El extraño anillo de Saturno

Por Space Telescope Science Institute 1 de abril de 2023

Un astrónomo veterano ha descubierto que el vasto sistema de anillos de Saturno está calentando la atmósfera superior del planeta, un fenómeno nunca antes observado en nuestro sistema solar. Al analizar 40 años de datos ultravioleta de múltiples misiones espaciales, incluido el Telescopio Espacial Hubble de la NASA, la sonda Cassini, las Voyager 1 y 2, y el Explorador Ultravioleta Internacional, el investigador descubrió que las partículas del anillo helado caen sobre la atmósfera de Saturno, causando calentamiento. Este descubrimiento innovador no solo destaca una interacción inesperada entre el planeta y sus anillos, sino que también abre la posibilidad de utilizar esta información para predecir la existencia de sistemas de anillos similares a los de Saturno alrededor de los exoplanetas.

The planet SaturnSaturn is the sixth planet from the sun and has the second-largest mass in the Solar System. It has a much lower density than Earth but has a much greater volume. Saturn's name comes from the Roman god of wealth and agriculture." data-gt-translate-attributes="[{"attribute":"data-cmtooltip", "format":"html"}]">Saturn is easily recognizable for its opulent ring system that can easily be seen through a small telescope. Astronomers have now found that the rings are not as placid as they look. The icy rings particles are raining down onto Saturn's atmosphere. This is heating the upper atmosphere. It took a collection of 40 years’ worth of Saturn observations, gleaned from four NASAEstablished in 1958, the National Aeronautics and Space Administration (NASA) is an independent agency of the United States Federal Government that succeeded the National Advisory Committee for Aeronautics (NACA). It is responsible for the civilian space program, as well as aeronautics and aerospace research. Its vision is "To discover and expand knowledge for the benefit of humanity." Its core values are "safety, integrity, teamwork, excellence, and inclusion." NASA conducts research, develops technology and launches missions to explore and study Earth, the solar system, and the universe beyond. It also works to advance the state of knowledge in a wide range of scientific fields, including Earth and space science, planetary science, astrophysics, and heliophysics, and it collaborates with private companies and international partners to achieve its goals." data-gt-translate-attributes="[{"attribute":"data-cmtooltip", "format":"html"}]">NASA planetary missions to come to this conclusion. Hubble Space TelescopeThe Hubble Space Telescope (often referred to as Hubble or HST) is one of NASA's Great Observatories and was launched into low Earth orbit in 1990. It is one of the largest and most versatile space telescopes in use and features a 2.4-meter mirror and four main instruments that observe in the ultraviolet, visible, and near-infrared regions of the electromagnetic spectrum. It was named after astronomer Edwin Hubble." data-gt-translate-attributes="[{"attribute":"data-cmtooltip", "format":"html"}]"> Las observaciones del Telescopio Espacial Hubble se utilizaron para unir toda la evidencia, recopilada en luz ultravioleta. Estos resultados pueden aplicarse para determinar si sistemas de anillos similares rodean planetas que orbitan alrededor de otras estrellas. Sus anillos estarían demasiado lejos para ser vistos, pero la espectroscopia de luz ultravioleta de los planetas podría arrojar pistas.

La mirada del Hubble a Saturno el 12 de septiembre de 2021 muestra cambios de color rápidos y extremos de las bandas en el hemisferio norte del planeta, donde estaba a principios de otoño. Las bandas han variado a lo largo de las observaciones del Hubble tanto en 2019 como en 2020. En particular, la icónica tormenta hexagonal de Saturno, descubierta por primera vez en 1981 por la nave espacial Voyager 2, fue difícil de distinguir en 2020, pero nuevamente es claramente evidente en 2021. La imagen de Saturno del Hubble captura el planeta después del invierno del hemisferio sur, evidente en el persistente tono azulado del polo sur. Crédito: NASA, ESA, A. Simon (NASA-GSFC) y MH Wong (UC Berkeley); Procesamiento de imágenes: A. Pagan (STScI)

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 del Telescopio Espacial Hubble de la NASA y la sonda Cassini retirada, además de las naves espaciales Voyager 1 y 2 y la misión International Ultraviolet Explorer 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.

The most feasible explanation is that icy ring particles raining down onto Saturn's atmosphere cause this heating. This could be due to the impact of micrometeorites, solar wind particle bombardment, solar ultraviolet radiation, or electromagnetic forces picking up electrically charged dust. All this happens under the influence of Saturn's gravitational field pulling particles into the planet. When NASA's CassiniThe Cassini–Huygens Mission, generally called Cassini, was a joint mission between NASA, the European Space Agency and the Italian Space Agency to study the Saturn system. Launched in 1997, Cassin provided astronomers with a massive amount of data about Saturn and its rings, its magnetosphere, and its moons. Cassini reached the end of its journey in 2017 when it deliberately dived into Saturn's atmosphere, where it disintegrated like a meteor." data-gt-translate-attributes="[{"attribute":"data-cmtooltip", "format":"html"}]">La sonda Cassini se sumergió en la atmósfera de Saturno al final de su misión en 2017, midió los componentes atmosféricos y confirmó que muchas partículas están cayendo 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.

Esta es una imagen compuesta que muestra el abultamiento de Saturno Lyman-alfa, una emisión de hidrógeno que es un exceso persistente e inesperado detectado por tres misiones distintas de la NASA, a saber, Voyager 1, Cassini y el telescopio espacial Hubble entre 1980 y 2017. Un Hubble cerca -La imagen ultravioleta, obtenida en 2017 durante el verano de Saturno en el hemisferio norte, se utiliza como referencia para dibujar la emisión Lyman-alfa del planeta. Los anillos parecen mucho más oscuros que el cuerpo del planeta porque reflejan mucho 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 la protuberancia (parte superior derecha de la imagen), el brillo del disco disminuye gradualmente en función de la latitud hacia la brillante región de la aurora 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 de hielo que llueven sobre la atmósfera en latitudes específicas y los efectos estacionales provocan un calentamiento atmosférico que hace que el hidrógeno de la atmósfera superior refleje más luz solar Lyman-alfa. en la región de la 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 extendidos similares a Saturno. Crédito: NASA, ESA, Lotfi Ben-Jaffel (IAP & LPL)

"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".

Ben-Jaffel's conclusion required pulling together archival ultraviolet-light (UV) observations from four space missions that studied Saturn. This includes observations from the two NASA Voyager probes that flew by Saturn in the 1980s and measured the UV excess. At the time, astronomers dismissed the measurements as noise in the detectors. The Cassini mission, which arrived at Saturn in 2004, also collected UV data on the atmosphere (over several years). Additional data came from Hubble and the International Ultraviolet Explorer, which launched in 1978, and was an international collaboration between NASA, ESA (European Space AgencyThe European Space Agency (ESA) is an intergovernmental organization dedicated to the exploration and study of space. ESA was established in 1975 and has 22 member states, with its headquarters located in Paris, France. ESA is responsible for the development and coordination of Europe's space activities, including the design, construction, and launch of spacecraft and satellites for scientific research and Earth observation. Some of ESA's flagship missions have included the Rosetta mission to study a comet, the Gaia mission to create a 3D map of the Milky Way, and the ExoMars mission to search for evidence of past or present life on Mars." data-gt-translate-attributes="[{"attribute":"data-cmtooltip", "format":"html"}]">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, en cambio, 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'".

Referencia: "La enigmática abundancia de hidrógeno atómico en la atmósfera superior de Saturno" por Lotfi Ben-Jaffel, Julianne I. Moses, Robert A. West, Klaus-Michael Aye, Eric T. Bradley, John T. Clarke, Jay B. Holberg y Gilda E. Ballester, 30 de marzo de 2023, Planetary Science Journal.DOI: 10.3847/PSJ/acaf78

El Telescopio Espacial Hubble es un proyecto de cooperación internacional entre la NASA y la ESA. El Centro de Vuelo Espacial Goddard de la NASA en Greenbelt, Maryland, administra el telescopio. El Instituto de Ciencias del Telescopio Espacial (STScI) en Baltimore lleva a cabo operaciones científicas del Hubble. STScI es operado para la NASA por la Asociación de Universidades para la Investigación en Astronomía, en Washington, DC