Nuevo cinturón de radiación descubierto en Saturno

Esta imagen muestra los cinturones de radiación de protones de Saturno. La radiación en el área entre el planeta y el anillo D se puede ver ampliada en el recuadro y se observó por primera vez en la última fase de la misión de la misión Cassini. Es creado por la incidencia de la radiación cósmica galáctica en los anillos del planeta. Los protones generados de esta manera posteriormente interactúan con la atmósfera de Saturno, su delgado anillo en D y sus anillos. Crédito: MPS/JHUAPL

Los primeros resultados de la fase final de la misión de Cassini muestran protones de energías extremas entre el planeta y sus densos anillos. 

Hace aproximadamente un año, una espectacular inmersión en Saturno terminó con la misión Cassini de la NASA, y con ello una expedición de investigación única de 13 años al sistema saturniano. En los últimos cinco meses de la misión, la sonda entró de nuevo en territorio desconocido: 22 veces se hundió en la región hasta ahora casi inexplorada entre el planeta Saturno y su anillo más interno, el anillo-D. El viernes 5 de octubre de 2018, la revista Science publicó un total de seis artículos que describen los primeros resultados de esta fase de la misión. En uno de estos documentos, un equipo de investigación liderado por el Instituto Max Planck para la Investigación del Sistema Solar en Alemania y el Laboratorio de Física Aplicada de la Universidad Johns Hopkins en los Estados Unidos por primera vez informa sobre los cinturones de radiación de protones únicos formados muy cerca del planeta. Debido a la presencia de los densos anillos A, B y C,

Cuando la sonda espacial Cassini entró en su primera órbita alrededor de Saturno y sus anillos el 1 de julio de 2004, el conjunto de detectores de partículas MIMI (Instrumento de Imagen Imantosférica), que incluye LEMMS (Sistema de Medición de la Esfera e Inferósfera de Baja Energía), que fue desarrollado y construido bajo el liderazgo de MPS, vislumbró brevemente la región entre el planeta y el anillo D más interno. Las mediciones indicaron que puede haber una población de partículas cargadas, pero su composición y propiedades exactas permanecieron oscuras. En los años siguientes, MIMI-LEMMS investigó las partículas atrapadas por el fuerte campo magnético de Saturno fuera de sus anillos, formando su principal cinturón de radiación que consiste en protones de alta energía y electrones. El cinturón de radiación de protones se extiende más de 285.000 kilómetros en el espacio y está fuertemente influenciado por las numerosas lunas de Saturno, que lo segmentan en cinco sectores. "Solo 13 años después, poco antes del final de la misión, tuvimos la oportunidad de realizar un seguimiento de nuestras primeras mediciones en Saturno y ver si un sector de cinturón de radiación adicional coexiste con el anillo D y la atmósfera superior de El planeta ", explica Elias Roussos, científico del autor principal del Instituto Max Planck de Sistemas Solares para sistemas solares. 

La prueba de paciencia de 13 años ya ha dado sus frutos. En su artículo actual de Science, los científicos pintan una imagen completa de los protones que rodean a Saturno en estrecha proximidad. Dos artículos en la revista Geophysical Research Letters elaboran estos hallazgos. 

Al igual que el cinturón de protones principal de Saturno, los protones que pueblan la región cercana al planeta son generados por la radiación cósmica galáctica incidente. Cuando la radiación cósmica interactúa con el material en la atmósfera de Saturno o en sus anillos densos, desencadena una cadena de reacciones que generan protones de alta energía que posteriormente quedan atrapados por el campo magnético del planeta. 

El campo magnético de Saturno es diez veces más fuerte cerca del planeta que en los principales cinturones de radiación. Eso hace que la captura sea tan eficiente que los protones pueden permanecer durante años en la misma línea de campo magnético. Eso los obliga a interactuar continuamente con el anillo D y la atmósfera de Saturno y gradualmente pierden toda su energía. Pero con las densidades del tenue anillo en D desconocidas, no estaba claro lo rápido qué se desarrolla esta pérdida de energía y si se puede mantener todo un cinturón de radiación. El modelado teórico indicó que MIMI terminó por medir nada más que ruido, era un escenario viable. 

Afortunadamente, eso no sucedió, al menos para los protones. Las mediciones de LEMMS revelaron una acumulación estable de protones energéticos que se extiende desde la atmósfera de Saturno y en todo el anillo D. La energía que tienen muchos de estos protones es extrema: más de 10 veces más alta de lo que LEMMS fue diseñado para medir. "Tuvimos que desenterrar viejos dibujos mecánicos del instrumento y construir nuevos modelos para entender cómo se mediría en un ambiente tan extremo", agrega Roussos. 

En su fase final de misión, la sonda Cassini entró en la región entre Saturno y el anillo D a lo largo de la trayectoria naranja. La acumulación observada de protones se extiende a través del anillo D. Mientras que la intensidad de protones se reduce visiblemente en los rizos D68 y D73, el rizo D72 apenas influye en ello. Aunque la propia Cassini no se sumergió en el sistema de anillo en D, los LEMMS obtuvieron información sobre su estructura a medida que las partículas atrapadas se mueven a lo largo de las líneas del campo magnético (por ejemplo, marcadas en azul) y llegan a la nave después de que interactúan con el material del anillo. Crédito: MPS/JHUAPL

"Hacia afuera del anillo D, los anillos A, B y C de Saturno, son mucho más densos y polvorientos, formando una barrera efectiva de 62.000 kilómetros para la captura de partículas cargadas", continúa Roussos. Eso significaba que el borde exterior del anillo D estaba tan lejos como podía extenderse este nuevo cinturón de protones, y las mediciones de LEMMS lo confirmaron. "Esto crea un cinturón de radiación que está completamente aislado del resto de la magnetosfera", dice el científico del MPS, Dr. Norbert Krupp, investigador principal del equipo MIMI-LEMMS y coautor del estudio en Science. 

Dentro del sistema solar esta región es única. Ofrece la posibilidad de examinar un cinturón de radiación 

en condiciones de laboratorio, ya que sus protones se crean mediante un proceso muy estable, guiado y controlado por el fuerte campo magnético de Saturno. En el cinturón de radiación principal de Saturno y en los cinturones de radiación de la Tierra y Júpiter, estas condiciones son diferentes, y mucho más complicadas. En la Tierra, por ejemplo, un influjo variable de partículas de alta energía del Sol puede tener una fuerte influencia en la estructura del cinturón de radiación. 

Igualmente de valiosa es la nueva información que LEMMS agrega sobre el sistema de anillo en D, que es demasiado tenue para estudiarla solo con imágenes. Este anillo contiene un total de tres rizos estrechos, todos más brillantes que el resto del anillo y nombrados como D68, D72 y D73. Si bien la intensidad de los protones se redujo con los rizos D68 y D73, el rizo D72 que se encuentra entre ellos no parece tener ningún efecto. "Aunque los rizos D72 y D68 son igualmente brillantes, las mediciones de LEMMS nos muestran que en realidad deben ser muy diferentes", dice Roussos. 

Las mediciones MIMI también revelaron un cinturón secundario de radiación de protones de baja energía a una altitud inferior a varios miles de kilómetros. Este cinturón se forma ocasionalmente cuando los átomos de hidrógeno neutros rápidos creados en la magnetosfera de Saturno quedan atrapados cerca del planeta si impactan su atmósfera y se cargan. "La presencia de este cinturón de altitud inferior muestra que cierta información mínima de la magnetosfera variable y distante de Saturno se puede transmitir a través de los densos anillos del planeta", agrega Krupp. 

En los 13 años que el instrumento MIMI / LEMMS pasó en Saturno, realizó una de las investigaciones más completas de un cinturón de radiación planetario que no era el de la Tierra e incluso ayudó a descubrir anillos desconocidos. Puede encontrar un resumen de estos y otros descubrimientos en el libro "Saturno en el siglo XXI", publicado este mes por Cambridge University Press. El Dr. Norbert Krupp del MPS se encuentra entre sus cuatro editores. 

Fuente: Max Planck Society,