Los anillos de Saturno están calentando su atmósfera

Esta imagen compuesta de arriba muestra la protuberancia Lyman-alfa de Saturno, una emisión de hidrógeno que es un exceso persistente e inesperado detectado por tres misiones distintas de la NASA: Voyager 1, Cassini y el Telescopio Espacial Hubble entre 1980 y 2017.

Una imagen del Hubble casi ultravioleta, obtenida en 2017 durante el verano de Saturno en el hemisferio norte, se utiliza como referencia para esbozar la emisión Lyman-alfa del planeta. Los anillos parecen mucho más oscuros que el cuerpo del planeta porque reflejan mucha menos luz solar ultravioleta. Por encima de los anillos y la región ecuatorial oscura, la protuberancia Lyman-alfa aparece como una banda latitudinal extendida (30 grados) que es un 30 por ciento más brillante que las regiones circundantes. Una pequeña fracción del hemisferio sur aparece entre los anillos y la región ecuatorial, pero es más tenue que el hemisferio norte.

Al norte de la región de protuberancia (parte superior derecha de la imagen), el brillo del disco disminuye gradualmente en comparación con la latitud hacia la región de la aurora brillante que se muestra aquí como referencia (no a escala). Una mancha oscura dentro de la región de la aurora representa la huella del eje de rotación del planeta. Se cree que las partículas de los anillos helados que llueven sobre la atmósfera en latitudes específicas y los efectos estacionales causan un calentamiento atmosférico que hace que el hidrógeno de la atmósfera superior refleje más luz solar Lyman-alfa en la región de protuberancia. Esta interacción inesperada entre los anillos y la atmósfera superior ahora se investiga en profundidad para definir nuevas herramientas de diagnóstico para estimar si los exoplanetas distantes tienen sistemas de anillos similares a Saturno.

Un secreto único en el sistema solar

El secreto se ha estado ocultando a plena vista durante 40 años. Pero se necesitó la perspicacia de un astrónomo veterano para reunir todo en un año, utilizando observaciones de Saturno realizadas por el Telescopio Espacial Hubble de la NASA y la sonda espacial Cassini, ya retirada, además de las naves espaciales Voyager 1 y 2 y la misión International Ultraviolet Explorer, también retirada.

El descubrimiento: el vasto sistema de anillos de Saturno está calentando la atmósfera superior del planeta gigante. El fenómeno nunca antes se había visto en el sistema solar. Es una interacción inesperada entre Saturno y sus anillos que potencialmente podría proporcionar una herramienta para predecir si los planetas alrededor de otras estrellas también tienen gloriosos sistemas de anillos similares a los de Saturno.

La evidencia reveladora es un exceso de radiación ultravioleta, vista como una línea espectral de hidrógeno caliente en la atmósfera de Saturno. El aumento de la radiación significa que algo está contaminando y calentando la atmósfera superior desde el exterior.

La explicación más factible es que las partículas heladas del anillo que llueven sobre la atmósfera de Saturno provocan este calentamiento. Esto podría deberse al impacto de micrometeoritos, bombardeo de partículas de viento solar, radiación ultravioleta solar o fuerzas electromagnéticas que recogen polvo cargado eléctricamente. Todo esto sucede bajo la influencia del campo gravitacional de Saturno que atrae partículas hacia el planeta. Cuando la sonda espacial Cassini de la NASA se sumergió en la atmósfera de Saturno al final de su misión en 2017, midió los componentes atmosféricos y confirmó que muchas partículas caían desde los anillos.

“Aunque la lenta desintegración de los anillos es bien conocida, su influencia en el hidrógeno atómico del planeta es una sorpresa. Desde la sonda Cassini, ya sabíamos sobre la influencia de los anillos. Sin embargo, no sabíamos nada sobre el contenido de hidrógeno atómico," dijo Lotfi Ben-Jaffel del Instituto de Astrofísica de París y del Laboratorio Lunar y Planetario de la Universidad de Arizona, autora de un artículo publicado el 30 de Marzo en Planetary Science Journal.

"Todo está impulsado por partículas de anillos que caen en cascada a la atmósfera en latitudes específicas. Modifican la atmósfera superior, cambiando la composición", dijo Ben-Jaffel. "Y luego también tienes procesos de colisión con gases atmosféricos que probablemente estén calentando la atmósfera a una altitud específica".

La conclusión de Ben-Jaffel requería reunir observaciones de archivo de luz ultravioleta (UV) de cuatro misiones espaciales que estudiaron Saturno. Esto incluye observaciones de las dos sondas Voyager de la NASA que sobrevolaron Saturno en la década de 1980 y midieron el exceso de UV. En ese momento, los astrónomos descartaron las mediciones como ruido en los detectores. La misión Cassini, que llegó a Saturno en 2004, también recopiló datos UV en la atmósfera (durante varios años). Los datos adicionales provinieron del Hubble y del International Ultraviolet Explorer, que se lanzó en 1978 y fue una colaboración internacional entre la NASA, la ESA (Agencia Espacial Europea) y el Consejo de Investigación de Ciencia e Ingeniería del Reino Unido.

Pero la pregunta persistente era si todos los datos podrían ser ilusorios o si, por el contrario, reflejaban un fenómeno real en Saturno.

La clave para armar el rompecabezas vino de la decisión de Ben-Jaffel de usar mediciones del Espectrógrafo de Imágenes del Telescopio Espacial (STIS) del Hubble. Sus observaciones de precisión de Saturno se utilizaron para calibrar los datos UV de archivo de las otras cuatro misiones espaciales que han observado a Saturno. Comparó las observaciones STIS UV de Saturno con la distribución de la luz de múltiples instrumentos y misiones espaciales.

"Cuando todo estuvo calibrado, vimos claramente que los espectros son consistentes en todas las misiones. Esto fue posible porque tenemos el mismo punto de referencia, del Hubble, sobre la tasa de transferencia de energía de la atmósfera medida durante décadas", Ben -dijo Jaffel. "Realmente fue una sorpresa para mí. Acabo de graficar los diferentes datos de distribución de luz juntos y luego me di cuenta, guau, es lo mismo".

Cuatro décadas de datos UV cubren múltiples ciclos solares y ayudan a los astrónomos a estudiar los efectos estacionales del Sol en Saturno. Al reunir todos los datos diversos y calibrarlos, Ben-Jaffel descubrió que no hay diferencia en el nivel de radiación UV. "En cualquier momento, en cualquier posición del planeta, podemos seguir el nivel de radiación ultravioleta", dijo. Esto apunta a la constante "lluvia de hielo" de los anillos de Saturno como la mejor explicación.

"Estamos apenas al comienzo de este efecto de caracterización de anillos en la atmósfera superior de un planeta. Eventualmente queremos tener un enfoque global que produzca una firma real sobre las atmósferas en mundos distantes. Uno de los objetivos de este estudio es ver cómo podemos aplicarlo a los planetas que orbitan alrededor de otras estrellas. Llámalo la búsqueda de 'exo-anillos'".

30 marzo 2023

La NASA en Español