I sistemi di anelli sono piuttosto diffusi nell'Universo e anche nel nostro Sistema Solare dove caratterizzano ogni pianeta gigante (Giove, Saturno, Urano e Nettuno) ma quelli di Saturno sono chiaramente differenti. Per gli scienziati sono un vero grattacapo: quando e come si sono formati rimane ancora un mistero, come ha fatto il materiale a distribuirsi secondo la configurazione che vediamo oggi è una delle tante domande irrisolte.
Saturno ha un sistema di anelli davvero unico: vengono identificati dall'interno verso l'esterno con le lettere D, C, B, A, F, G ed E e c'è anche un enorme anello diffuso, chiamato "Phoebe ring", visibile in infrarosso, che circonda Saturno a grande distanza. Si estendono dai 60.000 chilometri fino ad una distanza di 480.000 chilometri dal centro del pianeta ma sono spessi solo una decina di metri.
Credit: NASA/JPL/Space Science Institute
La loro spettacolare coreografia cela uno dei tanti problemi insoluti e, cioè, una scarsa correlazione tra la densità dell'anello, in termini di opacità e riflettività, e la quantità di materiale in esso contenuto.
Per cercare di risolvere l'enigma, gli scienziati si sono concentrati sull'anello B, che si estende per circa 25.500 chilometri ed è uno dei più brillanti ed opachi.
I dati hanno mostrato che, mentre l'opacità dell'anello varia notevolmente da un posto all'altro, ciò non è vero per la massa che, invece, risulta piuttosto omogenea.
In pratica, l'anello B è stato "pesato" per la prima volta, ossia, tecnicamente, è stata determinata la sua densità di massa in più punti analizzando le onde di densità a spirale, caratteristiche create dalla gravità che attira sugli anelli le particelle provenienti dalle lune di Saturno.
La struttura di ogni onda dipende direttamente dalla quantità di massa presente nella parte dell'anello attraversata dall'onda stessa.
"Allo stato attuale è tutt'altro che chiaro come regioni con la stessa quantità di materiale possono avere tali opacità differenti. Potrebbe essere qualcosa associato con la dimensione o la densità delle particelle singole, o potrebbe avere a che fare con la struttura degli anelli," ha detto Matthew Hedman, autore principale dello studio pubblicato su Icarus.
"Le apparenze possono ingannare", ha aggiunto Phil Nicholson della Cornell University, Ithaca, co-autore. "Una buona analogia è pensare a come un banco di nebbia è molto più opaco di una piscina, anche se la piscina è più densa e contiene molta più acqua".
La ricerca sulla massa degli anelli di Saturno ha importanti implicazioni per la loro età, altra questione sulla quale gli scienziati argomentano da tempo: un anello meno massiccio potrebbe evolversi più velocemente rispetto ad un altro contenente più materiale, diventando rapidamente più scuro ed opaco. Così, alla luce dei fatti, considerato che l'anello B risulterebbe meno massiccio del previsto, potrebbe essere anche più giovane ed avere forse solo qualche centinaio di milioni di anni invece che qualche miliardo.
"Pesando il cuore dell'anello B per la prima volta, questo studio ha fatto un passo significativo nella nostra ricerca sull'età e sull'origine degli anelli di Saturno", ha detto Linda Spilker, scienziato di punta della missione presso il Jet Propulsion Laboratory della NASA, "Gli anelli sono così magnifici e maestosi che è impossibile per noi resistere al mistero della loro formazione".
Hedman e Nicholson hanno utilizzato una nuova tecnica per analizzare i dati delle occultazioni, ossia delle osservazioni nel visibile e nell'infrarosso, durante le quali la Cassini scrutava una stella lontana, γ Crucis, la terza stella più luminosa della costellazione della Croce del Sud, attraverso gli anelli. Grazie alla combinazione di 17 eventi seguiti tra il 2008 e il 2009, tra le orbite 72 e 102, sono stati in grado di identificare quelle onde di densità a spirale negli anelli che altrimenti non risulterebbero con singole misurazioni.
Esempio di occultazione. Questa sequenza ripresa dalla Narrow Angle Camera è stata scattata dalla Cassini il 22 settembre 2012. In questo caso, a passare dietro gli anelli è Beta Pegasi, la seconda stella più luminosa nella costellazione di Pegaso.
Credit: NASA/JPL-California Institute of Tecnology - Processing: Elisabetta Bonora & Marco Faccin / aliveuniverse.today
L'analisi ha dimostrato che la massa complessiva dell'anello B è inaspettatamente bassa, fatto alquanto bizzarro se si considera che alcune parti di esso sono fino a 10 volte più opache rispetto al vicino anello A, in confronto al quale, però, lo stesso anello B avrebbe una massa due o tre volte inferiore.
Tuttavia, il mistero della massa degli anelli potrebbe essere svelato entro il prossimo anno.
In precedenza, la Cassini aveva misurato il campo gravitazionale di Saturno, raccogliendo dati sulla massa totale del pianeta e dei suoi anelli. Nel 2017, la sonda determinerà la massa di Saturno volando solo all'interno degli anelli durante la fase finale della sua missione. La differenza tra le due misurazioni dovrebbe, perciò, rivelare finalmente la vera massa del sistema di anelli.
The B-ring’s surface mass density from hidden density waves: Less than meets the eye? [abstract]
Saturn’s B ring is the most opaque ring in our solar system, but many of its fundamental parameters, including its total mass, are not well constrained. Spiral density waves generated by mean-motion resonances with Saturn’s moons provide some of the best constraints on the rings’ mass density, but detecting and quantifying such waves in the B ring has been challenging because of this ring’s high opacity and abundant fine-scale structure. Using a wavelet-based analyses of 17 occultations of the star γ Crucis observed by the Visual and Infrared Mapping Spectrometer (VIMS) onboard the Cassini spacecraft, we are able to examine five density waves in the B ring. Two of these waves are generated by the Janus 2:1 and Mimas 5:2 Inner Lindblad Resonances at 96,427 km and 101,311 km from Saturn’s center, respectively. Both of these waves can be detected in individual occultation profiles, but the multi-profile wavelet analysis reveals unexpected variations in the pattern speed of the Janus 2:1 wave that might arise from the periodic changes in Janus’ orbit. The other three wave signatures are associated with the Janus 3:2, Enceladus 3:1 and Pandora 3:2 Inner Lindblad Resonances at 115,959 km, 115,207 km and 108,546 km. These waves are not visible in individual profiles, but structures with the correct pattern speeds can be detected in appropriately phase-corrected average wavelets. Estimates of the ring’s surface mass density derived from these five waves fall between 40 and 140 g/cm2, even though the ring’s optical depth in these regions ranges from ∼ 1.5 to almost 5. This suggests that the total mass of the B ring is most likely between one-third and two-thirds the mass of Saturn’s moon Mimas.
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