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Durante más de una década, la nave espacial Cassini tuvo quizás la vista más espectacular del sistema solar.
Una y otra vez dio vueltas alrededor de Saturno, observando los magníficos anillos desde muchos ángulos. Trazó anillos individuales, observó ondas y ondulaciones, y descubrió «hélices» y otras características extrañas incrustadas en el sistema de anillos.
Y luego la vista mejoró. Durante sus últimas 22 órbitas, Cassini se sumergió en el espacio entre las cimas de las nubes de Saturno y el borde interior de los anillos, pasando tan cerca de ellos que tuvo que utilizar su antena parabólica como escudo contra las partículas de los anillos.
Esa perspectiva produjo una ciencia impresionante, así como unas vistas impresionantes. Las observaciones de Cassini revelaron la masa de los anillos y proporcionaron mejores estimaciones de cuándo se formaron y cuánto tiempo podrían continuar.
«Antes del final de Cassini, había dos grandes incógnitas, y ahora se han resuelto: Cuál es la masa de los anillos, y cuál es la tasa de pérdida de masa de los anillos», dijo Luke Moore, un científico investigador senior de la Universidad de Boston.
A partir de esas mediciones, los investigadores concluyeron que resulta que estamos viendo los anillos de Saturno en medio de una vida relativamente corta, que comenzó tal vez hace 100 millones de años y podría durar 100 millones de años más.
Los descubrimientos de los anillos de Cassini no terminaron ahí, sin embargo. La nave voló a través de la «lluvia de anillos» -una lluvia de partículas de los anillos en la atmósfera de Saturno- lo que le permitió medir directamente la composición de los anillos. Sus instrumentos también midieron los efectos de la lluvia de anillos en la atmósfera de Saturno. Y los científicos incluso utilizaron la apariencia de los anillos para deducir la duración del día de Saturno, añadiendo un logro más al reconocimiento de los anillos de Saturno por parte de Cassini.
Convirtiéndose en el «Señor de los Anillos»
Los anillos principales de Saturno se extienden a lo largo de unos 275.000 kilómetros -aproximadamente dos tercios de la distancia entre la Tierra y la Luna-, aunque su grosor medio no supera las decenas de metros. De fuera a dentro, los anillos se denominan A, B, C y D, y los tres primeros están formados por muchos anillos individuales más pequeños. (Unos pocos anillos débiles y de baja masa acechan fuera del anillo A, pero son insignificantes en comparación con las bandas principales). Los anillos A y B son anchos y densos, y contienen la mayor parte de la masa del sistema de anillos.
El anillo C ayudó a los astrónomos a resolver un desconcertante misterio sobre Saturno: la duración de su día, que había sido difícil de precisar.
Chris Mankovich, estudiante de posgrado de la Universidad de California en Santa Cruz, estudió las ondas del anillo C para su tesis doctoral. Esas ondas son generadas por los movimientos de las capas que se encuentran a varios miles de kilómetros por debajo de las cimas de las nubes de Saturno.
«La masa dentro del planeta se agita de un lado a otro, y los anillos ‘sienten’ eso a través de la gravedad», dijo.
Cassini detectó las ondas midiendo las ocultaciones estelares por partículas en el anillo C, que es mucho menos denso que los anillos A y B. El patrón exacto de las ondas revela los movimientos del planeta, que Mankovich utilizó después para calcular la velocidad de rotación de Saturno: 10 horas, 33 minutos, 38 segundos.
La mayor parte de la investigación de los anillos, sin embargo, se centró en los propios anillos y en sus interacciones con la atmósfera de Saturno. Cassini pasó por el interior del fantasmal anillo D, que se acerca a unos 6.500 kilómetros de las nubes de Saturno -tan cerca que está inmerso en la tenue atmósfera exterior del planeta, conocida como exosfera-.
Las inmersiones de Cassini en el interior del anillo D fueron parte del gran final de la nave, una fase de la misión de 5 meses que terminó con la desaparición de Cassini el 15 de septiembre de 2017.
Cuando la Cassini agotó sus propulsores, los planificadores de la misión decidieron terminar su viaje introduciéndola en la atmósfera de Saturno, donde se quemaría. Así se eliminaría el riesgo de que chocara con las lunas Titán y Encélado, que muestran indicios de habitabilidad, y de que las contaminara con microbios terrestres que pudieran haber sobrevivido a los rigores del espacio.
Los ingenieros idearon una ruta de vuelo que aprovechara el final de Cassini para proporcionar nuevos conocimientos sobre Saturno y los anillos. A medida que Cassini se acercaba en espiral a Saturno, estaba preparada para sondear el interior del planeta con mayor fidelidad, obtener una visión más detallada de sus cimas de nubes y estudiar los anillos desde un nuevo ángulo.
Entre los descubrimientos más importantes de la gran final, ese ángulo «desde dentro hacia fuera» permitió a los científicos realizar la mejor medición hasta ahora de la masa de los anillos de Saturno.
Cuando permaneció fuera de los anillos, Cassini fue atraída por la gravedad combinada de Saturno y el sistema de anillos, por lo que fue difícil aislar el tirón de sólo los anillos. Sin embargo, cuando Cassini pasó por el interior de los anillos, Saturno tiró de la nave en una dirección, mientras que los anillos tiraron en otra.
Un seguimiento preciso por radio reveló el efecto gravitatorio de los anillos en la trayectoria de Cassini, lo que permitió a los científicos calcular su masa: El 41% de la masa de la pequeña luna de Saturno Mimas (más o menos el 13%), o el 0,05% de la masa de la luna de la Tierra -aproximadamente la mitad del valor de muchas estimaciones previas al gran final.
Cuando se combinó con otros parámetros, la masa permitió a los científicos estimar también la edad de los anillos.
En un artículo en Science, publicado en enero, los miembros del equipo científico de la radio asumieron que los anillos comenzaron como hielo de agua casi puro y se han oscurecido por material meteoroidal procedente de fuera del sistema de Saturno, que cae sobre los anillos a un ritmo bien conocido. La oscuridad de los anillos revela la proporción de hielo y roca, lo que a su vez revela su edad: entre 10 millones y 100 millones de años.
«No pueden ser más antiguos que unos cien millones de años porque serían más oscuros», dijo Burkhard Militzer, profesor asociado de ciencias de la Tierra y planetarias en la Universidad de California, Berkeley, y autor del artículo. «Eso nos dice de forma concluyente que los anillos son muy jóvenes». Mi comentario favorito sobre esta investigación vino de una página web rusa, que básicamente decía que habíamos encontrado el momento en que Saturno se convirtió en ‘El Señor de los Anillos'»
«La edad no es un problema resuelto, pero reduce las barras de error», dijo Moore. «Es consistente con los anillos de los otros planetas gigantes. Son entornos muy diferentes, pero el hecho de que no veamos sistemas de tamaño similar en Júpiter o en los otros planetas sería coherente con una edad joven para los anillos de Saturno, que, con el tiempo, simplemente se evaporarían.»
Ring in the Rain
Las observaciones de Cassini también podrían ayudar a los científicos a determinar cómo se formaron los anillos. Una idea dice que nacieron cuando la gravedad de Saturno separó un cometa que pasaba y los restos rodearon el planeta, mientras que otra dice que se formaron a partir de una o más colisiones entre lunas pequeñas o entre una luna y un cometa.
Las pistas sobre el origen pueden venir de las mediciones directas de Cassini del material de los anillos. Al sumergirse en el plano de los anillos, la nave detectó una «lluvia» sorprendentemente intensa de partículas neutras ricas en materia orgánica sobre el ecuador, lo suficiente como para drenar los anillos a toda prisa.
Los científicos ya habían detectado una caída de los anillos en las latitudes medias del planeta, que Moore describe como «lluvia de anillos clásica» porque fue la primera lluvia de anillos que se describió. Se predijo por primera vez en la década de 1980 sobre la base de las mediciones de la ionosfera realizadas por las Voyager. Los científicos observaron un inesperado descenso de la carga de la ionosfera en ciertas latitudes, así como zonas oscuras en las nubes.
Los micrometeoritos pueden estar golpeando la parte interior del anillo B, creando un plasma. Algunas de las partículas de plasma siguen las líneas del campo magnético de Saturno hacia el planeta, cayendo en la atmósfera a lo largo de las bandas de latitud observadas. Las partículas se combinan con los electrones de la ionosfera, reduciendo la densidad de electrones en esas latitudes. La lluvia también despeja la neblina de gran altitud, lo que nos permite ver más profundamente en la atmósfera, produciendo las zonas oscuras.
Un estudio publicado a principios de este año en Icarus, basado en un reanálisis de las observaciones del telescopio Keck de 2011, confirmó la caída en las bandas alrededor de los 45°N y 39°S de latitud. El estudio dice que este proceso está entregando aproximadamente entre 432 y 2.870 kilogramos de agua a las latitudes medias de Saturno cada segundo, lo suficiente para drenar los anillos en unos 300 millones de años.
Cassini confirmó los hallazgos en tierra. Pero también descubrió que esta lluvia puede ser una mera lluvia comparada con la afluencia en el ecuador de Saturno.
El Analizador de Polvo Cósmico, por ejemplo, descubrió que la región entre el anillo D y la atmósfera exterior está llena de una población bastante constante de granos de hielo de agua y silicatos de unas pocas decenas de nanómetros.
El Instrumento de Imágenes Magnetosféricas (MIMI), que fue diseñado para medir átomos neutros energéticos, iones y electrones, detectó granos aún más pequeños (comparables al tamaño de las partículas de humo) a altitudes de entre 1.700 y 3.000 kilómetros por encima del ecuador del planeta.
«No se esperaba que hubiera polvo justo en el ecuador, así que el hecho de que Cassini encontrara una población concentrada allí fue toda una sorpresa», dijo Don Mitchell, físico del Laboratorio de Investigación Aplicada de la Universidad Johns Hopkins en Baltimore, Maryland, e investigador principal del MIMI. «Hablamos con los responsables del polvo y no nos creyeron las tres o cuatro primeras veces que se lo dijimos. Al final entraron en razón y se dieron cuenta de que está ocurriendo».
Los granos probablemente provienen de D68, el anillito más interno del anillo D. Las colisiones con los átomos de hidrógeno en la exosfera de Saturno golpean los granos de polvo, que luego entran en espiral en la atmósfera del planeta en sólo unas horas. La población observada sugiere que alrededor de 5 kilogramos de estas partículas entran en la atmósfera de Saturno por segundo.
La ruptura no es difícil de hacer
Pero quizás los resultados más intrigantes proceden del Espectrómetro de Masas de Iones y Neutrales (INMS), un instrumento que determina la composición y la estructura de los iones y las partículas neutras. Fue diseñado para estudiar Titán y la magnetosfera de Saturno, donde las partículas impactan a velocidades de unos 6 kilómetros por segundo. Para el gran final, sin embargo, Cassini alcanzó velocidades máximas de más de 30 kilómetros por segundo, empujando los instrumentos de una manera que los científicos nunca habían previsto.
Las partículas de la atmósfera superior de Saturno entraron en una antecámara, y luego viajaron a los detectores donde fueron filtradas y contadas. A altas velocidades, las partículas más grandes se hicieron pedazos dentro del instrumento, por lo que las moléculas más complejas probablemente se hicieron añicos, rompiéndolas en moléculas más pequeñas.
«Estábamos preocupados por la fragmentación, pero pareció funcionar bien de una manera que aún no entendemos del todo», dijo J. Hunter Waite, un director de programa en el Instituto de Investigación del Suroeste en San Antonio, Texas, y principal investigador de INMS. «Complicó las cosas en algunos aspectos, pero en otros fue nuestro mejor amigo, porque nos permitió ver algunas moléculas grandes que no habríamos podido ver si no se hubieran roto».»
El INMS detectó una mezcolanza de elementos y compuestos, muchos de los cuales eran inesperados, incluyendo el metano (16% de la muestra en masa), el amoníaco, el monóxido de carbono, el dióxido de carbono, el nitrógeno molecular y los fragmentos de compuestos orgánicos más pesados (37%). Casi todos ellos caían desde el anillo D interior hasta una franja de 8º centrada en el ecuador.
«El agua está presente, pero no parece dominar», dijo Moore. «Eso fue una gran sorpresa porque cuando se observan los anillos espectroscópicamente, son un 90 y pico por ciento de hielo de agua».»
El material infalible puede alterar la química atmosférica de Saturno. Un estudio, por ejemplo, descubrió que una extraña sobreabundancia de metano observada en la atmósfera de Saturno podría explicarse si el ritmo actual de inflexión se hubiera mantenido durante la vida de los anillos. El metano entraría por el ecuador y luego se distribuiría por el resto del planeta a lo largo de millones de años.
Cien millones de años por delante
Los científicos del instrumento estimaron que un total de entre 4.500 y 48.000 kilogramos de material están lloviendo desde el anillo D a la atmósfera cada segundo. «El anillo D desaparecería en 10.000 a 70.000 años al ritmo de inflexión actual», dijo Waite, y el anillo C no persistiría más que unos pocos millones de años.
Pero Cassini detectó variaciones en el ritmo tanto por longitud como por tiempo, lo que sugiere que el ritmo no es constante, por lo que Cassini podría haber estado estudiando los anillos en un momento de inflexión inusualmente intenso. En las últimas décadas, de hecho, grandes meteoroides pueden haberse fracturado al impactar con los anillos, aportando material fresco.
«Parte del anillo D se iluminó considerablemente en 2015», dijo Mitchell. «La idea es que un par de trozos de material de bastante buen tamaño colisionaron o bien un meteoroide entró y colisionó con un trozo de material en el anillo D.»
Además, «hay claros indicios de transferencia episódica de material del anillo C al anillo D», dijo Waite. Pero dijo que no se conocen formas de transferir material desde los anillos A y B, que contienen la gran mayoría de la masa del sistema de anillos, para sostener los anillos interiores más ligeros.
Ese equilibrio entre el material de los anillos que se desplaza hacia el interior y las adiciones al sistema de anillos procedentes de cometas y meteoroides deja el destino de los anillos un poco incierto, aunque Mitchell dijo que probablemente no vivirán mucho más tiempo, según los estándares astronómicos.
«Originalmente, se estimaba que los anillos nacieron hace cuatro mil quinientos millones de años y se mantuvieron bastante estables», dijo Mitchell. «Pero parece que son bastante recientes. Y si se calculan todas las pérdidas de los anillos, es probable que no sigan existiendo durante más de otros cien millones de años, lo que es mucho más corto que la vida del sistema solar. Así que ese argumento está más o menos resuelto».
«Quizás debamos apreciar los anillos un poco más la próxima vez que los miremos a través de un telescopio», dijo Militzer con una risa. «Este es un momento especial: los anillos no estarán para siempre»
Damond Benningfield (), Escritor de Ciencia