El anillo A de Saturno

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Por: Luis A. Saldarriaga B.
      Exobiólogo aficionado
      Marzo 30 de 2010

La misión Cassini ha incrementado significativamente nuestra comprensión del sistema de anillos de Saturno. La llegada del equinoccio a Saturno en 2009 brindó condiciones especiales de iluminación que permitieron obtener sorprendentes imágenes y hacer nuevos descubrimientos. Aquí describimos algunos de tales hallazgos en relación con el anillo A.

Los anillos de Saturno. La zona oscura que separa los anillos A y B se conoce como la división Cassini. Cerca del borde externo del anillo A (donde el color se torna más claro) se aprecia la división Encke. La división Keeler (en el extremo externo del anillo A) no es visible con este nivel de resolución.

Los anillos de Saturno son estructuras esencialmente planas, de apenas 10 metros de espesor, pero que se extienden por centenares de miles de km en el espacio. Están compuestos por partículas formadas básicamente por hielo de agua cuyo tamaño oscila entre 1 cm y 10 metros de radio y se identifican por letras de acuerdo con el orden en el cual han sido descubiertos: A, B, C, D, E, F y G. Y hay algunos más, unos descubiertos por la misión Cassini, y otro que fue detectado en 2009 por el Telescopio Espacial Spitzer de la NASA. Los anillos fueron observados por primera vez al telescopio por Galileo Galileo hacia julio de 1610, hace ya casi 400 años. Le sorprendió ver que este planeta tenía dos "orejas", las cuales desaparecieron en 1612 y reaparecieron en 1616, hallazgos estos que Galileo nunca pudo entender. Fue Christiaan Huygens, hacia 1656, el primero en entender que se trataba de un disco de anillos que desaparecían porque, al igual que la Tierra, el plano de rotación ecuatorial de Saturno también tiene una inclinación (que es la causante de que ambos planetas tengan estaciones). Los anillos desaparecieron porque hay un momento en el cual se ven de canto desde la Tierra (y se veían como "orejas" debido a la baja capacidad de resolución que tenía el telescopio de Galileo).

El equinoccio de Saturno

Pan es una pequeña luna de Saturno de que orbita dentro de la división Encke. En esta imagen tomada por la sonda Cassini el 27 de julio de 2009 (apenas 15 días antes del equinoccio de Saturno) se destaca la larga sombra que proyecta sobre la parte interna del anillo A. La división Keeler se observa como un arco negro, cerca del borde externo del anillo (a la izquierda en la imagen).

Los anillos desaparecieron debido a un fenómeno conocido como equinoccio, que para el caso de Saturno se repite con una periodicidad cercana a los 15 años. En la Tierra sucede cada 6 meses (dos veces al año), la última vez el pasado 20 de marzo. En ese momento un observador terrestre ubicado sobre la línea ecuatorial puede observar el Sol al mediodía exactamente en el cénit (el punto más alto en el cielo). Debido a que los anillos de Saturno están ubicados exactamente en su región ecuatorial, durante el equinoccio estos no son iluminados por el Sol y la noche cae sobre ellos durante aproximadamente cuatro días. Este último fenómeno obedece a que por estar Saturno unas 10 veces más lejos del Sol, su rotación alrededor del mismo es mucho más lenta que la de la Tierra (lo que a su vez se explica por la tercera ley de Kepler). El efecto neto es que el desplazamiento aparente del Sol en el cielo para un observador en Saturno también es muy lento. Los últimos días antes y después del equinoccio crean condiciones especiales de iluminación. La última vez que esto sucedió en Saturno fue en agosto 11 de 2009, una rara oportunidad que le permitió a los científicos de la misión Cassini hacer observaciones especiales de los anillos, lo que ha cambiado radicalmente nuestra visión de los mismos.

Las lunas del anillo A

Pan, con su aspecto de platillo volador, se puede apreciar claramente dentro de la división Encke. Dafnis es apenas un minúsculo punto blanco dentro de la división Keeler, pero su presencia es obvia a partir de las ondas que crea en el material adyacente del anillo A.

El anillo A presenta dos espacios que parecen estar libres de partículas. Se conocen, de afuera hacia adentro, como la división Keeler y la división Encke (que en realidad fue descubierta por Keeler). Cada una tiene una pequeña luna en su interior, Pan en la división Encke y Dafnis en la división Keeler. Se considera que la acción gravitacional de estos objetos es la responsable de limpiar de partículas la circunferencia completa de sus órbitas, lo que explicaría la presencia de estos espacios. Aparentemente hay un diámetro límite inferior (probablemente < 1 km) a partir del cual la acción gravitacional de las "minilunas" no es suficiente para despejar completamente su camino, algo que discutiremos más adelante en esta misma nota (Las "hélices" del anillo A). Pero hay otros espacios dentro de otros anillos (por ejemplo la división Colombo y la división Maxwell dentro del anillo C) donde hasta ahora no se ha detectado ningún objeto. Carolyn Porco, líder del grupo de imágenes de la misión Cassini, dice al respecto: "Nosotros anticipamos que muchos de los espacios en los anillos de Saturno tienen lunas en su interior, y estaremos en su búsqueda de aquí en adelante".

Dafnis fue descubierta por la sonda Cassini en 2005. Nótese las perturbaciones inducidas por la atracción gravitacional de Dafnis a ambos lados de la división Keeler. En esta imagen el movimiento es de derecha a izquierda. El material que está en la parte interna de la división (arriba en la imagen) se desplaza más rápido que Dafnis (tercera ley de Kepler), razón por la cual se le adelanta (se observa más a la izquierda); mientras que el material de la parte externa (abajo en la imagen) se desplaza más lentamente (por lo que se observa más a la derecha).

La existencia de Pan fue predicha en 1985 en un artículo publicado por Jeffrey Cuzzi y Jeffrey Scargle. El análisis de algunas imágenes de los anillos de Saturno obtenidas por la misión Voyager 2 a finales de agosto de 1981 reveló ondulaciones de aproximadamente 2 km de amplitud radial en los dos bordes (interno y externo) de la división Encke. Los autores calcularon que debían ser producidas por una luna pequeña, de unos 10 km de radio. Pan fue finalmente descubierta en 1990, después de una búsqueda exhaustiva en el catálogo de imágenes obtenidas por la misión Voyager. La misión Cassini ha revelado que presenta un abultamiento en su parte ecuatorial, lo que le da el aspecto de un platillo volador. Tiene un radio polar de 10.5 km y un radio ecuatorial de 16.5 km, y como ya lo mencionamos, orbita dentro de la división Encke. Hasta ahora no está claro el origen de los anillos de Saturno, pero una de las posibilidades es que sean el resultado de la ruptura catastrófica de un objeto de tamaño similar al de Mimas (392 km de diámetro). De ser así, Pan sería uno de los fragmentos más grandes que sobrevivieron a tal evento. El abultamiento se pudo formar en una etapa posterior por acreción (acumulación) preferencial de materiales sobre su zona ecuatorial.

Debido a su órbita inclinada, Dafnis puede provocar ondas que sobresalen del plano de los anillos a ambos lados de la división Keeler. Dafnis es el punto blanco, justo en el medio de las perturbaciones internas (izquierda) y externas (derecha).

Dafnis, de 8 km de diámetro, fue descubierta en una secuencia de imágenes tomadas por la sonda Cassini en mayo 1 de 2005. Ocupa una órbita inclinada dentro de la división Keeler, lo que significa que en ocasiones está por encima o por debajo del plano de los anillos. Su presencia había sido sospechada desde casi un año antes, cuando en julio de 2004 la sonda Cassini entró en órbita alrededor de Saturno y las imágenes que obtuvo del anillo A mostraron irregularidades en el borde externo de la división Keeler. Por analogía con la división Encke (y su luna Pan) los científicos de la misión predijeron la existencia de un objeto de unos pocos km de diámetro que orbitaba en el centro de la división, causante de tales alteraciones. Se calcula que Dafnis tiene una densidad de 0.34 (g cm^-3), mientra que la densidad de Pan es de 0.41 (g cm^-3), lo que implica que ambos cuerpos son muy porosos. Simulaciones por computador sugieren que Pan y Dafnis crecieron hasta su tamaño actual a partir de acumulación de materiales porosos provenientes del anillo A.

La llegada del equinoccio a Saturno el año pasado permitió confirmar algo que hasta entonces sólo era una sospecha previsible. Como las lunas tienen diámetros mucho mayores que el espesor de los anillos (de apenas unos 10 metros), las condiciones de iluminación en esta época permitirían observar sombras cada vez más largas proyectadas por las lunas sobre los anillos, a medida que se acerca el equinoccio (y pocos días después del mismo). Y el hecho de que Dafnis tenga una órbita inclinada en relación con el plano de los anillos haría que las perturbaciones gravitacionales que provoca sobre los bordes de la división Keeler también tengan una componente vertical. Esto se pudo comprobar cuando se detectaron olas en ambos bordes de la división Keeler que se elevaban entre 500 y 1.500 metros por encima del plano de los anillos (ver imagen a la derecha). 

Las "hélices" del anillo A

Esta imagen muestra la presencia de cuatro "hélices" en el anillo A. Los recuadros blancos muestran dos imágenes de la mayor de todas (a la izquierda), la cual se cree que está asociada con la presencia de una "miniluna" de unos 150 metros. El tamaño se infiere a partir de la separación existente entre las dos aletas que forman la "hélice". Otras tres de tales estructuras se observan en los círculos blancos (a la derecha).

Desde la misión Voyager se sabía que las partículas que forman los anillos tienen tamaños que oscilan entre 1 cm y 20 metros de diámetro. Por otra parte, las lunas más pequeñas descubiertas hasta ahora son Pan (de unos 26 km de diámetro) y Dafnis (8 km de diámetro). Pero nada se sabía de la existencia en los anillos de partículas de tamaño intermedio (o sea en el rango comprendido entre los 20 metros y los 8 km de diámetro). Sin embargo, desde comienzos de este siglo se había predicho a partir de simulaciones numéricas que tales hipotéticos objetos debían producir alteraciones características en el medio que las rodeaba. O sea que se forman por la acción gravitacional de "minilunas", más pequeñas que Dafnis, que por su diminuto tamaño son incapaces de "limpiar" el espacio a su alrededor, pero que pueden sin embargo crear alteraciones en el material que las rodea. Tales estructuras, conocidas informalmente como "hélices" (debido a que su forma recuerda la hélice de un avión), fueron finalmente descubiertas por la misión Cassini en 2004 dentro del anillo A. Las "hélices" son como el patrón de ondas que genera una lancha que navega a través de un lago tranquilo.

Esta "hélice" gigante, de 130 km de largo, proyecta una sombra que se extiende por 350 km y se eleva unos 200 metros por encima del plano del anillo A. Con base en estos datos se calcula que la "miniluna" asociada debe tener unos 400 metros de diámetro.

Hasta ahora no se ha podido ver a las "minilunas" que causan estos disturbios, pero se considera que deben estar en el punto en donde se unen los dos lóbulos que forman cada "hélice". Sus tamaños se pueden inferir a partir de sus efectos. La separación radial entre los dos lóbulos que forman cada "hélice" es proporcional al tamaño de la "miniluna" asociada con ella, y el lóbulo que va por delante tiende a estar ligeramente más cerca de Saturno. Esto se sabe a partir del análisis de las imágenes que se han obtenido de estas estructuras, pero también por predicciones de modelos teóricos de los patrones de densidad inducidos por estos pequeños objetos, los cuales habían sido publicados por Frank Spahn y Miodrag Sremcevic en 2000 (hace 10 años). Las hélices parecen estar confinadas dentro de una estrecha banda de unos 3.000 km de ancho dentro del anillo A (el cual tiene unos 14.000 km de ancho). Hasta ahora se han "descubierto" cerca de 200 "minilunas", pero se calcula que hay miles de ellas. Es posible que se hayan formado por acreción de material sobre una pequeña partícula "semilla", pero se desconoce el origen de dichas "semillas".

Una explicación alternativa, popular en la teoría de los anillos, se basa en el modelo de choques catastróficos conocido como "cascada colisional" (propuesto inicialmente por Larry Esposito y Joshua Colwell), en donde la destrucción de una luna grande (como Mimas), produce una gran cantidad de fragmentos que eventualmente tienden a formar un anillo. La destrucción posterior de los fragmentos más grandes, de unos 20 km de diámetro (como la luna Pan), agregaría nuevo material al sistema de anillos existente y sería el responsable de la formación de las "minilunas". En la actualidad esta es un área de activa investigación.