Scritto: Venerdì, 18 Gennaio 2019 19:25 Ultima modifica: Sabato, 19 Gennaio 2019 17:47

Cassini e Juno, esploratori gravitazionali


Lo studio delle accelerazioni di queste due sonde ha mostrato insospettate proprietà all'interno dei pianeti giganti, rivelando anche la giovinezza degli anelli di Saturno.

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Ricostruzione artistica del passaggio di Cassini tra gli anelli e Saturno Ricostruzione artistica del passaggio di Cassini tra gli anelli e Saturno Credits: NASA/JPL-Caltech

 Studiare la distribuzione di massa dentro un pianeta, rivelarne i movimenti profondi o addirittura stimare la massa degli anelli di Saturno: sembrano tutte imprese impossibili, invece è esattamente quello che si è riusciti a fare misurando accuratamente i movimenti di queste due sonde spaziali. Le indagini, capeggiate da Luciano Iess dell'Università "La Sapienza" di Roma, sono state pubblicate l'anno scorso su Nature per quanto riguarda Giove e questa settimana su Science per Saturno, mostrando che "i due pianeti sono più complessi di quanto pensassimo e non sono semplici sfere di idrogeno ed elio", come afferma Ravit Helled, planetologo dell'Università di Zurigo.

 Negli anni '80, Iess ha contribuito a creare uno strumento radio per Cassini che forniva un segnale eccezionalmente chiaro perché funzionava nella banda Ka, relativamente priva del rumore dovuto al plasma interplanetario. Monitorando le fluttuazioni nel segnale, il team pianificava la ricerca di onde gravitazionali durante il viaggio verso Saturno, che iniziò nel 1997. All'epoca, tali onde non erano state ancora mai rivelate e la ricerca non ebbe successo. Il gruppo di Iess mise un dispositivo simile su Juno, lanciato nel 2011, questa volta con l'obiettivo di studiare l'interno di Giove.

 All'epoca delle missioni Voyager, grazie alle misure di occultazioni stellari, la massa degli anelli fu stimata in 3·1019 kg, poco meno della massa del satellite Mimas. In seguito, sulla base delle osservazioni della sonda Cassini e tramite modelli numerici, la stima fu rivista verso l'alto, circa 1·1020 kg; questo risultato consolidava l'idea di una natura "primordiale" degli anelli o perlomeno dell'anello B (quello più denso ed esteso) che potrebbe essere nato nelle prime fasi della formazione del pianeta o subito dopo.

 Adesso però, sfruttando le flebili accelerazioni e decelerazioni subite sempre dalla sonda Cassini nella fase finale della sua missione, durante la quale ha attraversato ben 22 vole il piano degli anelli, la stima è di nuovo scesa (anche se per ora non è dato sapere esattamente di quanto). Queste nuove misure favoriscono l'idea che gli anelli siano strutture relativamente recenti, non più di 100 milioni di anni; il ragionamento alla base di questa deduzione è che, data la piccola massa, gli anelli devono essere composti da particelle piccole e meno numerose di quanto prima calcolato e quindi, per spiegare la luminosità complessiva, deve trattarsi di particelle molto riflettenti, cioè con elevata albedo; ora, se gli anelli fossero "primordiali", nell'arco di miliardi di anni sulla superficie di queste particelle si sarebbe accumulata una notevole quantità di polvere interplanetaria e altri detriti, che li avrebbero resi decisamente più scure di quello che appaiono. Insomma, gli anelli somiglierebbero a quelli scuri di Urano e Nettuno!

 Del resto, anche la recente osservazione di una "pioggia" o flusso di particelle tra il bordo interno dell'anello C e la sommità delle nubi del pianeta, sempre grazie alle misure di Cassini sugli impatti di micrometeoriti, suggeriva un continuo salasso di materia e quindi una vita limitata e un'origine recente degli anelli, che potrebbero avere anche solo 10 milioni di anni. Quanto all'origine degli anelli, lo stesso Iess suggerisce che l'ipotesi più semplice sia un evento catastrofico come la collisione tra due piccole lune o tra una cometa e una luna, anche se al riguardo ci sono comunque problemi da risolvere.

 Un altro risultato interessante ottenuto dal team di ricercatori riguarda la rotazione differenziale di Saturno, che all'equatore risulterebbe più rapida negli strati esterni e abbastanza uniforme (rigida o "sincrona" rispetto al nucleo) solo a partire da 9-10 mila km di profondità; si tratta di una profondità notevole, pari al 15% del raggio del pianeta. Perciò, mentre su Giove i venti di 500 chilometri all'ora raggiungono solo 3000 chilometri di profondità, su Saturno i venti (che in superficie che superano i 1800 chilometri all'ora), vanno tre volte più in profondità. "Tutti sono rimasti sorpresi", dice Iess.

 Gli scienziati pensano che la spiegazione di questi i risultati risieda nei campi magnetici profondi dei due pianeti. A pressioni di circa 100000 volte quella dell'atmosfera terrestre, il componente principale dell'atmosfera (l'idrogeno) non è ancora allo stato metallico ma si ionizza parzialmente, trasformandosi in un semiconduttore. Ciò consente al campo magnetico di confinare il movimento del materiale, impedendogli di attraversare le linee di campo. "Il campo magnetico congela il flusso e il pianeta si irrigidisce", dice Yohai Kaspi, uno planetologo dell'Istituto di Scienza Weizmann di Rehovot, Israele, che ha lavorato con Iess. Giove ha tre volte la massa di Saturno, il che causa un aumento molto più rapido della pressione atmosferica, circa tre volte più veloce.

 I dati di Juno e Cassini forniscono qualche indizio anche su ciò che succede a maggiori profondità. Una volta gli scienziati credevano che i giganti gassosi si fossero formati come la Terra, costruendo prima un nucleo roccioso che poi avrebbe "aspirato" il gas dal disco protoplanetario tramite la gravità. Un processo così imponente avrebbe probabilmente portato a una segregazione dei materiali, con un nucleo discreto arricchito da elementi più pesanti. Ma le misurazioni di Juno, interpretate attraverso modelli, suggeriscono che il nucleo di Giove abbia un confine sfocato, con elementi pesanti che si spingono fino a metà del suo raggio. Questo suggerisce che, invece di formare un nucleo roccioso e quindi aggiungere gas, Giove potrebbe aver preso forma da rocce e gas vaporizzati fin dall'inizio, come riferisce Nadine Nettelmann, scienziata planetaria dell'Università di Rostock in Germania.

 Il quadro risulta ancora più oscuro per Saturno. I dati di Cassini suggeriscono che il suo nucleo potrebbe avere una massa da 15 a 18 volte quella della Terra, con una concentrazione più alta di elementi pesanti rispetto a quella di Giove, suggerendo un confine più netto. Ma questa interpretazione è incerta, afferma David Stevenson, uno scienziato planetario del California Institute of Technology di Pasadena e coinvestigatore su Juno. Per di più, Cassini è stato trascinato da qualcosa di profondo dentro Saturno che non può essere spiegato dai venti, dice Iess. "Lo chiamiamo il lato oscuro della gravità di Saturno." Qualunque cosa stia causando questa spinta, Stevenson aggiunge, non si riscontra su Giove. "È un risultato importante che non capiamo per ora."

 

Riferimenti:

http://science.sciencemag.org/content/363/6424/214

http://science.sciencemag.org/content/358/6370/1513

http://adsabs.harvard.edu/abs/2007DPS....39.0706S

https://www.nasa.gov/feature/jpl/nasas-cassini-data-show-saturns-rings-relatively-new

http://www.astronomy.com/news/2019/01/saturns-rings-are-surprisingly-young

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Marco Di Lorenzo (DILO)

Sono laureato in Fisica e insegno questa materia nelle scuole superiori; in passato ho lavorato nel campo dei semiconduttori e dei sensori d'immagine. Appassionato di astronautica e astronomia fin da ragazzo, ho continuato a coltivare queste passioni sul web, elaborando e pubblicando numerose immagini insieme al collega Ken Kremer. E naturalmente amo la fantascienza e la fotografia!

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