Un'illustrazione di Saturno e del suo nucleo "sfocato". Credito: Caltech/R. Ferito (IPAC)
Saturno fa le onde nei suoi stessi anelli
Allo stesso modo in cui i terremoti fanno rimbombare il nostro pianeta, oscillazioni all'interno di Saturno fai tremare leggermente il gigante del gas. Questi movimenti, a loro volta, causano increspature negli anelli di Saturno.
In un nuovo studio accettato nella rivista Astronomia naturale, due astronomi del Caltech hanno analizzato quegli anelli increspati per rivelare nuove informazioni sul nucleo di Saturno. Per il loro studio, hanno utilizzato i dati più vecchi acquisiti da NASA'S Cassini, un veicolo spaziale che ha orbitato attorno al gigante dagli anelli per 13 anni prima che si tuffasse nell'atmosfera del pianeta e si disintegrasse nel 2017.
I risultati suggeriscono che il nucleo del pianeta non è una dura palla di roccia, come avevano proposto alcune teorie precedenti, ma una zuppa diffusa di ghiaccio, roccia e fluidi metallici, o ciò che gli scienziati chiamano un nucleo "sfocato". L'analisi rivela anche che il nucleo si estende per il 60% del diametro del pianeta, il che lo rende sostanzialmente più grande di quanto stimato in precedenza.
"Abbiamo usato gli anelli di Saturno come un sismografo gigante per misurare le oscillazioni all'interno del pianeta", afferma il coautore Jim Fuller, assistente professore di astrofisica teorica al Caltech. "Questa è la prima volta che siamo stati in grado di sondare sismicamente la struttura di un pianeta gigante gassoso e i risultati sono stati piuttosto sorprendenti".
"L'analisi dettagliata degli anelli increspati di Saturno è una forma molto elegante di sismologia per dedurre le caratteristiche del nucleo di Saturno", afferma Jennifer Jackson, la professoressa di fisica minerale William E. Leonhard presso il Laboratorio sismologico del Caltech, che non è stata coinvolta nel studio, ma utilizza diversi tipi di osservazioni sismiche per comprendere la composizione del nucleo terrestre e per rilevare potenzialmente eventi sismici su Venus in futuro.
Cristoforo Mankovich.
L'autore principale dello studio è Christopher Mankovich, un ricercatore post-dottorato associato in scienze planetarie che lavora nel gruppo di Fuller.
I risultati offrono la migliore prova finora per il nucleo sfocato di Saturno e si allineano con le recenti prove della missione Juno della NASA, che indicano che il gigante gassoso Giove può anche avere un nucleo diluito in modo simile.
"I nuclei fuzzy sono come una melma", spiega Mankovich. “L'idrogeno e l'elio nel pianeta si mescolano gradualmente con sempre più ghiaccio e roccia mentre ti muovi verso il centro del pianeta. È un po' come le parti degli oceani della Terra in cui la salsedine aumenta man mano che si arriva a livelli sempre più profondi, creando una configurazione stabile".
L'idea che le oscillazioni di Saturno potessero creare onde nei suoi anelli e che gli anelli potessero quindi essere usati come sismografo per studiare l'interno di Saturno è nata negli studi all'inizio degli anni '1990 di Mark Marley (BS '84) e Carolyn Porco (PhD '83 ), che in seguito divenne il capo del Cassini Imaging Team. La prima osservazione del fenomeno è stata fatta da Matt Hedman e PD Nicholson (PhD '79) nel 2013, che hanno analizzato i dati presi da Cassini. Gli astronomi hanno scoperto che l'anello a C di Saturno conteneva molteplici schemi a spirale guidati dalle fluttuazioni nel campo gravitazionale di Saturno e che questi schemi erano distinti dalle altre onde negli anelli causate dalle interazioni gravitazionali con le lune del pianeta.
Ora, Mankovich e Fuller hanno analizzato lo schema delle onde negli anelli per costruire nuovi modelli dell'interno svolazzante di Saturno.
"Saturno trema sempre, ma è sottile", dice Mankovich. “La superficie del pianeta si muove di circa un metro ogni una o due ore come un lago che si agita lentamente. Come un sismografo, gli anelli raccolgono i disturbi della gravità e le particelle dell'anello iniziano a dimenarsi", dice.
Jim Fuller.
I ricercatori affermano che le increspature gravitazionali osservate indicano che l'interno profondo di Saturno, mentre ondeggia nel suo insieme, è composto da strati stabili che si sono formati dopo che materiali più pesanti sono affondati al centro del pianeta e hanno smesso di mescolarsi con materiali più leggeri sopra di essi.
"Affinché il campo gravitazionale del pianeta oscilli con queste frequenze particolari, l'interno deve essere stabile, e ciò è possibile solo se la frazione di ghiaccio e roccia aumenta gradualmente man mano che ci si avvicina al centro del pianeta", afferma Fuller.
I loro risultati indicano anche che il nucleo di Saturno è 55 volte più massiccio dell'intera Terra, con 17 masse terrestri di cui ghiaccio e roccia e il resto un fluido di idrogeno ed elio.
Hedman, che non fa parte dello studio attuale, afferma: “Christopher e Jim sono stati in grado di dimostrare che una particolare caratteristica dell'anello ha fornito una forte evidenza che il nucleo di Saturno è estremamente diffuso. Sono entusiasta di pensare a ciò che tutte le altre caratteristiche dell'anello generate da Saturno potrebbero dirci su quel pianeta".
Inoltre, i risultati pongono sfide agli attuali modelli di formazione di giganti gassosi, secondo i quali i nuclei rocciosi si formano prima e poi attraggono grandi involucri di gas. Se i nuclei dei pianeti sono davvero sfocati come indica lo studio, i pianeti potrebbero invece incorporare gas all'inizio del processo.
Riferimento: "Un nucleo diffuso in Saturno rivelato dalla sismologia ad anello" di Christopher R. Mankovich e Jim Fuller, 16 agosto 2021, Astronomia naturale.
DOI: 10.1038/s41550-021-01448-3
I Astronomia naturale lo studio, intitolato "Un nucleo diffuso in Saturno rivelato dalla sismologia ad anello", è stato finanziato dalla Rose Hills Foundation e dalla Sloan Foundation.
