraverso la risonanza orbitale. Il calcolo è semplice. La luna e le particelle dell’anello devono completare le loro orbite in un rapporto di numeri interi. Se una particella si trova a un raggio specifico, incontra la Luna ogni volta nello stesso punto. Nel corso degli anni, questi ripetuti strattoni gravitazionali si accumulano. Spingono fuori la particella. Si forma il divario.

Se la Luna orbita all’esterno dell’anello, prende momento angolare dalle particelle. Lancia un’onda di densità a spirale. Se la risonanza è forte, il divario si colma.

Guarda il bordo dell’anello B e la divisione Cassini. Sono in risonanza 2:1 con Mimas. Mimas impiega il doppio del tempo per orbitare attorno a Saturno rispetto alle particelle con quel raggio. Il risultato? Il confine non è un cerchio perfetto. È bilobato.

Il bordo esterno dell’anello A è modellato da Giano ed Epimeteo con una risonanza 7:6. È smerlato con sette lobi.

Le risonanze spiegano parte della struttura fine. Ma non tutto. Ci sono migliaia di riccioli. Non abbiamo abbastanza lune o risonanze conosciute per spiegarle tutte. Il sistema è più caotico di quanto suggeriscano i modelli.

I dati dell’anello

I numeri raccontano una storia diversa rispetto alla teoria. Ecco come i pezzi si incastrano per raggio e larghezza.

Anello (o divisione o intervallo)	Raggio del bordo interno (km)	Larghezza (km)	Commenti
Anello a D	67.000	7.500	Debole, visibile solo in luce riflessa
Anello C	74.490	17.500	Chiamato anche anello Crepe
(gap di Colombo)	77.800	100
(Divario di Maxwell)	87.500	270
(gap obbligazionario)	88.690	30
(Gap Dawes)	90.200	20
Anello B	91.980	25.500	Anello più luminoso
(Divisione Cassini)	117.500	4.700	Spazio anulare più grande
(gap di Huygens)	117.680	285–440
(gap di Herschel)	118.183	102
(Gap di Russell)	118.597	33
(Divario di Jeffrey)	118.931	38
(gap di Kuiper)	119.403	3
(gap di Laplace)	119.848	238
(gap di Bessel)	120.236	10
(Divario Barnard)	120.305	13
Un anello	122.050	14.600	Anello più esterno visibile dalla Terra
(Divario di Encke)	133.570	325
(Divario Keeler)	136.530	35
(Divisione Roche)	136.770	2.600
Anello F	140.224	30–500	Anello maggiore debole e più stretto
Anello G	166.000	8.000	Svenimento
Anello E	180.000	300.000	Svenimento
Anello di polvere Phoebe	7.772.240	4.766.000	Il più grande anello planetario del sistema solare, visibile nella luce infrarossa

Lune di Saturno

Saturno detiene la corona del maggior numero di lune del sistema solare. Il conteggio ammonta a 274 satelliti conosciuti. Questo non è solo un numero. È un cimitero di ghiaccio, roccia e caos in orbita attorno a un gigante gassoso. Disponiamo di dati per alcuni di questi organismi riepilogati in tabelle dettagliate. Nomi. Numeri tradizionali. Distanze orbitali. Caratteristiche fisiche. Sono elencati individualmente.

Il cerchio interno: piccolo, veloce e regolare

Le prime 18 lune scoperte si stringono tutte molto vicine. Fatta eccezione per Phoebe, che resta nel gelo del sistema esterno, orbitano entro 3,6 milioni di chilometri da Saturno. Sono 2,2 milioni di miglia. Nove di questi sono enormi. Oltre 100 km di raggio. Gli esseri umani li hanno visti attraverso i telescopi prima della fine del XX secolo. Il riposo? Erano fantasmi pixelati nelle immagini della Voyager dei primi anni ’80.

Poi è arrivato Cassini. A partire dal 2004 ha trovato i più piccoli. Polydeuces è uno. Raggio di soli 3–4 km. Appena percettibile. Queste lune interiori sono regolari. Le loro orbite sono prograde. Bassa inclinazione. Bassa eccentricità. Si comportano bene.

“Si pensa che gli otto più grandi si siano formati lungo il piano equatoriale di Saturno da un disco protoplanetario di materiale, più o meno allo stesso modo dei pianeti formatisi attorno al Sole.”

Pan è un classico esempio di questa regolarità. Designazione XVIII. Orbita a 133.580 km. Impiega 0,575 giorni per fare il giro del pianeta. È piccolo. Raggio di 10 km. La massa è trascurabile essendo 0,049 x 10^17 kg. La densità è bassa, pari a 0,36 g/cm3. È una luna scolpita dagli anelli.

Dafni è ancora più piccolo. XXXV. Raggio di 3,5 km. Orbita a 136.500 km. La massa è poco conosciuta, elencata come (0,002). Ma è importante. Intaglia le lacune. Pastorizza le particelle dell’anello.

Segue Atlas a 137.670 km. Raggio 19 x 17 x 14 km. Non è una sfera. È un disco appiattito. Prometeo e Pandora sono le lune pastore dell’Anello F. Prometeo è più grande. 70×50×34 chilometri. Pandora misura 55 x 44 x 31 km. Le loro orbite sono vicine. Prometeo a 139.380 km. Pandora a 141.720 km.

Epimeteo e Giano giocano un gioco bizzarro. Condividono le orbite. Epimeteo è XI. Giano è X. Le loro distanze sono quasi identiche. 151.410 km contro 151.460 km. Si scambiano le posizioni ogni quattro anni. Una danza gravitazionale. Epimeteo ha un raggio di 69 x 55 x 55 km. Janus è più voluminoso con 99 x 96 x 76 km.

Aegaeon è il più piccolo del gruppo. LIII. Raggio di 0,3 km. Vive nel G Ring. Un sassolino.

Mimas è il primo grande che la maggior parte delle persone conosce. I. Ha un cratere che la fa sembrare la Morte Nera. Raggio 198 chilometri. La massa è 373 x 10^17 kg. La densità è di 1,15 g/cm3. È principalmente ghiaccio.

Metone e Ante sono minuscoli granelli. Metone è XXXII. Raggio 1,5 km. Anthe è XLIX. Raggio 1 km. Pallene è XXXIII. Raggio 2 km. Sono tutti piccoli. Tutto regolare.

Encelado è il valore anomalo. II. Sfida il modello della “roccia morta”. Raggio 252 km. Densità 1,61 g/cm3. Ha geyser. Vapore acqueo sparato nello spazio. È un mondo che potrebbe nascondere un oceano.

Teti è III. Raggio 533 km. La densità è bassa. 0,97 g/cm3. È acqua ghiacciata quasi pura. Telesto e Calipso sono troiani. Condividono l’orbita di Teti. Telesto anticipa di 60°. Segue Calipso. Sono piccoli. 15 km di diametro. Forme grezze.

Polydeuces è un altro trojan. XXXIV. Segue Dioné. Ma la sua orbita è confusa. Ampie variazioni. Non si attacca al punto di 60° come Calypso.

Dione è IV. Raggio 562 km. La messa è pesante. 10.970 x 10^17 kg. Densità 1,48 g/cm3. Elena è la sua luna troiana. XII. Raggio 16 km.

Rea è V. Raggio 764 km. È la seconda più grande delle lune regolari interne. La massa è 22.900 x 10^17 kg.

Titano è VI. Il re. Raggio 2.576 km. La massa è enorme. 1.342.000 x 10^17 kg. Densità 1,88 g/cm3. Ha un’atmosfera densa. Laghi di metano. È un mondo a sé stante.

Gli Irregolari Lontani: Caos e Retromotion

Al di là di Titano, le regole si infrangono. Hyperion è VII. Raggio 185 x 140 x 113 km. La sua rotazione è caotica. Cade. Nessuna rotazione stabile. È una spugna. Poroso.

Giapeto è VIII. Raggio 735 km. È lontano. 3,56 milioni di km. L’orbita dura 79,33 giorni. L’inclinazione oscilla. La luna è bicolore. Scuro da un lato. Luminoso dall’altro.

Poi ci sono le lune irregolari. Decine di loro. Piccolo. Distante. Retrogrado. Orbitano all’indietro. O ad angoli ripidi.

Kiviuq è XXIV. Distanza 11.110.000 km. Periodo 449,22 giorni. Inclinazione 45.708°. Retrogrado? No, progrado ma molto propenso. Raggio 8 km. La massa è sconosciuta. (0,033).

Ijiraq è XXII. 11.124.000 km di distanza. Inclinazione 46,448°. Raggio 6 km.

Phoebe è IX. Quello strano nel gruppo interno? No, è nel profondo del sistema esterno. Distanza 12.947.780 km. Il periodo è 550,31 giorni. La “R” indica retrogrado. L’inclinazione è enorme. 175,3°. È un oggetto catturato. Probabilmente dalla cintura di Kuiper. Raggio 107 km. La massa è 83 x 10^17 kg.

Lo sciame esterno continua. Paaliaq. XX. 15,2 milioni di km. Skathi. XXVII. Retrogrado. Albiorix. XXVI. P/2007 S2. Una designazione provvisoria. Nessun nome ancora. Bebionn. Erriapus. Siarnaq. Il più grande degli irregolari. Raggio 20 chilometri.

Skoll. Tarvos. Tarqeq. Lamentela. P/2004 S13. Hyrokkin. Mundilfari. P/2006 S1. S/2007 S3. Jarnsaxa. Narvi. Bergelmir. S/2004 S17. Suttungr. Hati. S/2004 S12. Bestla. Thrymr. Farbauti. Aegir. S/2004 S7. Kari. S/2006 S3. Fenrir. Surtur. Ymir. Loggia. Fornjot.

La maggior parte di questi sono piccoli. Raggio 2–5 km. Alcuni fino a 20 km. Siarnaq è grande per un oggetto catturato.

I loro periodi sono lunghi. Centinaia di giorni. Le inclinazioni variano enormemente. da 33° a 179°. Le eccentricità sono elevate. da 0,1 a 0,5. Non fanno parte della formazione originale di Saturno. Sono stati rubati.

“Le quantità indicate tra parentesi sono poco conosciute.”

Questa nota si applica a molte di queste lune lontane. Li vediamo. Calcoliamo le loro orbite. Ma non conosciamo la loro massa. O la loro esatta densità.

Perché è importante

Perché catalogare 274 lune? Non è solo burocrazia. Si tratta di comprendere il

La frangia lontana e catturata

Guarda oltre gli anelli interni ordinati e i satelliti regolari e ti imbatterai in un muro di caos. A partire da circa 11 milioni di chilometri da Saturno, la geografia del sistema solare cambia completamente. È qui che le regole “normali” della creazione della luna smettono di applicarsi. Qui si trova un secondo gruppo esterno di lune che non seguono le regole.

Le loro orbite sono definite da ciò che non sono. Non sono circolari. Non sono piatti. Invece, questi corpi tracciano percorsi molto eccentrici e inclinati attorno al pianeta gigante. È una geometria disordinata. Circa due terzi di essi si muovono in modo retrogrado, il che significa che orbitano nella direzione opposta alla rotazione di Saturno. Sono vagabondi cosmici, che ruotano contro il momento angolare del sistema.

Per quanto riguarda le dimensioni, sono gracili rispetto a Titano o Encelado. Fatta eccezione per Phoebe, un’eccezione sostanziale con un raggio che fa impallidire il resto, queste lune sono tutte larghe meno di 20 chilometri circa. È piccolo. Piccolo, davvero.

Come li abbiamo trovati

Come li abbiamo visti? La maggior parte di questi puntini lontani e deboli non erano visibili al telescopio di Galileo o alle prime sonde robotiche. Richiedevano un cambiamento nella strategia di rilevamento. A partire dal 2000, gli astronomi hanno iniziato ad applicare nuovi metodi di rilevamento elettronico alla ricerca di oggetti più deboli nel sistema solare. L’obiettivo era semplice: trovare cose più piccole. La tecnologia ha permesso loro di captare segnali da oggetti troppo deboli per essere individuati con tecniche più vecchie.

Alcune di queste scoperte provenivano da osservatori basati sulla Terra che utilizzavano questi nuovi metodi elettronici. Altri sono stati catturati da Cassini, la navicella spaziale che ha trascorso anni a mappare il sistema saturniano. Senza l’occhio ravvicinato di Cassini e senza i sensori migliorati a terra, questa popolazione esterna sarebbe probabilmente ancora invisibile per noi.

Catturato, non primordiale

Perché è importante? Cambia la nostra comprensione della storia di Saturno. Questi corpi esterni non sembrano essere lune primordiali. Non si sono formati accanto a Saturno dal disco originale di gas e polvere. Sembrano invece oggetti catturati. O frammenti di quegli oggetti.

Pensaci. Una luna nata altrove, forse nella fascia di Kuiper o più lontano nella nebulosa, è stata attratta dalla gravità di Saturno e si è bloccata. È un rapimento celestiale. Le orbite irregolari sono il tessuto cicatrizzato di quell’evento di cattura. L’elevata inclinazione ed eccentricità sono il risultato di un inserimento caotico nel sistema.

Ciò suggerisce che Saturno abbia una storia gravitazionale complessa, in cui non ha semplicemente ampliato la sua famiglia da zero. Ha rubato i vicini. Ha raccolto detriti. L’anello esterno delle lune è meno una famiglia e più un insieme di rifugiati.

I mondi ghiacciati di Saturno

Titano non è solo grande. È l’unica luna del nostro sistema solare ad avere nuvole, un’atmosfera densa e veri e propri laghi liquidi. Il suo corpo solido si estende per 5.150 chilometri (3.200 miglia). Ciò lo rende secondo solo a Ganimede di Giove per dimensioni.

La sua densità è bassa. Solo 1,88 grammi per centimetro cubo. Questo numero racconta una storia su cosa c’è dentro. Non è solo rock. È un mix di silicati e ghiacci. Il ghiaccio è probabilmente acqua congelata con ammoniaca e metano.

L’aria è pesante qui. La pressione superficiale è di 1,5 bar. Questo è il 50% più alto della Terra. Domina l’azoto. Il metano costituisce circa il 5%. Tracce di altri composti del carbonio persistono nella miscela.

Per molto tempo la superficie è rimasta nascosta. Una fitta foschia rosso-brunastra soffocava la vista. Non abbiamo potuto vedere molto finché non è arrivata Cassini-Huygens. I dati hanno cambiato tutto.

La superficie di Titano è scolpita da processi stranamente simili a quelli della Terra: precipitazioni, flussi di liquidi, vento e persino possibili vulcani.

La navicella spaziale ha visto una topografia complessa. La pioggia cade. Flusso di liquidi. Il vento modella la terra. Ci sono anche degli impatti. E forse l’attività tettonica. Non è una roccia morta. È un mondo attivo.

Poi ci sono gli altri.

Sono molto più piccoli. E per lo più senz’aria. Encelado è l’eccezione. Cassini ha trovato vapore acqueo fuoriuscito dal suo polo sud. Ma per il resto? Niente di rilevabile.

La loro densità è ancora più bassa. Tra 1 e 1,5 grammi per centimetro cubo. Lo conferma la spettroscopia. Sono ricchi di ghiaccio. Per lo più ghiaccio d’acqua. A volte mescolato con anidride carbonica o ammoniaca.

Alla distanza di Saturno dal Sole fa freddo. Brutalmente così. Il ghiaccio si comporta come la roccia. Non scorre né guarisce. I crateri da impatto rimangono impressi sulla superficie per eoni.

Da lontano sembrano la Luna della Terra. Craterato. Grigio. Morto.

Ma questa somiglianza è superficiale. La chimica è diversa. La storia è diversa. Non sono solo rocce avvolte dal gelo. Sono mondi di ghiaccio, in attesa di essere compresi.

Una luna segnata dalla violenza

Sembra che Mimas abbia perso uno scontro con la cintura degli asteroidi. La sua superficie è butterata, un paesaggio caotico di crateri che rispecchia gli aspri altopiani della nostra Luna. Ma c’è una caratteristica che rende questa luna ghiacciata davvero unica nel sistema solare. Non solo grande. Proporzionalmente massiccio.

Al centro di questo caos si trova il cratere Herschel.

Prende il nome da William Herschel, l’astronomo del XVIII secolo che scoprì Mimas nel 1789, questo sito di impatto è una testimonianza della pura energia cinetica. Il cratere si estende per 130 chilometri di diametro. Per dirla in prospettiva, si tratta di un terzo dell’intero diametro di Mimas stessa. Se restassi sul bordo, non guarderesti solo un buco. Guarderesti un terzo del tuo mondo.

Il danno è profondo. Circa 10 chilometri nella crosta. Le mura esterne sono alte circa 5 chilometri. Questo è più alto di quanto il Monte Everest sia alto dalla base alla vetta.

Perché è importante?

Ci parla della volatilità del primo sistema solare. Mimas non solo esisteva. È sopravvissuto. Una collisione di questa portata avrebbe dovuto distruggere completamente la luna. Invece ha resistito. La geometria del cratere suggerisce che l’impatto sia stato quasi perpendicolare. Un colpo diretto.

Vediamo lo stesso schema in altri corpi ghiacciati. Encelado nelle vicinanze mostra segni di riscaldamento delle maree, ma Mimas rimane freddo e morto. La sua superficie non cambia. Preserva le cicatrici.

La scala è difficile da visualizzare finché non la si confronta. Il cratere è così grande che manca il picco centrale. O forse è crollato. O forse non è mai stato lì fin dall’inizio. Le pareti sono ripide. Alcune sezioni sembrano scivolate nel vuoto.

Questa non è solo una roccia con un’ammaccatura. È un avvertimento.

Se qualcosa di così piccolo può subire un tale colpo e continuare a girare, cosa succede quando corpi più grandi si scontrano? Il cratere Herschel è un momento congelato di violenza. Cattura il momento esatto in cui Mimas è quasi morto.

Mappiamo questi crateri per datare la superficie. Le aree più vecchie hanno maggiori impatti. Le aree più giovani ne hanno meno. Herschel è antico. È lì dall’inizio della fase di compensazione planetaria.

Gli scienziati studiano il rapporto profondità-diametro per comprendere il sottosuolo. Mimas è ghiaccio solido? Oppure c’è un oceano liquido al di sotto? La struttura del cratere suggerisce la forza interna della Luna. Ha retto. Appena.

La prossima volta che guardi la Luna, pensa a Mimas. Un mondo minuscolo e distante che porta una cicatrice grande un terzo delle sue dimensioni.

Encelado è una brillante anomalia. La sua superficie riflette più luce della neve fresca sulla Terra. Le immagini di Voyager hanno individuato ampie zone quasi prive di grandi crateri. Pianure lisce e terreno crinale dominano il paesaggio. Ciò indica il recente calore interno. La fusione e la riemersione sono avvenute negli ultimi 100 milioni di anni. È geologicamente giovane.

I dati spettrali di Cassini hanno confermato che il ghiaccio è acqua quasi pura. Ma la vera storia è al polo sud. C’è un punto caldo che raggiunge i 140 Kelvin (-208 ° F). Fa troppo caldo per il solo riscaldamento solare. La Luna ospita “strisce di tigre”: strane fratture geologiche.

Queste crepe stanno scaricando particelle di ghiaccio d’acqua nello spazio. I pennacchi alimentano l’anello E di Saturno. La Luna espelle circa 1.000 tonnellate di materiale all’anno. Le particelle sono minuscole. Di dimensioni pari a circa un micrometro. Svaniscono in poche migliaia di anni a causa della dinamica orbitale. Se l’anello esiste adesso, la luna deve attivamente pomparlo fuori. La fonte è un oceano sotterraneo. Probabilmente copre l’intera luna. Le sorgenti idrotermali probabilmente punteggiano il fondale oceanico, da 30 a 40 km sotto la superficie.

Vicini più anziani e più asciutti

Tethys racconta una storia diversa. È più grande di Encelado ma molto meno attivo. La superficie è fortemente craterizzata. Sembra vecchio. Ci sono sottili segni di ghiaccio strisciante o flusso viscoso. Ma nessuna riemersione importante.

Dione e Rea sono simili. Le loro superfici ricordano gli altopiani lunari. Molti crateri. Le macchie luminose suggeriscono ghiaccio fresco esposto. Eppure Dione mostra un’attività più recente nonostante sia più piccola di Rea. Sono riemerse le pianure. I sistemi di frattura tagliano la sua crosta. Anche qui il calore interno ha giocato un ruolo.

Il lato oscuro di Giapeto

Giapeto è bizzarro. I suoi emisferi principale e finale hanno una riflettività nettamente diversa. Il lato principale è incredibilmente scuro. Il materiale più scuro si trova all’apice del suo movimento orbitale. Cassini ha trovato lì anidride carbonica, sostanze organiche e composti di cianuro.

Il lato finale è l’opposto. È fino a 10 volte più riflettente. È fortemente craterizzato e per lo più è ghiaccio d’acqua.

Perché un tale divario? Il materiale scuro proveniente dall’anello di polvere di Febe si raccoglie nell’emisfero principale. Questa polvere scura assorbe la luce solare. La regione si riscalda. Lì il ghiaccio d’acqua si trasforma in vapore. Il vapore migra. Si condensa e congela sull’emisfero finale più freddo. Il processo amplifica il contrasto. La bassa densità media di Giapeto suggerisce che la Luna sia interamente costituita principalmente da acqua ghiacciata.

Le dinamiche che governano le lune di Saturno non sono statiche. Sono un sistema caotico e pulsante di scambi gravitazionali che sfidano una semplice spiegazione. Alcuni di questi comportamenti si collegano direttamente agli anelli del pianeta, creando un enigma che gli scienziati stanno ancora cercando di risolvere.

Consideriamo le piccole lune Giano, Epimeteo e Pandora. Appendono vicino al bordo esterno del sistema di anelli principale. Le interazioni gravitazionali con le particelle dell’anello le spingono verso l’esterno. È una forza minuscola. Ma è costante. Questo scambio di momento angolare fa due cose. Riduce la diffusione causata dalle collisioni negli anelli. Inoltre spinge le lune in orbite più grandi.

Ecco il problema. Queste lune sono minuscole. Se questo processo continuasse per tutta l’era del sistema solare, si troverebbero ben oltre la loro posizione attuale. Non lo sono. Rimane il bordo esterno affilato dell’anello principale. Le lune interiori come Atlante rimangono al loro posto. Ciò supporta un’ipotesi preoccupante. L’attuale sistema di anelli è molto più giovane dello stesso Saturno.

Le Lune del Pastore

Pandora e Prometeo sono gli esempi più famosi di confinamento. La Voyager 1 li ha catturati in orbita su entrambi i lati dello stretto anello F. La Pioneer 11 aveva trovato quell’anello solo un anno prima.

Qui si applica il termine “luna del pastore”. Questi corpi mantengono le particelle dell’anello confinate in una banda stretta. Prometeo agisce come pastore interiore. Spinge l’anello verso l’esterno. Questa azione attira Prometeo stesso verso l’interno. Pandora è il pastore esteriore. Riceve momento angolare dall’anello. Questo spinge l’anello verso l’interno e spinge Pandora verso l’esterno.

La missione Cassini lo ha registrato chiaramente. Bande complesse di particelle ondulatorie vengono estratte dall’anello F al passaggio dei pastori.

Il termine pastore è spesso usato per descrivere qualsiasi luna che vincola l’estensione di un anello attraverso le forze gravitazionali.

Questa definizione è ampia. Include Giano ed Epimeteo, i cui effetti dell’anello sono stati descritti sopra. Include anche lune che creano spazi vuoti come Pan.

Partner coorbitali

Giano ed Epimeteo condividono la stessa orbita media. Sono coorbitali. Ogni pochi anni si avvicinano l’un l’altro. La loro gravità interagisce. L’uno trasmette il momento angolare all’altro. Il destinatario si sposta in un’orbita leggermente più alta. Il trasmettitore cade in uno leggermente più basso. Il processo si inverte all’approccio successivo.

Non tutti i coorbitali si comportano in questo modo. Anche Teti e Dione hanno dei compagni. Ma Teti e Dione sono enormi. Non vi è alcuno scambio significativo di momento angolare. Invece, i loro compagni si trovano in punti lagrangiani stabili.

Telesto e Calipso guidano e seguono Teti di 60°. Sono analoghi agli asteroidi troiani nell’orbita di Giove. Helene e Polydeuces fanno lo stesso per Dione. Guidano e seguono in media.

Risonanza e calore

Esistono diverse coppie di lune in risonanze dinamiche stabili. Si incrociano periodicamente. I loro periodi orbitali si riferiscono a piccoli numeri interi.

Prendi Hyperion e Titano. Titano orbita in 15,94 giorni. Hyperion impiega 21,28 giorni. Il rapporto è di circa 4:3. Titano completa quattro orbite mentre Hyperion ne completa tre. Passano sempre più vicino all’apoapse di Hyperion, il punto più lontano del suo percorso ellittico.

Titano è più di 50 volte più massiccio di Hyperion. Trasmette la maggior quantità di slancio negli stessi punti dell’orbita di Hyperion. Queste “spinte” periodiche costringono Hyperion in un’orbita eccentrica relativamente allungata.

Questo è importante per l’evoluzione geologica. Le risonanze possono forzare le eccentricità orbitali a valori elevati.

Normalmente, le interazioni di marea riducono l’eccentricità. L’attrazione gravitazionale di Saturno deforma ciclicamente le lune più vicine. Questo effetto frenante provoca una rotazione sincrona. La luna ruota alla stessa velocità con cui ruota. Lo stesso emisfero è sempre rivolto verso il pianeta. La Luna della Terra fa questo. Lo stesso vale per molte delle lune interne di Saturno.

Quando una luna ruota in modo sincrono, la deformazione è stazionaria nel suo sistema di riferimento. Il riscaldamento per attrito si arresta.

Ma la risonanza cambia tutto. Una luna costretta in un’orbita eccentrica dalla risonanza sperimenta l’interazione delle maree anche nella rotazione sincrona. Viaggia alternativamente più lontano e più vicino al pianeta. La deformazione diventa dinamica. Genera calore attraverso l’attrito interno.

Io di Giove è l’esempio estremo. La risonanza con Europa la costringe ad un percorso eccentrico. Io è il corpo più vulcanicamente attivo del sistema solare.

Le lune di Saturno probabilmente seguono una logica simile. Se le risonanze mantengono le loro eccentricità, potrebbero ancora riscaldarsi internamente. La domanda è se possiamo rilevare quel calore. O se la giovinezza degli anelli suggerisse che il sistema si resettasse completamente, cancellando ogni precedente storia termica.

Il calore nascosto delle lune di Saturno

I modelli attuali mostrano che le forze di marea non stanno facendo molto per riscaldare le lune di Saturno in questo momento. I conti semplicemente non quadrano. Ma il passato racconta una storia diversa. Allora, l’attrito avrebbe potuto essere significativo. Ci ricorda che questi corpi celesti cambiano. Sono fantastici. Si spostano.

Prendi Encelado. Il suo polo sud è una questione completamente diversa. Le famose “strisce di tigre” sono ampie fessure. Emettono materiale ghiacciato nello spazio. Questi detriti formano l’anello E diffuso. La luna orbita all’interno di quell’anello. Il collegamento è diretto.

Gli scienziati stanno ancora cercando di individuare la causa esatta di questa attività termica. Le fessure sono calde. Troppo caldo per un semplice decadimento radiogenico. La teoria principale punta alla deformazione delle maree. Anche se il calore attuale è basso, è probabile che il motore sia lo stress meccanico della gravità di Saturno sulla crosta lunare. Flette il ghiaccio. Questo attrito genera calore. Mantiene liquido l’oceano sotterraneo.

Le strisce di tigre sono la fonte attuale del materiale ghiacciato per l’anello E diffuso.

Non si tratta solo di graziosi anelli. È una questione di abitabilità. Se le forze delle maree fossero state più forti in passato, quelle lune avrebbero potuto essere più calde più a lungo. Le condizioni per la vita avrebbero potuto esistere quando non esistevano adesso. Stiamo osservando una cronologia geologica. Non un’istantanea statica.

Resta la questione se possiamo rilevare questa antica attività. La geologia della superficie offre indizi. Crepe. Pianure lisce. Eventi in ricomparsa. Tutto indica un interno dinamico. La gravità di Saturno è una forza trainante. Non si ferma mai. Cambia semplicemente intensità. Capire questo ci aiuta a prevedere come potrebbero apparire le altre lune. Più vicino ai loro pianeti. Più caldo. Più attivo.

Hyperion infrange le regole. La maggior parte delle lune del sistema solare si blocca in una rotazione sincrona perché le forze di marea trascinano i loro giri al passo con le loro orbite. Hyperion si rifiuta di conformarsi. La sua orbita eccentrica e la sua forma stranamente non sferica creano un disordinato tiro alla fune tra la sua rotazione e il momento angolare orbitale. Il risultato è il caos. Matematicamente parlando, è imprevedibile.

La Voyager l’ha vista ruotare in modo non sincrono in un periodo di circa 13 giorni. Quella era solo un’istantanea. Applica la teoria del caos a quei dati, mescolati con le successive osservazioni basate sulla Terra, e vedrai il quadro reale. Hyperion sta crollando. È l’unico oggetto conosciuto nel sistema solare che ruota in modo caotico. Non puoi prevedere dove si troverà ad affrontare la prossima volta.

Osservare Saturno dalla Terra

Anche con condizioni perfette sulla Terra, i telescopi non riescono a risolvere le caratteristiche di Saturno più piccole di poche migliaia di chilometri. Prima che la navicella spaziale passasse in volo, non sapevamo quasi nulla dei minimi dettagli degli anelli o dell’atmosfera.

Il gap Encke nell’anello A è un buon esempio. Johann Franz Encke lo riportò nel 1837. Per oltre un secolo si dubitò della sua esistenza. Fu solo nel 1978 che Harold Reitsema lo confermò. Ha utilizzato le misurazioni di un’eclissi della luna Giapeto da parte degli anelli per ottenere una risoluzione migliore di quella consentita dai normali metodi basati sulla Terra.

La moderna ricerca basata sulla Terra utilizza trucchi. La spettroscopia infrarossa rivela la composizione e l’equilibrio termico degli anelli, dell’atmosfera e delle lune. Puoi anche ottenere una risoluzione su scala chilometrica osservando le stelle luminose passare dietro il pianeta. Occultazione. Nel 1989, Saturno e Titano occultarono entrambi la stella luminosa 28 Sagittarii. Permette agli astronomi di vedere gli anelli e le strutture atmosferiche con una chiarezza mai vista dai tempi di Voyager.

Poi c’è stata la Grande Macchia Bianca del 1990. I telescopi di superficie e il telescopio spaziale Hubble lo hanno osservato. Hubble era al di sopra dell’effetto distorsivo dell’atmosfera terrestre. Cancella dati. Nel 1995, la Terra è passata attraverso il piano dell’anello di Saturno. La vista dal bordo ci consente di determinare direttamente lo spessore dell’anello. Ha inoltre consentito una misurazione precisa della velocità di precessione dell’asse di rotazione di Saturno.

Le missioni Pioneer e Voyager

Il Pioneer 11 è stato il primo. Lanciato all’inizio degli anni ’70, originariamente era diretto a Giove. Gli scienziati della missione non avevano pianificato una sosta su Saturno. Ma la gravità di Giove li ha aiutati a riorientare la sonda. Lo fecero girare e lo mandarono in volo verso Saturno.

Nel 1979, il Pioneer 11 attraversò l’aereo dell’anello. È arrivato entro 38.000 km (24.000 miglia) dall’anello A. Volò entro 21.000 km (13.000 miglia) dall’atmosfera di Saturno. Abbastanza vicino da sentire il calore, probabilmente.

Seguirono le Voyager 1 e 2. Lanciati nel 1977, inizialmente erano puntati anche su Giove. Queste sonde gemelle trasportavano apparecchiature di imaging molto più elaborate. Sono stati costruiti per i sorvoli ravvicinati di più pianeti. Obiettivi scientifici specifici per ogni destinazione.

Come Pioneer, hanno usato la massa di Giove per manovre di assistenza gravitazionale. Ciò ha reindirizzato le loro traiettorie su Saturno. La Voyager 1 arrivò nel 1980. La Voyager 2 nel 1981. Insieme, restituirono decine di migliaia di immagini di Saturno, dei suoi anelli e delle sue lune. I dati erano schiaccianti. Dettagliato. Vero.

La missione Cassini-Huygens non è stata solo un viaggio su Saturno. È stata un’impresa diplomatica e ingegneristica ventennale che ha coinvolto NASA, ESA e ASI (Italia). Lanciata nel 1997, la navicella spaziale non ha seguito una linea retta. Ci è voluta una scorciatoia cosmica.

Gli aiuti gravitazionali di Venere, Terra e Giove lo hanno catapultato verso il sistema solare esterno. Nel 2004 è arrivato. L’imbarcazione pesava quasi sei tonnellate con carburante. Era una delle macchine più pesanti, costose e complesse che gli esseri umani avessero costruito fino a quel momento.

Ma l’hardware era solo metà della storia.

Un mistero in due parti

La missione si è divisa in due personalità distinte.

Cassini orbita attorno a Saturno. Ha studiato gli anelli, l’atmosfera del pianeta e le lune ghiacciate.

Huygens si stacca. Discese attraverso la densa atmosfera arancione di Titano. Non aveva un paracadute per tutto il viaggio, ma atterrò dolcemente su una superficie solida nel gennaio 2005.

Per tre ore, Huygens ha restituito i dati. Immagini. Letture chimiche. Cassini captò il segnale e lo trasmise sulla Terra. Gli scienziati hanno osservato in tempo reale il momento in cui l’umanità ha toccato per la prima volta il suolo di una luna lontana.

Perché la fine era pianificata

Spesso pensiamo che le missioni spaziali finiscano perché finiscono il carburante o si guastano. La fine di Cassini è stata diversa. È stata una scelta.

Nel 2017 il carburante era finito. La navicella spaziale era anche pericolosamente vicina a lune che avrebbero potuto ospitare la vita. Titano aveva laghi liquidi. Encelado aveva geyser che lanciavano ghiaccio d’acqua nello spazio dal suo polo sud. Questi erano i primi candidati per la biologia extraterrestre.

Se Cassini si fosse schiantata accidentalmente su una delle lune, i batteri terrestri avrebbero potuto contaminarle. Gli scienziati dovevano esserne sicuri.

Quindi hanno guidato la sonda su Saturno.

La Discesa Finale

Nei suoi ultimi mesi Cassini non è rimasta lontana. Si è tuffato nell’atmosfera superiore del pianeta. Ha sfiorato il divario tra Saturno e i suoi anelli. Ha misurato i campi gravitazionali e magnetici con una precisione senza precedenti.

Poi è entrato nell’atmosfera. Il calore e la pressione l’hanno distrutto.

Non è stato un fallimento. Era un protocollo di quarantena.

Distruggendo Cassini, la NASA si assicurò che Titano ed Encelado rimanessero intatti. Se mai in futuro invieremo lì delle sonde portatrici di vita, non porteremo con noi i fantasmi della Terra. Avremo una tabula rasa.

La missione non si è conclusa con uno schianto, ma con un sacrificio controllato. Un ultimo atto di protezione planetaria.

Cosa abbiamo imparato

I dati raccolti in 13 anni hanno cambiato la nostra comprensione del sistema solare. Abbiamo visto modelli meteorologici su Saturno che rivaleggiavano con le tempeste terrestri. Abbiamo mappato l’intricata struttura degli anelli. Abbiamo confermato che i laghi di Titano sono fatti di metano ed etano. Abbiamo scoperto che Encelado ha un oceano sotterraneo.

Queste scoperte suggeriscono che gli ambienti che supportano la vita potrebbero essere più comuni di quanto pensassimo. Non solo sui pianeti rocciosi vicino a una stella, ma nella gelida oscurità del sistema solare esterno.

Cassini ci ha dato uno scorcio di un mondo che non assomiglia alla Terra. Ma uno che si comporta con una complessità simile.

La navicella spaziale è sparita. I dati restano. E la domanda