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Per più di un decennio, la sonda Cassini ha avuto forse la vista più spettacolare del sistema solare.

Tempo dopo tempo ha girato intorno a Saturno, guardando i magnifici anelli da molte angolazioni. Ha tracciato singoli anelli, individuato onde e increspature, scoperto “eliche” e altre strane caratteristiche incorporate nel sistema di anelli.

E poi la vista è migliorata. Durante le sue ultime 22 orbite, Cassini si è immersa nello spazio tra le cime delle nuvole di Saturno e il bordo interno degli anelli, passando così vicino ad essi che ha dovuto usare la sua antenna radio come scudo contro le particelle degli anelli.

Questa prospettiva ha prodotto una scienza impressionante così come una vista impressionante. Le osservazioni di Cassini hanno rivelato la massa degli anelli e fornito stime migliori di quando si sono formati e per quanto tempo potrebbero continuare.

“Prima del finale di Cassini, c’erano due grandi incognite, che ora sono state affrontate: Qual è la massa degli anelli e qual è il tasso di perdita di massa degli anelli”, ha detto Luke Moore, un ricercatore senior della Boston University.

Da queste misurazioni, i ricercatori hanno concluso che stiamo vedendo gli anelli di Saturno nel mezzo di una vita relativamente breve, iniziata forse 100 milioni di anni fa e che potrebbe durare 100 milioni di anni in più.

Le scoperte degli anelli di Cassini non sono finite qui, però. La navicella ha volato attraverso la “pioggia di anelli” – una pioggia di particelle dagli anelli nell’atmosfera di Saturno – che ha permesso di misurare direttamente la composizione degli anelli. I suoi strumenti hanno anche misurato gli effetti della pioggia di anelli sull’atmosfera di Saturno. E gli scienziati hanno anche usato l’aspetto degli anelli per dedurre la lunghezza del giorno di Saturno, aggiungendo un altro risultato alla ricognizione di Cassini sugli anelli di Saturno.

Diventare il “Signore degli Anelli”

Gli anelli principali di Saturno si estendono per circa 275.000 chilometri – circa due terzi della distanza tra la Terra e la Luna – anche se il loro spessore medio non supera le poche decine di metri. Dall’esterno all’interno, gli anelli sono etichettati come A, B, C e D, con i primi tre costituiti da molti anelli individuali più piccoli. (Alcuni anelli deboli e di bassa massa si nascondono all’esterno dell’anello A, ma sono insignificanti rispetto alle bande principali). A e B sono larghi e densi, e contengono la maggior parte della massa del sistema di anelli.

L’anello C ha aiutato gli astronomi a risolvere un mistero che lascia perplessi su Saturno: la lunghezza del suo giorno, che era stata difficile da stabilire.

Chris Mankovich, uno studente laureato all’Università della California, Santa Cruz, ha studiato le onde nell’anello C per la sua tesi di dottorato. Queste onde sono generate dai movimenti degli strati di diverse migliaia di chilometri sotto le cime delle nuvole di Saturno.

“La massa all’interno del pianeta si muove avanti e indietro, e gli anelli lo ‘sentono’ attraverso la gravità”, ha detto.

Cassini ha rilevato le onde misurando le occultazioni stellari di particelle nell’anello C, che è molto meno denso degli anelli A e B. Il modello esatto delle onde rivela i movimenti del pianeta, che Mankovich ha poi utilizzato per calcolare il tasso di rotazione di Saturno: 10 ore, 33 minuti, 38 secondi.

La maggior parte della ricerca sugli anelli, però, si è concentrata sugli anelli stessi e sulle loro interazioni con l’atmosfera di Saturno. Cassini è passata all’interno del fantomatico anello D, che si trova a circa 6.500 chilometri dalle nuvole di Saturno – così vicino che è immerso nella tenue atmosfera esterna del pianeta, nota come esosfera.

Le immersioni di Cassini all’interno dell’anello D facevano parte del gran finale dell’astronave, una fase della missione di 5 mesi che si è conclusa con la scomparsa di Cassini il 15 settembre 2017.

Quando Cassini ha esaurito i suoi propellenti, i pianificatori della missione hanno deciso di terminare il suo viaggio sbattendola nell’atmosfera di Saturno, dove sarebbe bruciata. Questo eliminerebbe il rischio di colpire le lune Titano ed Encelado, che mostrano prove di abitabilità, e possibilmente contaminarle con microbi terrestri che potrebbero essere sopravvissuti ai rigori dello spazio.

Gli ingegneri hanno ideato un percorso di volo che avrebbe approfittato della fine di Cassini per fornire nuove informazioni su Saturno e gli anelli. Avvicinandosi a Saturno, Cassini è stata impostata per sondare l’interno del pianeta con maggiore fedeltà, ottenere uno sguardo più dettagliato alle sue cime nuvolose e studiare gli anelli da una nuova angolazione.

Tra le scoperte più importanti del gran finale, quell’angolo “dentro-fuori” ha permesso agli scienziati di effettuare la migliore misurazione della massa degli anelli di Saturno.

Quando è rimasta fuori dagli anelli, Cassini è stata tirata dalla gravità combinata di Saturno e del sistema di anelli, quindi è stato difficile isolare il tiro dei soli anelli. Quando Cassini è passata all’interno degli anelli, invece, Saturno ha tirato la navicella in una direzione mentre gli anelli tiravano in un’altra.

Preciso monitoraggio radio ha rivelato l’effetto gravitazionale degli anelli sul percorso di Cassini, che ha permesso agli scienziati di calcolare la loro massa: Il 41% della massa della piccola luna di Saturno Mimas (più o meno il 13%), o lo 0,05% della massa della luna della Terra – circa la metà del valore di molte stime pre-grandi finali.

Quando combinata con altri parametri, la massa ha permesso agli scienziati di stimare anche l’età degli anelli.

In un articolo su Science, pubblicato a gennaio, i membri del team scientifico di Radio hanno ipotizzato che gli anelli sono nati come ghiaccio d’acqua quasi pura e sono stati oscurati da materiale meteoroidale proveniente dall’esterno del sistema di Saturno, che cade sugli anelli ad una velocità ben nota. L’oscurità degli anelli rivela il rapporto tra ghiaccio e roccia, che a sua volta rivela la loro età: tra 10 milioni e 100 milioni di anni.

“Non possono essere più vecchi di un centinaio di milioni di anni perché sarebbero più scuri”, ha detto Burkhard Militzer, professore associato di scienze terrestri e planetarie presso l’Università della California, Berkeley, e un autore del documento. “Questo ci dice definitivamente che gli anelli sono molto giovani. Il mio commento preferito su questa ricerca è venuto da un sito web russo, che in pratica ha detto che abbiamo trovato quando Saturno è diventato il ‘Signore degli Anelli'”

“L’età non è un problema risolto, ma restringe le barre di errore”, ha detto Moore. “È coerente con gli anelli degli altri pianeti giganti. Sono ambienti molto diversi, ma il fatto che non vediamo sistemi altrettanto grandi a Giove o agli altri pianeti sarebbe coerente con una giovane età per gli anelli di Saturno, che, nel tempo, sarebbero semplicemente evaporati.”

Ring in the Rain

Le osservazioni di Cassini possono anche aiutare gli scienziati a determinare come si sono formati gli anelli. Un’idea dice che sono nati quando la gravità di Saturno ha staccato una cometa di passaggio e i resti hanno circondato il pianeta, mentre un’altra dice che si sono formati da una o più collisioni tra piccole lune o tra una luna e una cometa.

L’origine può venire dalle misurazioni dirette di Cassini del materiale degli anelli. Mentre si immergeva nel piano dell’anello, la sonda ha rilevato una “pioggia” sorprendentemente pesante di particelle neutre ricche di materiale organico sull’equatore – abbastanza da prosciugare gli anelli in fretta.

Gli scienziati avevano già rilevato una caduta dagli anelli alle medie latitudini del pianeta, che Moore descrive come “pioggia classica di anelli” perché è stata la prima pioggia di anelli ad essere descritta. È stata prevista per la prima volta negli anni ’80 sulla base delle misurazioni della ionosfera effettuate dal Voyager. Gli scienziati hanno notato un tuffo inaspettato nella carica della ionosfera a certe latitudini, così come zone scure nelle nuvole.

Micrometeoriti potrebbero colpire la parte interna dell’anello B, creando un plasma. Alcune delle particelle di plasma seguono le linee del campo magnetico di Saturno verso il pianeta, cadendo nell’atmosfera lungo le bande di latitudine osservate. Le particelle si combinano con gli elettroni nella ionosfera, riducendo la densità di elettroni a quelle latitudini. La pioggia cancella anche la foschia ad alta quota, permettendoci di vedere più in profondità nell’atmosfera, producendo le zone scure.

Uno studio pubblicato all’inizio di quest’anno su Icarus, basato su una rianalisi delle osservazioni del Keck Telescope dal 2011, ha confermato la caduta nelle bande intorno a 45°N e 39°S di latitudine. Lo studio dice che questo processo sta fornendo circa 432 a 2.870 chilogrammi di acqua alle medie latitudini di Saturno ogni secondo, abbastanza per drenare gli anelli in circa 300 milioni di anni.

Cassini ha confermato i risultati a terra. Ma ha anche scoperto che questa pioggia potrebbe essere una semplice doccia rispetto all’afflusso all’equatore di Saturno.

Il Cosmic Dust Analyzer, per esempio, ha scoperto che la regione tra l’anello D e l’atmosfera esterna è piena di una popolazione abbastanza costante di granelli di ghiaccio d’acqua e silicati che hanno un diametro di poche decine di nanometri.

Il Magnetospheric Imaging Instrument (MIMI), che è stato progettato per misurare atomi neutri energetici, ioni ed elettroni, ha rilevato grani ancora più piccoli (paragonabili alle dimensioni delle particelle di fumo) ad altitudini di circa 1.700 a 3.000 chilometri sopra l’equatore del pianeta.

“Non c’era alcuna aspettativa di polvere proprio all’equatore, quindi il fatto che Cassini abbia trovato una popolazione concentrata lì è stata una bella sorpresa”, ha detto Don Mitchell, un fisico dello staff del Johns Hopkins University Applied Research Laboratory di Baltimora, Md, e ricercatore principale del MIMI. “Abbiamo parlato con i ragazzi della polvere e non ci hanno creduto le prime tre o quattro volte che glielo abbiamo detto. I grani provengono probabilmente da D68, l’anello più interno dell’anello D. Le collisioni con gli atomi di idrogeno nell’esosfera di Saturno colpiscono i grani di polvere, che poi entrano a spirale nell’atmosfera del pianeta in poche ore. La popolazione osservata suggerisce che circa 5 chilogrammi di queste particelle entrano nell’atmosfera di Saturno al secondo.

Rottura non è difficile da fare

Forse i risultati più intriganti, però, provengono dallo spettrometro di massa ionica e neutra (INMS), uno strumento che determina la composizione e la struttura di ioni e particelle neutre. È stato progettato per studiare Titano e la magnetosfera di Saturno, dove le particelle impattano a velocità di circa 6 chilometri al secondo. Per il gran finale, tuttavia, Cassini ha raggiunto velocità di picco di oltre 30 chilometri al secondo, spingendo gli strumenti in modi che gli scienziati non avevano mai previsto.

Le particelle dall’atmosfera superiore di Saturno sono entrate in un’anticamera, poi hanno viaggiato verso i rivelatori dove sono state filtrate e contate. Ad alta velocità, le particelle più grandi sono state fatte a pezzi all’interno dello strumento, così le molecole più complesse sono state probabilmente frantumate, rompendole in molecole più piccole.

“Eravamo preoccupati per la frammentazione, ma sembrava funzionare bene in modi che ancora non comprendiamo completamente”, ha detto J. Hunter Waite, un direttore di programma al Southwest Research Institute di San Antonio, Texas, e ricercatore principale per INMS. “Ha complicato le cose in alcuni modi, ma in altri è stato il nostro migliore amico, perché ci ha permesso di vedere alcune grandi molecole che non avremmo potuto vedere se non si fossero spezzate.”

INMS ha rilevato un mélange di elementi e composti, molti dei quali erano inaspettati, tra cui il metano (16% del campione per massa), ammoniaca, monossido di carbonio, anidride carbonica, azoto molecolare, e i frammenti di composti organici più pesanti (37%). Quasi tutti cadevano dall’anello D interno a una striscia di 8° centrata sull’equatore.

“L’acqua è presente, ma non sembra dominare”, ha detto Moore. “Questa è stata una grande sorpresa, perché quando si guardano gli anelli in modo spettroscopico, essi sono al 90 e qualcosa per cento ghiaccio d’acqua”

Il materiale in arrivo potrebbe alterare la chimica dell’atmosfera di Saturno. Uno studio, per esempio, ha scoperto che una strana sovrabbondanza di metano osservata nell’atmosfera di Saturno potrebbe essere spiegata se l’attuale tasso di caduta fosse stato sostenuto per tutta la vita degli anelli. Il metano entrerebbe all’equatore e poi si distribuirebbe intorno al resto del pianeta nel corso di milioni di anni.

Cento milioni di anni per andare

Gli scienziati dello strumento hanno stimato che un totale di 4.500 – 48.000 chilogrammi di materiale stanno piovendo dall’anello D nell’atmosfera ogni secondo. “L’anello D andrebbe via tra 10.000 e 70.000 anni al ritmo di caduta attuale”, ha detto Waite, mentre l’anello C persisterebbe non più di qualche milione di anni.

Ma Cassini ha rilevato variazioni nel tasso sia per longitudine che per tempo, suggerendo che il tasso non è costante, quindi Cassini potrebbe aver studiato gli anelli in un momento di caduta insolitamente pesante. Negli ultimi decenni, infatti, grandi meteoroidi potrebbero essersi fratturati all’impatto con gli anelli, fornendo materiale fresco.

“Una parte dell’anello D si è illuminata notevolmente nel 2015”, ha detto Mitchell. “Il pensiero è che un paio di pezzi di materiale di dimensioni abbastanza buone si siano scontrati o che un meteorite sia arrivato e si sia scontrato con un pezzo di materiale nell’anello D.”

Inoltre, “ci sono chiare indicazioni di trasferimento episodico di materiale dall’anello C all’anello D”, ha detto Waite. Ma ha detto che non ci sono modi noti per trasferire materiale dagli anelli A e B, che contengono la maggior parte della massa del sistema di anelli, per sostenere gli anelli interni più leggeri.

Quell’equilibrio tra il materiale dell’anello che si sta infiltrando e le aggiunte al sistema di anelli da parte di comete e meteoroidi lascia il destino degli anelli un po’ incerto, anche se Mitchell ha detto che probabilmente non vivranno molto più a lungo – secondo gli standard astronomici.

“Originariamente, si stimava che gli anelli fossero nati quattro miliardi e mezzo di anni fa e fossero rimasti abbastanza stabili”, ha detto Mitchell. “Ma sembra che siano abbastanza recenti. E se si calcolano tutte le perdite degli anelli, probabilmente non saranno in giro per più di un altro centinaio di milioni di anni o giù di lì, che è molto più breve della vita del sistema solare. Quindi l’argomento è praticamente risolto.”

“Forse dovremmo apprezzare un po’ di più gli anelli la prossima volta che li guarderemo con un telescopio”, ha detto Militzer con una risatina. “Questo è un momento speciale: gli anelli non ci saranno per sempre.”

-Damond Benningfield (), Science Writer