Saturno no siempre ha tenido anillos

Cruzando los anillos. Concepto artístico de la nave espacial Cassini se muestra contra una foto real de Saturno y sus anillos mientras Cassini cruzaba el plano del anillo. Crédito: NASA/JPL-Caltech

Uno de los últimos actos de la nave espacial Cassini de la NASA antes de sumergirse en la atmósfera de hidrógeno y helio de Saturno fue sumergirse entre el planeta y sus anillos y dejar que la arrastraran, actuando básicamente como una sonda de gravedad.

Las mediciones precisas de la trayectoria final de Cassini ahora han permitido a los científicos realizar la primera estimación precisa de la cantidad de material en los anillos del planeta, pesándolos según la fuerza de su atracción gravitacional.

Esa estimación, aproximadamente el 40 por ciento de la masa de la luna de Saturno Mimas, que en sí misma es 2.000 veces más pequeña que la luna de la Tierra, dice que los anillos son relativamente recientes, se originaron hace menos de 100 millones de años y tal vez hace tan solo como unos 10 millones de años.

Su corta edad aplaca una larga discusión entre los científicos planetarios. Algunos pensaron que los anillos se formaron junto con el planeta hace 4.500 millones de años a partir de restos de hielo que permanecen en órbita después de la formación del sistema solar. Otros pensaron que los anillos eran muy jóvenes y que Saturno, en algún momento, capturó un objeto del cinturón de Kuiper o un cometa y lo redujo gradualmente a escombros en órbita.

La nueva estimación de masa se basa en una medida de cuánto se desvió la trayectoria de vuelo de Cassini por la gravedad de los anillos cuando la nave espacial voló entre el planeta y los anillos en su conjunto final de órbitas en septiembre de 2017. Inicialmente, sin embargo, el la deflexión no coincidía con las predicciones basadas en modelos del planeta y los anillos. Solo cuando el equipo tuvo en cuenta los vientos muy profundos en la atmósfera de Saturno, algo imposible de observar desde el espacio, tuvieron sentido las mediciones, lo que les permitió calcular la masa de los anillos.

"La primera vez que miré los datos no lo creí, porque confié en nuestros modelos y tardé un poco en comprender que hubo un efecto que cambió el campo de gravedad que no habíamos considerado", dijo Burkhard Militzer, un profesor de ciencias de la tierra y planetarias en la Universidad de California, Berkeley, que modela los interiores planetarios. "Resultó ser flujos masivos en la atmósfera de al menos 9.000 kilómetros de profundidad alrededor de la región ecuatorial. Pensamos preliminarmente que estas nubes eran como las nubes en la Tierra, que se limitan a una capa delgada y casi no tienen masa. Pero en Saturno son realmente masivas".

También calcularon que las nubes superficiales en el ecuador de Saturno giran un 4 por ciento más rápido que la capa de 9.000 kilómetros (aproximadamente 6.000 millas) de profundidad. Esa capa más profunda tarda 9 minutos más en girar que las nubes en el ecuador, que recorren el planeta una vez cada 10 horas, 33 minutos.

El interior de Saturno se compone principalmente de tres capas: un núcleo interno profundo hecho principalmente de elementos pesados, con una envoltura de hidrógeno metálico líquido, rodeado por una capa de hidrógeno molecular. Las mediciones de la Cassini les dicen a los científicos sobre el tamaño del núcleo, el flujo de vientos en la atmósfera y la masa de los anillos. Crédito: Imagen de fondo de la NASA / JPL-Caltech

"El descubrimiento de capas profundamente rotativas es una revelación sorprendente sobre la estructura interna del planeta", dijo la científica del proyecto Cassini Linda Spilker, del Jet Propulsion Laboratory de la NASA en Pasadena, California. "La pregunta es qué causa que la parte de la atmósfera que gira más rápidamente se hunda tanto y qué nos dice eso sobre el interior de Saturno".

Militzer también pudo calcular que el núcleo rocoso del planeta debe tener entre 15 y 18 veces la masa de la Tierra, que es similar a las estimaciones anteriores.

El equipo, dirigido por Luciano Iess en la Universidad Sapienza de Roma, Italia, informó sus resultados en la revista Science.

¿Vinieron los anillos de un cometa helado?

Las estimaciones más tempranas de la masa de los anillos de Saturno (entre la mitad y un tercio de la masa de Mimas) provinieron del estudio de las ondas de densidad que viajan alrededor de los anillos rocosos y helados. Estas ondas son causadas por los 62 satélites del planeta, incluido Mimas, que crea la llamada división Cassini entre los dos anillos más grandes, A y B. Mimas es lisa y redonda, de 246 kilómetros de diámetro. Tiene un cráter de gran impacto que lo hace parecerse a la Estrella de la Muerte de las películas de Star Wars.

During the Grand Finale, Cassini passed between the inner edge of Saturn's D-ring and the cloud top. This orbital configuration allowed the dissentanglement of the tiny acceleration of the rings from the large acceleration due to Saturn. The two forces pull the spacecraft in opposite directions. Credit: NASA / JPL-Caltech

"La gente no confiaba en las mediciones de onda porque podría haber partículas en los anillos que son masivas pero no participan en las ondas", dijo Militzer. "Siempre sospechamos que había una masa oculta que no podíamos ver en las olas".

Afortunadamente, cuando Cassini se acercó al final de su vida útil, la NASA lo programó para realizar 22 inmersiones entre el planeta y los anillos para sondear el campo de gravedad de Saturno. Los radiotelescopios terrestres midieron la velocidad de la nave espacial a una fracción de milímetro por segundo.

El nuevo valor de la masa del anillo está en el rango de estimaciones anteriores y permite a los investigadores determinar su edad.

Estos cálculos de edad, liderados por Philip Nicholson de la Universidad de Cornell y Iess, se basan en una conexión que los científicos habían hecho previamente entre la masa de los anillos y su edad. La masa inferior apunta a una edad más temprana, porque los anillos están inicialmente hechos de hielo y son brillantes, pero con el tiempo se contaminan y se oscurecen con los desechos interplanetarios.

"Estas mediciones solo fueron posibles porque Cassini voló tan cerca de la superficie en sus últimas horas", dijo Militzer. "Fue una forma clásica y espectacular de terminar la misión".

Fuente: Universidad de California, Berkeley