Los anillos y la inclinación de Saturno podrían ser el producto de una luna antigua y desaparecida.
Los científicos proponen que una luna perdida de Saturno, a la que llaman Crisálida, fue atraída por el planeta hasta que se rompió, formando anillos y contribuyendo a la inclinación de Saturno. Esta vista de color natural de Saturno fue creada mediante la combinación de seis imágenes capturadas por la nave espacial Cassini de la NASA el 6 de mayo de 2012. Cuenta con la enorme luna de Saturno, Titán, que es más grande que el planeta Mercurio. Debajo de Titán están las sombras proyectadas por los anillos de Saturno. Crédito: NASA/JPL-Caltech/Space Science Institute
Girando alrededor del ecuador del planeta, los anillos de Saturno son un indicador obvio de que el planeta está girando en una inclinación. El gigante gaseoso con cinturón gira en un ángulo de 26,7 grados en relación con el plano en el que orbita el sol. Debido a que la inclinación de Saturno precesa, como una peonza, casi a la misma velocidad que la órbita de su vecino Neptuno, los astrónomos han sospechado durante mucho tiempo que esta inclinación proviene de interacciones gravitacionales con Neptuno.
Saturno es el sexto planeta desde el Sol y el segundo planeta más grande de nuestro sistema solar. Saturno, un gigante gaseoso como Júpiter, es una bola masiva hecha principalmente de hidrógeno y helio. Si bien no es el único planeta que tiene anillos, ninguno es tan magnífico o tan complejo como el de Saturno. Saturno también tiene docenas de lunas. Lleva el nombre del dios romano de la agricultura y la riqueza, que también fue el padre de Júpiter.
Sin embargo, un nuevo estudio de modelado realizado por astrónomos del MIT y otros lugares ha encontrado que, si bien los dos planetas pueden haber estado alguna vez sincronizados, Saturno ha escapado desde entonces de la atracción de Neptuno. ¿Qué fue responsable de este realineamiento planetario? El equipo de investigación tiene una hipótesis meticulosamente probada: una luna perdida. Su estudio fue publicado en la revista Science el 15 de septiembre.
En el estudio, el equipo propone que Saturno, que hoy alberga 83 lunas, una vez albergó al menos una más, un satélite adicional que llamaron Crisálida. Junto con sus hermanos, sugieren los astrónomos, Crisálida orbitó Saturno durante varios miles de millones de años, tirando y tirando del planeta de una manera que mantuvo su inclinación, u “oblicuidad”, en resonancia con Neptuno.
Sin embargo, el equipo estima que hace unos 160 millones de años, Chrysalis se volvió inestable y se acercó demasiado a su planeta en un encuentro que separó el satélite. La pérdida de la luna fue suficiente para quitar a Saturno de las garras de Neptuno y dejarlo con la inclinación actual.
Además, los astrónomos conjeturan que, si bien la mayor parte del cuerpo destrozado de Chrysalis puede haber impactado con Saturno, una fracción de sus fragmentos podría haber permanecido suspendida en órbita, eventualmente rompiéndose en pequeños trozos helados para formar los anillos característicos del planeta.
Chrysalis, el satélite desaparecido, por lo tanto, podría explicar dos misterios de larga data: la inclinación actual de Saturno y la edad de sus anillos, que anteriormente se estimaban en unos 100 millones de años, mucho más jóvenes que el propio planeta.
Esta fue la visión de Cassini desde la órbita alrededor de Saturno el 2 de enero de 2010. En esta imagen, los anillos en el lado nocturno del planeta se han iluminado significativamente para revelar más claramente sus características. En el lado diurno, los anillos están iluminados tanto por la luz solar directa como por la luz reflejada en las nubes de Saturno. Crédito: ASA/JPL-Caltech/Space Science Institute
“Al igual que la crisálida de una mariposa, este satélite estuvo inactivo durante mucho tiempo y de repente se activó, y surgieron los anillos”, dice Jack Wisdom. Es autor principal del nuevo estudio y profesor de ciencias planetarias en el MIT.
Los coautores del estudio incluyen a Rola Dbouk en el MIT, Burkhard Militzer de la Universidad de California en Berkeley, William Hubbard en la Universidad de Arizona, Francis Nimmo y Brynna Downey de la Universidad de California en Santa Cruz, y Richard French de Wellesley College.
Un momento de progreso
A principios de la década de 2000, los científicos plantearon la idea de que el eje inclinado de Saturno es el resultado de que el planeta quedó atrapado en una resonancia, o asociación gravitacional, con Neptuno. Sin embargo, las observaciones tomadas por la nave espacial Cassini de la NASA, que orbitó Saturno de 2004 a 2017, dieron un nuevo giro al problema. Los científicos descubrieron que Titán, el satélite más grande de Saturno, estaba migrando lejos de Saturno a un ritmo más rápido de lo esperado, a un ritmo de unos 11 centímetros por año. La rápida migración de Titán, y su atracción gravitacional, llevaron a los científicos a concluir que la luna era probablemente responsable de inclinar y mantener a Saturno en resonancia con Neptuno.
Una vista de la nave espacial Cassini de la NASA muestra el hemisferio norte de Saturno en 2016 cuando esa parte del planeta se acerca a su solsticio de verano del hemisferio norte. Un año en Saturno es 29 años terrestres; los días solo duran 10:33:38, según un nuevo análisis de los datos de Cassini. Créditos: NASA/JPL-Caltech/Space Science Institute
Sin embargo, esta explicación depende de un importante factor desconocido: el momento de inercia de Saturno, que es cómo se distribuye la masa en el interior del planeta. La inclinación de Saturno podría comportarse de manera diferente, dependiendo de si la materia está más concentrada en su núcleo o hacia la superficie.
“Para avanzar en el problema, tuvimos que determinar el momento de inercia de Saturno”, dice Wisdom.
El elemento perdido
En su nuevo estudio, Wisdom y sus colegas buscaron precisar el momento de inercia de Saturno utilizando algunas de las últimas observaciones tomadas por Cassini en su “Gran Final”, una fase de la misión durante la cual la nave espacial hizo un acercamiento extremadamente cercano para mapear con precisión el campo gravitacional alrededor de todo el planeta. El campo gravitatorio se puede utilizar para determinar la distribución de la masa en el planeta.
Wisdom y sus colegas modelaron el interior de Saturno e identificaron una distribución de masa que coincidía con el campo gravitatorio que Cassini observó. Sorprendentemente, descubrieron que este momento de inercia recién identificado colocaba a Saturno cerca, pero justo fuera de la resonancia con Neptuno. Los planetas pueden haber estado alguna vez sincronizados, pero ya no lo están.
“Luego fuimos a buscar formas de sacar a Saturno de la resonancia de Neptuno”, dice Wisdom.
La mirada de 2021 del Hubble a Saturno muestra cambios de color rápidos y extremos en las bandas del hemisferio norte del planeta. Crédito: NASA, ESA, A. Simon (NASA-GSFC) y M. H. Wong (UC Berkeley); Procesamiento de imágenes: A. Pagan (STScI)
Primero, el equipo llevó a cabo simulaciones para evolucionar la dinámica orbital de Saturno y sus lunas hacia atrás en el tiempo, para ver si alguna inestabilidad natural entre los satélites existentes podría haber influido en la inclinación del planeta. Esta búsqueda salió vacía.
Entonces, los investigadores reexaminaron las ecuaciones matemáticas que describen la precesión de un planeta, que es cómo cambia el eje de rotación de un planeta con el tiempo. Un término en esta ecuación tiene contribuciones de todos los satélites. El equipo razonó que si un satélite fuera eliminado de esta suma, podría afectar la precesión del planeta.
Datos de Saturno: Tipo de planeta: Gigante gaseoso Radio: 36,183.7 millas / 58,232 kilómetros Día: 10.7 horas Año: 29 años terrestres Lunas: 63 confirmadas y nombradas / 20 provisionales Inclinación del eje: 26.73 grados
La pregunta era, ¿qué tan masivo tendría que ser ese satélite, y qué dinámica tendría que sufrir para sacar a Saturno de la resonancia de Neptuno?
Wisdom y sus colegas realizaron simulaciones para determinar las propiedades de un satélite, como su masa y radio orbital, y la dinámica orbital que se requeriría para sacar a Saturno de la resonancia.
Conclusiones del estudio
A partir de sus resultados, concluyen que la inclinación actual de Saturno es el resultado de la resonancia con Neptuno y que la pérdida del satélite, Chrysalis, que era aproximadamente del tamaño de la tercera luna más grande de Saturno, Iapetus, le permitió escapar de la resonancia.
En algún momento entre 200 y 100 millones de años atrás, Chrysalis entró en una zona orbital caótica, experimentó una serie de encuentros cercanos con Iapetus y Titán, y finalmente se acercó demasiado a Saturno, en un encuentro que rompió el satélite en pedazos, dejando una pequeña fracción para rodear el planeta como un anillo lleno de escombros.La pérdida de Crisálida, encontraron, no solo explica la precesión de Saturno y su inclinación actual, sino que también explica la formación tardía de sus espectaculares anillos.
“Es una historia bastante buena, pero como cualquier otro resultado, tendrá que ser examinado por otros”, dice Wisdom. “Pero parece que este satélite perdido era solo una crisálida, esperando tener su inestabilidad”.
Referencia: “La pérdida de un satélite podría explicar la oblicuidad de Saturno y los anillos jóvenes” por Jack Wisdom, Rola Dbouk, Burkhard Militzer, William B. Hubbard, Francis Nimmo, Brynna G. Downey y Richard G. French, 15 de septiembre de 2022, Science.
Esta investigación fue apoyada, en parte, por la NASA y la National Science Foundation.