• Começa com um estrondo

Os anéis de Saturno finalmente explicados depois de mais de 400 anos

Desde a época de Galileu, os anéis de Saturno permaneceram um mistério inexplicável. Uma nova ideia pode ter finalmente resolvido o quebra-cabeça de longa data.

Principais conclusões

• Observados desde a invenção do telescópio em 1609, os anéis de Saturno eram uma característica totalmente única em nosso Sistema Solar.
• Enquanto os outros planetas gigantes já foram descobertos como tendo anéis, eles são fracos e inexpressivos em comparação com os de Saturno.
• Apesar de tudo o que aprendemos sobre nosso Sistema Solar, a origem dos anéis de Saturno permaneceu um quebra-cabeça sem solução. Talvez, isto é, até agora.

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De todos os planetas visíveis no céu noturno, seja a olho nu ou com a ajuda de um poderoso telescópio, nenhum é mais reconhecível ou icônico do que Saturno. Com seu sistema gigante de anéis, a aparência de Saturno é imediatamente discernível, diferenciando-o de todos os outros planetas conhecidos. Observado pela primeira vez como “orelhas” por Galileu em 1609, uma visão mais nítida revela que Saturno não tem forma como os olhos de um anfíbio , mas sim um conjunto expansivo de anéis, destacados e separados do planeta que circunda. Com o tempo, lacunas, luas, luas e uma infinidade de outras características foram encontradas acima, abaixo, dentro, fora e até dentro dos anéis de Saturno.

Nenhum dos planetas rochosos, asteróides ou objetos do cinturão de Kuiper têm anéis. Júpiter, Urano e Netuno os possuem, mas todos são muito mais fracos, esparsos, menores e menos massivos que os de Saturno. Além disso, os anéis de Saturno são inclinados, são feitos quase exclusivamente de água gelada e estão em processo de evaporação. Antes considerado um dos pilares do Sistema Solar, agora acreditamos que os anéis de Saturno se formaram em um piscar de olhos cósmico há aproximadamente 100 milhões de anos e devem desaparecer em menos de outros 100 milhões.

Como os anéis de Saturno se formaram? Apesar de uma série de propostas, nenhuma solução surgiu como uma clara favorita. Até que, ou seja, um novo estudo liderado por Jack Wisdom do MIT foi publicado na Science em 15 de setembro de 2022. Um único evento violento, há apenas 150 milhões de anos, poderia explicar não apenas os anéis de Saturno, mas uma série de propriedades bizarras encontradas apenas no sistema saturniano. Aqui está a ciência por trás dessa nova ideia selvagem, mas promissora.

De seu ponto de vista único na sombra de Saturno, a atmosfera, os anéis principais e até mesmo o anel E externo são todos visíveis, juntamente com as lacunas visíveis dos anéis do sistema saturniano em eclipse. Os anéis de Saturno e as ~23 luas internas orbitam aproximadamente no mesmo plano e com baixas excentricidades, mas a história começa a mudar quanto mais você olha.

Sempre que um planeta gigante – particularmente um como Júpiter ou Saturno – se forma em um sistema estelar como o nosso, podemos esperar que ocorram várias etapas. De uma protoestrela central inicial com um disco protoplanetário ao seu redor,

• núcleos de rocha e metal se desenvolverão em torno de grandes instabilidades crescentes dentro do disco,
• esses núcleos começarão a atrair material circundante e a crescer rapidamente,
• e ao atingir um tamanho crítico, começará a se prender a compostos e elementos voláteis,
• formando mundos gigantes gasosos com discos circumplanetários ao seu redor,
• onde esses discos desenvolverão rapidamente instabilidades e formarão luas de tamanhos e composições variadas,
• com voláteis existentes nas fases sólida, líquida e/ou gasosa, dependendo das temperaturas dessas luas e sua distância da estrela-mãe.

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No entanto, Júpiter e Saturno têm algumas diferenças notáveis ​​entre eles: mais marcantes do que suas diferentes massas, tamanhos, cores e composições. Embora girem com períodos semelhantes (9,9 horas a 10,5 horas), Saturno tem uma inclinação axial muito maior: 26,73° a 3,13°. O sistema de anéis de Saturno é muito mais expansivo e impressionante: mais de mil vezes e talvez até 100 milhões de vezes massivo como o de Júpiter . E enquanto todas as luas muito massivas de Júpiter órbita dentro de <1° do eixo de rotação de Júpiter, Saturno tem exceções , com Jápeto - sua segunda lua mais massiva - orbitando mais de 15° fora de seu plano de rotação. Adicionalmente, O eixo de Saturno também precede com um período de cerca de 1,83 milhão de anos, talvez coincidentemente semelhante ao deslocamento do plano orbital de Netuno com um período de 1,87 milhão de anos.

Algumas das descobertas da amostragem direta da Cassini realizada no período que antecedeu seu grand finale: a descoberta de que compostos orgânicos complexos chovem dos anéis de Saturno em seu equador; as partículas do anel interno assumem cargas elétricas e viajam ao longo das linhas do campo magnético em direção às altas latitudes; eles seguem e interagem com um complexo sistema de corrente elétrica e um cinturão de radiação; e descobrimos que Saturno possui um campo magnético com inclinação próxima de zero.

Além disso, os anéis altamente refletivos e facilmente visíveis de Saturno, compostos principalmente de água gelada e sem dúvida a característica mais marcante do planeta, estão em processo de desaparecimento. Conforme medido de longe por telescópios baseados na Terra, bem como no local pela missão Cassini, Saturno está devorando seus próprios anéis rapidamente através de uma combinação de dois processos relacionados: chuva de anéis ionizados e queda equatorial empoeirada/gelo.

Primeiro, a luz ultravioleta do Sol atinge os anéis de gelo de água, assim como as nuvens de plasma dos impactos de meteoróides. Estes excitam as moléculas e átomos nos anéis, criando íons. Então, a ionosfera eletricamente carregada de Saturno interage com esses íons, canalizando-os para altas latitudes norte e sul: dando origem à chuva do anel .

Enquanto isso, como Cassini passou entre os anéis e o planeta , descobriu que as partículas do anel interno estão caindo na região equatorial do planeta. A combinação desses dois efeitos – queda equatorial e chuva de anéis de alta latitude – nos permite medir a taxa de perda de massa dentro do sistema de anéis e restringir a idade e a vida útil dos anéis de Saturno.

Eles não existem há todos os 4,5 bilhões de anos da história do Sistema Solar: em vez disso, eles provavelmente foram criados há menos de 100 milhões de anos e desaparecerão quase completamente nos próximos 100 milhões de anos.

Mimas, como fotografado aqui durante o sobrevoo mais próximo da Cassini em 2010, tem apenas 198 quilômetros de raio, mas é claramente redondo devido à sua autogravitação. No entanto, falta massa suficiente para estar realmente em equilíbrio hidrostático, pois a grande cratera visível aqui, Herschel, não poderia persistir se o mundo fosse realmente moldado pela autogravitação.

Então, de onde vieram os anéis de Saturno? Como eles foram criados? Embora estejamos apenas obtendo um instantâneo do sistema de Saturno como existe hoje, existem algumas pistas codificadas em uma variedade de objetos sobreviventes. Ao olhar para eles, podemos obter um contexto melhor para entender como e quando os anéis de Saturno podem ter surgido.

Pista nº 1: mimos

Embora existam inúmeras luas e luas localizadas dentro dos anéis principais de Saturno, Mimas - a 7ª maior lua de Saturno em geral - é a primeira lua localizada fora do sistema de anéis. Mimas é esferoidal, apesar de um diâmetro médio de apenas ~ 400 quilômetros, tornando-se a menor lua do Sistema Solar a ser puxada para uma forma esferoidal.

No entanto, Mimas também possui uma enorme cratera de impacto (chamada Herschel ), que em si é aproximadamente um terço do diâmetro da própria lua inteira. O impacto que formou esta cratera deve ter quase destruído o mundo inteiro, já que fraturas substanciais podem ser encontradas focadas exatamente no lado oposto de Mimas do próprio Herschel: nos antípodas. Embora estima-se que Herschel tenha se formado há aproximadamente 4,1 bilhões de anos, uma indicação de que Mimas pode ter sido uma lua original de Saturno, é um lembrete gritante de que os mundos podem ser destruídos inteiramente por impactos grandes o suficiente. (Tethys, a quinta maior lua de Saturno, tem uma cratera de impacto igualmente grande, uma indicação de que Mimas não é único.)

A lua extremamente reflexiva de Saturno, Enceladus, é coberta por uma espessa crosta de gelo de água com rachaduras e gêiseres que emanam do pólo sul. Enceladus é a fonte do anel E de Saturno, visível aqui na luz solar refletida da Cassini.

Pista nº 2: Encélado e o anel E de Saturno

A próxima grande lua de Saturno, movendo-se para fora de Mimas, é Enceladus: maior e mais massiva que Mimas, mas também muito mais ativa de uma maneira intrigante. Enceladus, apesar de experimentar forças de maré muito menores de Saturno do que Mimas, experimenta grandes erupções vindas de seu pólo sul, onde plumas quimicamente compostas de água salgada, areia, amônia e moléculas orgânicas se estendem rotineiramente mais de 300 quilômetros acima da superfície gelada do próprio mundo. . Esses materiais não caem de volta em Enceladus, mas são esticados para formar um anel difuso feito principalmente de gelo de água coincidente com a órbita de Enceladus: Anel E de Saturno .

Como Enceladus está perdendo massa tão rapidamente e também parece ter um oceano subsuperficial substancial, surge uma pergunta interessante: quantos anos tem Enceladus? Foi formado a partir da nebulosa Saturniana primitiva que criou Mimas e muitas outras luas? Ou surgiu muito mais tarde, formado a partir de detritos dos restos de um satélite previamente destruído?

Encélado pode ser relativamente jovem em comparação com as outras grandes luas orbitando Saturno, com duas estimativas recentes colocando a idade de Encélado em ~ 100 milhões de anos e ~ 1,0 bilhão de anos , respectivamente. É um lembrete sóbrio de que as coisas, como as vemos hoje, podem não ser um reflexo de como eram relativamente curtas (quantidade cósmica) atrás.

Saturno tem uma inclinação axial substancial, assim como a Terra: de 26,7 graus, levando a suas estações. Enquanto as estações da Terra duram cerca de 3 meses cada, as estações em Saturno duram ~ 7 anos cada. A mudança nos anéis, como mostrado aqui, representa observações do Hubble na mesma época do ano de 1996, 1997, 1998, 1999 e 2000. Os anéis estavam perfeitamente alinhados em 1995 e novamente em 2010.

Se você olhar para essas duas pistas, poderá imaginar uma possibilidade muito razoável para a origem dos anéis de Saturno: talvez uma Lua previamente existente, orbitando dentro das regiões internas de Saturno, foi atingida por um objeto grande e em movimento rápido, e foi despedaçado completamente. Este material seria então reformado em algumas novas Luas – como (possivelmente) Enceladus e as mais internas dentro dos anéis – e os próprios anéis. Esse tipo de cenário poderia explicar os anéis jovens e ricos em gelo de Saturno, bem como as propriedades bizarras de Encélado, sem estragar as propriedades das outras luas de Saturno.

Essa explicação não foi descartada, é claro, mas há outras propriedades que ela não consegue explicar. Não pode explicar por que Saturno tem uma inclinação axial tão grande e por que todas as luas (interiores a Jápeto), bem como os anéis, têm a mesma pequena inclinação orbital em relação à rotação de Saturno.

Em outras palavras, essa explicação é plausível, mas limitada em seu poder explicativo, ao mesmo tempo em que possui a desvantagem de trazer novos quebra-cabeças. Por que tal colisão criaria novos anéis e novas luas no mesmo plano que todos os antigos anéis e luas? E por que Saturno (e por que seus anéis e luas) está tão inclinado em relação, digamos, a Júpiter e seus anéis e luas?

Uma visão gerada por computador de Saturno vista de Jápeto, com base em imagens da Cassini e técnicas de reconstrução física. Saturno e seus anéis e todas as suas luas no interior de Jápeto orbitam no mesmo plano: inclinado 26,7 graus em relação ao Sol. Jápeto, sempre o outlier com sua crista equatorial destacada aqui, está inclinado em 15,5 graus adicionais em relação ao resto de Saturno.

Talvez esta seja uma indicação de que existem outras pistas que também devemos olhar. Aqui, potencialmente, está outro importante e relevante.

Pista nº 3: Jápeto

Muitas vezes notado como a lua mais bizarra do Sistema Solar , Jápeto tem três características muito raras que a diferenciam da maioria das outras grandes luas.

1. Todas as outras grandes luas de Saturno, incluindo todas as luas e luas localizadas no interior de Jápeto, orbitam Saturno a 1,6° do eixo rotacional de Saturno. Mas não Jápeto, que está inclinado a 15,5° em relação a todos os outros satélites de Saturno.
2. Jápeto, em seu equador, possui uma enorme crista equatorial. Ele se estende por 1.300 quilômetros de diâmetro: quase todo o diâmetro do mundo. A cordilheira tem 20 quilômetros de largura e eleva-se a 13 quilômetros de altura, seguindo o equador quase perfeitamente, mas com múltiplos segmentos desconexos e picos isolados.
3. E talvez o mais impressionante, Jápeto tem uma cor de dois tons, com uma parte coberta de material mais escuro e a outra parte mais clara coberta de gelo.

O último desses recursos é explicado pela lua de Saturno Phoebe : provavelmente um objeto do cinturão de Kuiper capturado. Mas a inclinação de Jápeto e a crista equatorial – que é mais contínua no lado voltado para Saturno – permanecem misteriosas. Além disso, ao contrário das 21 luas e luas mais internas de Netuno, as três seguintes, Titã, Hipérion e Jápeto, têm excentricidades maiores em suas órbitas, e ninguém sabe ao certo o porquê.

O terreno polar sul de Tritão, fotografado pela espaçonave Voyager 2 e mapeado para um esferóide de forma e tamanho apropriados. Cerca de 50 plumas escuras marcam o que se acredita serem criovulcões, com essas trilhas sendo causadas pelo fenômeno coloquialmente chamado de “fumantes negros”.

E, finalmente, há mais uma pista que podemos ver que contém uma informação importante: o planeta mais externo do nosso Sistema Solar. Não é apenas Netuno em si, mas sim a maior de Netuno e – se você quiser enfurecer seu astrônomo planetário local – a única lua digna de nota.

Pista nº 4: Tritão

Netuno, se você olhar seus satélites mais internos , tem 7 deles que orbitam praticamente no mesmo planeta em que Netuno gira. O maior, Proteus, tem aproximadamente o tamanho de Mimas; a mais inclinada, Naiad, tem uma inclinação orbital de 4,7°. E então, movendo-se para fora por mais uma lua, você encontra Tritão: a maior e mais massiva lua do sistema netuniano de longe: quase 1000 vezes mais massiva que Proteus.

Triton é talvez o garoto-propaganda do jogo “”. Isto:

• orbita em um ângulo severo para todas as outras luas,
• na direção oposta (retrógrada),
• com uma composição que o torna semelhante aos objetos do cinturão de Kuiper, não a outras luas de Netuno.

Fora da órbita de Tritão, que orbita Netuno em pouco menos de 6 dias, as outras luas de Netuno têm seus períodos orbitais medidos em anos , e aparecem em uma grande variedade de ângulos e com grandes excentricidades. Tritão, em algum momento, entrou no sistema Netuniano, interrompeu e/ou eliminou as luas externas e se estabeleceu em sua órbita atual. Apenas Nereida , e mesmo que tenha um grande “talvez” ligado a ele, pode persistir entre as luas originais mais externas de Netuno, ensinando-nos que grandes massas podem facilmente “limpar” um sistema planetário: algo que claramente não aconteceu para o interior ~ 3,5 milhões de quilômetros ao redor de Saturno. (Enquanto os anéis principais de Saturno se estendem apenas por menos de 150.000 km.)

A órbita de Jápeto se estende por mais de duas vezes o diâmetro de qualquer uma das outras grandes luas de Saturno. Tanto a vista de cima para baixo quanto a lateral mostram a extensão da órbita de Jápeto em relação às outras luas, enquanto apenas a vista lateral ilustra a inclinação orbital de Jápeto ao redor do equador de Saturno. No interior de Jápeto, em ordem, estão Hyperion, Titan, Rhea, seguidos por muitas outras luas. Somente no interior de Encélado e depois de Mimas podem ser encontrados os anéis principais modernos.

Isso é muito pano de fundo, mas tudo fornece o contexto necessário para entender a última ideia , que reúne todas essas peças do quebra-cabeça. Em vez dos anéis, as luas dentro e dentro deles, e Encélado, havia anteriormente uma grande e massiva lua orbitando entre Titã e Jápeto: um corpo chamado Crisálida. Crisálida teria que ser comparável em massa a Jápeto, mas completando uma revolução em torno de Saturno em cerca de 45 dias. Com uma massa adicional presente nesse local:

• A lua de Saturno, Titã, teria sido empurrada para fora,
• levando a excentricidades aumentadas para Titã, Hipérion e Jápeto, bem como potencialmente uma inclinação substancial para Jápeto,
• enquanto Saturno adquire uma grande inclinação axial através de uma ressonância de precessão spin-órbita com Netuno,
• e a hipotética Crisálida de Saturno teria sido impelida para dentro por essas interações.

Eventualmente, Crisálida alcançaria o limite de sua capacidade de se manter unido : onde as interações gravitacionais das marés de Saturno e Titã o separariam, criando os detritos que eventualmente voltariam a coalescer no moderno sistema de anéis, juntamente com um adicional de luas internas. De acordo com simulações realizadas pela equipe da Wisdom , esse destino é um dos três que normalmente ocorreriam para tal lua, juntamente com a ejeção e uma colisão lunar.

Esta ilustração de três painéis mostra uma história hipotética para Saturno, Titã, Crisálida e o atual sistema de anéis. À medida que Crisálida puxa Titã para fora, ela migra para dentro e faz com que a inclinação axial de Saturno mude. Eventualmente, Crisálida é destruída em um passado relativamente recente, levando ao sistema saturniano observado hoje.

Se a Crisálida se formou no início da história de Saturno, ela poderia ter conduzido todos esses processos ao longo de bilhões de anos, levando não apenas à inclinação orbital de Saturno, mas às posições relativas, excentricidades e obliquidades das principais luas Titã, Hipérion e Jápeto. . Se Crisálida foi então dilacerada aproximadamente 160 milhões de anos atrás, poderia ter dado origem ao sistema de anéis internos, bem como a numerosas luas, talvez incluindo Enceladus – que fica substancialmente fora dos anéis principais – também. Propriedades adicionais do sistema saturniano que anteriormente eram atribuídas à coincidência, como as “lacunas” entre Rhea e Titã e entre Hipérion e Jápeto, também podem ser explicadas pela presença dessa lua única.

Isto é um cenário novo e atraente e oferece uma alternativa refrescante para colisões de intrusos interplanetários explicando a destruição de uma antiga lua de Saturno. Mas o próximo passo-chave é claro: devemos obter as evidências críticas que apoiariam ou minariam essa teoria, determinando se essa é realmente a história real de Saturno no processo. Ao medir melhor a distribuição de massa interior de Saturno e entender a probabilidade de eventos semelhantes ocorrerem em outros planetas com anéis (ainda a serem descobertos), pudemos finalmente determinar com confiança de onde vieram os anéis de Saturno e quando eles se formaram. Embora esse tipo de trabalho de detetive planetário seja desafiador, com as principais evidências, poderíamos reconstruir forensemente os eventos violentos que levaram à situação atualmente observada. Tudo o que precisamos agora são as pistas certas, as missões para descobri-las e um pouco de sorte.

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