Las ondas en los anillos de Saturno dan una medida precisa de la velocidad de rotación del planeta

Los anillos de Saturno por la Cassini. Crédito: NASA/JPL-Caltech/Space Science Institute

El sistema de anillos de Saturno actúa como un sismógrafo sensible, lo que permite a los científicos medir las vibraciones del planeta gigante y determinar su velocidad de rotación 

Los anillos distintivos de Saturno se observaron con un detalle sin precedentes por la nave espacial Cassini de la NASA, y los científicos ahora han usado esas observaciones para sondear el interior del planeta gigante y obtener la primera determinación precisa de su velocidad de rotación. La duración de un día en Saturno, según sus cálculos, es de 10 horas, 33 minutos y 38 segundos. 

Los investigadores estudiaron los patrones de onda creados dentro de los anillos de Saturno por las vibraciones internas del planeta. En efecto, los anillos actúan como un sismógrafo extremadamente sensible al responder a las vibraciones dentro del propio planeta. 

Esta imagen de los anillos de Saturno fue tomada por la nave espacial Cassini de la NASA el 13 de septiembre de 2017. Es una de las últimas imágenes que Cassini envió a la Tierra. Crédito: NASA/JPL-Caltech/Space Science Institute

Similar a las vibraciones de la Tierra de un terremoto, Saturno responde a las perturbaciones al vibrar a frecuencias determinadas por su estructura interna. La convección por calor en el interior es la fuente más probable de las vibraciones. Estas oscilaciones internas hacen que la densidad en cualquier lugar particular dentro del planeta fluctúe, lo que hace que el campo gravitatorio fuera del planeta oscile a las mismas frecuencias. 

"Las partículas en los anillos sienten esta oscilación en el campo gravitatorio. En los lugares donde esta oscilación resuena con las órbitas de los anillos, la energía se acumula y se arrastra como una onda", explicó Christopher Mankovich, un estudiante graduado en astronomía y astrofísica en UC Santa Cruz. 

Mankovich es el autor principal de un artículo, publicado en el Astrophysical Journal, que compara los patrones de onda en los anillos con modelos de la estructura interior de Saturno. 

El anillo C de Saturno es el hogar de una sorprendente variedad de estructuras y texturas. Gran parte de la estructura vista en las partes externas de los anillos de Saturno es el resultado de perturbaciones gravitacionales en las partículas de los anillos por las lunas de Saturno, pero algunas de las características de los anillos se deben a las vibraciones del planeta. Crédito: NASA/JPL-Caltech/Space Science Institute 

La mayoría de las ondas observadas en los anillos de Saturno se deben a los efectos gravitacionales de las lunas que orbitan fuera de los anillos, dijo el coautor Jonathan Fortney, profesor de astronomía y astrofísica en la UC Santa Cruz. "Pero algunas de las características de los anillos se deben a las oscilaciones del propio planeta, y podemos usarlas para comprender las oscilaciones internas y la estructura interna del planeta", dijo. 

Mankovich desarrolló un conjunto de modelos de la estructura interna de Saturno, los usó para predecir el espectro de frecuencias de las vibraciones internas de Saturno y comparó esas predicciones con las ondas observadas por Cassini en el anillo C de Saturno. Uno de los principales resultados de su análisis es el nuevo cálculo de la velocidad de rotación de Saturno, que ha sido sorprendentemente difícil de medir. 

Como planeta gaseoso gigante, Saturno no tiene una superficie sólida con puntos de referencia que puedan rastrearse mientras gira. Saturno también es inusual al tener su eje magnético alineado casi perfectamente con su eje de rotación. El eje magnético de Júpiter, como el de la Tierra, no está alineado con su eje de rotación, lo que significa que el polo magnético gira a medida que el planeta gira, lo que permite a los astrónomos medir una señal periódica en ondas de radio y calcular la velocidad de rotación. 

La tasa de rotación de 10:33:38 determinada por el análisis de Mankovich es varios minutos más rápida que las estimaciones anteriores basadas en radiometría de la nave espacial Voyager y Cassini. 

Esta imagen de Cassini muestra en detalle sin precedentes una onda de densidad en el anillo B de Saturno, muy probablemente causada por una pequeña luna que perturba sistemáticamente las órbitas de las partículas del anillo. Crédito: NASA/JPL-Caltech/Space Science Institute

"Ahora tenemos la duración del día de Saturno, cuando pensamos que no podríamos encontrarlo", dijo la científica de proyecto Cassini, Linda Spilker. "Usaron los anillos para asomarse al interior de Saturno, y sacaron esta cualidad tan buscada y fundamental del planeta. Y es un resultado realmente sólido. Los anillos fueron la respuesta". 

La idea de que los anillos de Saturno podrían usarse para estudiar la sismología del planeta se sugirió por primera vez en 1982, mucho antes de que las observaciones necesarias fueran posibles. El coautor Mark Marley, ahora en el Centro de Investigación Ames de la NASA en Silicon Valley, posteriormente desarrolló la idea de su Ph.D. La tesis en 1990, mostró cómo se podían hacer los cálculos y predijo dónde estarían las características en los anillos de Saturno. También señaló que la misión Cassini, entonces en las etapas de planificación, podría hacer las observaciones necesarias para probar la idea. 

"Dos décadas más tarde, las personas observaron los datos de Cassini y encontraron características de timbre en las ubicaciones de las predicciones de Mark", dijo Fortney. 

Fuente: Universidad de California, Santa Cruz