Historia planetaria escrita en los anillos de Saturno

Saturno puede parecer tranquilo e inmóvil desde lejos, pero el inmenso planeta está pulsando y oscilando sutilmente y esas oscilaciones imponen un patrón en los anillos del planeta que podría contarnos sobre la historia de Saturno.

Esta imagen en color natural de la nave espacial Cassini revela los famosos anillos de Saturno en detalle.
NASA / JPL-Caltech / Instituto de Ciencias Espaciales

Un planeta en movimiento

Este primer plano extremo de los anillos de Saturno de Cassini muestra las bandas alternas oscuras y claras de ondas de densidad en espiral.
NASA / JPL-Caltech / Instituto de Ciencias Espaciales

Mientras la nave espacial Cassini orbitaba Saturno, observó cómo la luz goteaba a través de los anillos helados del planeta cuando pasaban frente a estrellas distantes. La luz estelar parpadeante reveló ondas de densidad, rayas alternas de material compactado y suelto. Esas ondas de densidad nos dicen mucho más que lo que está sucediendo en los anillos, también nos dicen sobre los movimientos de la superficie de Saturno.

Yanqin Wu (Universidad de Toronto, Canadá) y Yoram Lithwick (Universidad del Noroeste) combinaron observaciones y teoría para estudiar las oscilaciones de la superficie de Saturno. Descubrieron que los impactos de objetos pequeños eran la causa más probable de las oscilaciones, con la convección y las tormentas atmosféricas desempeñando un papel menor. Cada uno de esos impactos hizo que Saturno "sonara" como una campana, y el volumen del "sonido" que escuchamos ahora depende de qué tan fuerte fue golpeado, cuántas veces, cuánto tiempo atrás y qué tan rápido se desvanece.

Sonando como una campana

Energías asociadas con diferentes modos de oscilación derivados de las observaciones de Cassini (cuadrados negros) y la teoría (círculos de colores y líneas discontinuas grises). Si bien la teoría del impacto coincide bien con las observaciones para valores altos de l, es varios órdenes de magnitud demasiado bajos a valores bajos de l. Las explicaciones alternativas, que se muestran en el gráfico de la derecha, hacen coincidir los datos más estrechamente con esos valores bajos de l. Click para agrandar.
Wu y Lithwick 2019

Las oscilaciones de Saturno disminuyen a medida que la energía es arrastrada por las ondas de densidad en sus anillos, un proceso que puede llevar hasta 20 millones de años. Al considerar la frecuencia esperada y el tamaño de los impactos durante ese período de tiempo, los autores encuentran que las colisiones en el pasado distante podrían haber impartido suficiente energía para hacer que Saturno suene como lo vemos hoy, con la excepción de algunos modos de oscilación.

Los autores exploraron varias posibilidades para explicar el desajuste. Saturno podría haber experimentado un impacto de una vez en un millón de años en los últimos 40, 000 años, una llamada huelga "afortunada". También es posible que algunos modos de oscilación se desvanezcan más rápido que otros o que la energía se transfiera entre modos.

Otra posibilidad intrigante es que esos modos perdidos no están excitados por los impactos sino por algo más exótico: las tormentas de rocas. Estas tormentas masivas pueden comenzar en las profundidades de Saturno, donde la presión atmosférica es aproximadamente diez mil veces mayor que la presión en la superficie de la Tierra. Como todavía no está claro si estas tormentas masivas realmente existen, los autores reconocen que la teoría aún no se puede probar o refutar.

Simulaciones de dos firmas potencialmente observables del impacto de un objeto de 150 km: momentos gravitacionales (izquierda) y velocidad radial (derecha).
Wu y Lithwick 2019

Simulaciones de dos firmas potencialmente observables del impacto de un objeto de 150 km: momentos gravitacionales (izquierda) y velocidad radial (derecha). [Wu y Lithwick 2019]

De un gigante gaseoso a otro

¿Podrían usarse las oscilaciones para aprender sobre la historia de impacto de otros planetas? Como Júpiter carece de un extenso sistema de anillos para actuar como amortiguador, cualquier oscilación inducida por el impacto duraría mucho más tiempo, potencialmente hasta miles de millones de años, y podríamos detectarlos.

Para mostrar esto, Wu y Lithwick estimaron cómo respondería Júpiter a una colisión con un cuerpo de 150 km hace mil millones de años. Descubrieron que los cambios resultantes en el campo gravitacional de Júpiter y la velocidad de la superficie deberían ser detectables por Juno y la espectroscopía terrestre, respectivamente. Con más estudios, podremos leer las oscilaciones de Saturno y Júpiter para mirar hacia atrás en el tiempo.

Citación
"Memorias de un planeta gigante", Yanqin Wu y Yoram Lithwick 2019 ApJ 881 142. doi: 10.3847 / 1538-4357 / ab2892


Esta publicación apareció originalmente en AAS Nova, que presenta aspectos destacados de investigaciones de las revistas de la American Astronomical Society.