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Astrofísica

Una luciérnaga en Saturno

Un equipo de científicos brasileños propone un modelo para explicar el origen del anillo tenue situado alrededor del segundo mayor planeta del Sistema Solar

En un telegrama de tan sólo 15 líneas enviado a la Unión Astronómica Internacional (IAU, por sus siglas en inglés), la astrónoma estadounidense Carolyn Porco anunció el 11 de octubre de 2006 el descubrimiento de cuatro nuevos anillos alrededor del planeta Saturno. Como investigadora de la Universidad de Colorado en Boulder, Estados Unidos, Porco comandaba el equipo de imágenes de la sonda espacial Cassini, que había llegado a la órbita del segundo planeta del Sistema Solar en tamaño dos años antes e iniciaba su misión consistente en recabar datos sobre Saturno, sus lunas y sus anillos. Doce años más tarde, en un artículo que salió publicado en enero de este año en la revista The Astrophysical Journal, el físico brasileño Othon Cabo Winter y su equipo en la Universidade Estadual Paulista (Unesp), campus de Guaratinguetá, en el interior del estado de São Paulo, presentan la caracterización más minuciosa que se haya elaborado sobre el mayor de esos cuatro anillos.

El grupo de científicos, que contó con la colaboración del astrofísico Dietmar Foryta, de la Universidad Federal de Paraná, también propone un mecanismo para explicar la existencia permanente de esa estructura, posiblemente formada por partículas microscópicas de hielo, que podría ser completamente destruida en pocos años por Jano y Epimeteo, dos de las lunas del planeta que ocupan una órbita coincidente con la del anillo. “El hallazgo de un anillo de partículas en la misma órbita de esos satélites torna a ese sistema complejo e interesante”, comenta Winter, experto en dinámica del Sistema Solar.

Aún sin un nombre oficial, ese anillo se encuentra a unos 150 mil kilómetros (km) de Saturno, algo más allá que los cinco anillos internos y fácilmente visibles, denominados D, C, B, A y F, según el orden en que fueron descubiertos. Mientras cursaba su maestría bajo la dirección de Winter, el físico Alexandre dos Santos Souza analizó una secuencia de imágenes obtenidas por la sonda Cassini durante casi seis horas del día 15 de septiembre de 2006. Las imágenes confirmaron que el anillo era completo, es decir, que no estaba conformado por arcos discontinuos, tal como habían sospechado inicialmente los investigadores. Mediciones del flujo luminoso proveniente del anillo permitieron a Souza y Winter calcular que su ancho varía entre 7 mil y 8 mil km –más que el radio de la Tierra, que mide 6.400 kilómetros– y casi un 50% más que lo estimado en 2006 por Carolyn Porco.

El anillo sería muy reciente y casi todo su material estaría formado por residuos de esas dos lunas de Saturno

Partículas microscópicas
El anillo, extremadamente tenue, era casi invisible incluso para las cámaras de la Cassini. La sonda sólo lograba detectarlo desde ángulos muy específicos, y por eso el grupo de la Unesp le asignó el mote de luciérnaga, como los coleópteros que incluso hallándose cerca, sólo suelen ser vistos cuando emiten luz. A propósito, esta característica indujo a Winter y sus colaboradores a inferir que el anillo está compuesto por partículas microscópicas, en un rango de tamaño de micrones (1 micrón equivale a 1 milésima de milímetro). Hay una explicación física para tal conclusión. Las partículas diminutas se tornan visibles a contraluz porque despejan la luz que incide sobre ellas. Este fenómeno, denominado Difusión de Mie, propuesto por el físico alemán Gustav Mie (1868-1957), sólo ocurre cuando el tamaño de la partícula es equivalente al de la longitud de onda de la luz, que, en el caso del espectro visible, varía entre 0,37 y 0,75 micrones. Casi todos los anillos más próximos de Saturno se divisan con mayor facilidad porque, además de ser más anchos, están formados por partículas mayores, de centímetros a metros de diámetro, que reflejan la luz del Sol.

Ante esta conclusión y a partir del hecho de que las imágenes tomadas por la Cassini indicaron que el anillo “luciérnaga” no es temporario, Winter y sus colaboradores comenzaron a buscar una forma de explicar su existencia permanente. Al fin y al cabo, siendo partículas tan diminutas, ¿no terminarían siendo tragadas por Jano y Epimeteo, las lunas cuya trayectoria sigue la misma órbita del anillo?

Lo más probable, dedujeron los científicos, es que efectivamente, el anillo se desvanezca. Aunque no definitivamente. A medida que evolucionan en su trayectoria alrededor de Saturno, Jano, con sus 190 km de diámetro, y Epimeteo, con casi 140 km, incorporaron por colisión y por atracción gravitatoria buena parte de las partículas con las que se toparon en su camino. Simulaciones matemáticas realizadas por los físicos Daniela Mourão y Rafael Sfair indicaron que las partículas del anillo luciérnaga tienen poca expectativa de vida. Según esos cálculos, que tuvieron en cuenta la atracción gravitatoria de Saturno y de las lunas cercanas al anillo (Mimas, Tetis, Encélado, Dione y Titán), además de la presión que ejercen las partículas emanadas por el Sol, las partículas que conforman el anillo “luciérnaga” durarían, en promedio, 20 años. “Ese es un tiempo de vida muy corto”, dice Winter. “El anillo desaparecería si no hubiera una reposición constante”.

NASA/ JPL-Caltech/ Space Science Institute El choque constante del polvo interplanetario con las superficies de Epimeteo (a la izq.) y Jano produciría partículas micrométricas que serían las responsables del mantenimiento del anilloNASA/ JPL-Caltech/ Space Science Institute

Polvo que se estrella contra el hielo
Evidencias previas de que las partículas de polvo existentes en el espacio chocan permanentemente con los cuerpos celestes –y también con los satélites en órbita de la Tierra– condujeron a los científicos a imaginarse un posible mecanismo de realimentación del anillo. En otras simulaciones matemáticas, la física Silvia Giuliatti Winter, experta en los anillos de Saturno, y Sfair, calcularon el índice de producción de partículas micrométricas provocado por el choque de partículas de polvo interplanetario con las superficies de Jano y Epimeteo. A partir de esos datos, la colisión de esas partículas mayores (de alrededor de 100 micrones de diámetro) con el hielo de la superficie de las lunas produciría casi una tonelada de partículas menores –de 1 a 13 micrones de diámetro– por día. “Eso sería suficiente para mantener el anillo”, dice Othon Winter. “Según nuestro modelo, las partículas menores se producen en mayor cantidad”.

“Lo más destacado de ese trabajo fue que demostró que el brillo del anillo es consistente con el material liberado por la superficie de las lunas Jano y Epimeteo, algo que ya se sospechaba”, dice el físico Matthew Hedman, docente de la Universidad de Idaho, en Estados Unidos. Experto en dinámica planetaria, él es uno de los científicos que formó parte del equipo de la misión Cassini, que durante 13 años sobrevoló los anillos y las lunas de Saturno, y actualmente analiza buena parte de las imágenes que la sonda espacial envió a la Tierra. “Eso significa que probablemente el anillo esté conformado casi en su totalidad por restos de las dos lunas y que ese material es bastante joven”, comenta Hedman. “Los anillos como ese pueden sufrir transformaciones muy veloces como respuesta a cambios en el ambiente”.

Un tiempo antes de concluir sus estudios sobre el anillo “luciérnaga”, Winter, Mourão y el astrónomo alemán Lucas Treffenstädt, que hace algunos años pasó una temporada en Guaratinguetá, intentaron explicar cómo dos lunas con tamaño y masa tan similares como Jano y Epimeteo podrían formarse en una misma órbita. Según el modelo que idearon, que presentaron en un artículo en la revista Astronomy and Astrophysics en 2015, lo más probable es que cada uno de esos satélites –Saturno tiene 62 en total– habría surgido a partir de la colisión de dos cuerpos celestes mayores.

Proyecto
La importancia de los cuerpos pequeños en la dinámica orbital (nº 16/24561-0); Modalidad Proyecto Temático; Investigador responsable Othon Cabo Winter (Unesp); Inversión R$ 1.009.436,80

Artículos científicos
WINTER, O. C. et al. Particles co-orbital to Janus and to Epimetheus: A firefly planetary ring. The Astrophysical Journal. v. 852 (14). 1º ene. 2018.
TREFFENSTÄDT, L. L.; MOURÃO, D. C.; y WINTER, O. C. Formation of the Janus-Epimetheus system through collisions. Astronomy and Astrophysics. 23 sept. 2015.

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