Saturno: el señor de los anillos

Los extraordinarios anillos de Saturno

Millones de partículas de hielo de agua que se arremolinan

Los anillos de Saturno, de una belleza austera, son tan grandes y brillantes que podemos verlos con un pequeño telescopio. Y como los relucientes anillos están inclinados con respecto a la eclíptica, el plano de la órbita de la Tierra alrededor del Sol, cambian su forma cuando se ven desde la Tierra. Los anillos se ven sucesivamente de canto, cuando pueden desaparecer brevemente del sitio en un pequeño telescopio, desde abajo, cuando están muy abiertos, de canto de nuevo y luego desde arriba. El ciclo completo requiere 29,458 años terrestres, el periodo orbital de Saturno, por lo que los anillos casi desaparecen de la vista cada 15 años aproximadamente. La última desaparición tuvo lugar en 1995.

Los tres anillos principales de Saturno se han observado durante siglos. Están el anillo exterior A y el anillo central B, separados por la oscura División Cassini, y un anillo interior C, o crepé, más transparente que los otros dos. Permanecen suspendidos en el espacio, sin estar unidos a Saturno, porque se mueven alrededor del planeta a velocidades que dependen de su distancia, oponiéndose a la atracción de la gravedad.

Las partes interiores de los anillos se mueven alrededor de Saturno más rápido que las exteriores, todo ello de acuerdo con la tercera ley de Kepler para objetos pequeños que giran alrededor de uno masivo y más grande. Orbitan el planeta con periodos que van desde las 5,8 horas del borde interior del anillo C hasta las 14,3 horas del borde exterior del anillo A, más lejano. Dado que Saturno gira alrededor de su eje con un período de 10,6562 horas, las partes interiores de los anillos principales orbitan a una velocidad mayor que la del planeta, y las exteriores a una velocidad menor.

La diferencia de movimiento orbital entre las partes internas y externas de los anillos significa que no son una lámina sólida de materia, pues se desgarrarían por el movimiento diferencial. En cambio, los anillos están formados por un gran número de partículas, cada una en su propia órbita alrededor de Saturno, como una pequeña luna. Miles de millones de partículas de anillos giran alrededor del planeta. Se han aplanado y extendido hasta formar un disco fino y ancho como resultado de las colisiones entre partículas.

Los anillos de Saturno son planos, anchos e increíblemente finos. Medidos de borde a borde, los tres anillos principales abarcan una anchura total de 62,2 mil kilómetros, por lo que son un poco más anchos que el radio del planeta, de 60,3 mil kilómetros. Cuando se observan de canto, desde la Tierra o cerca de ella, los anillos prácticamente desaparecen de la vista. Parecen tener un kilómetro de grosor, pero se trata de una ilusión atribuida a la deformación, las ondulaciones, los satélites incrustados y un anillo exterior delgado e inclinado. Cuando los instrumentos de la Voyager 2 monitorizaron la luz de las estrellas que pasa a través de los anillos, descubrieron que los bordes del anillo se extienden sólo unos 10 metros de arriba a abajo. Si una hoja de papel representa el grosor de los anillos de Saturno, entonces un modelo a escala tendría dos kilómetros de ancho.

¿De qué están hechas las partículas de los anillos? En las longitudes de onda visibles, los anillos son brillantes y reflectantes, pero en las longitudes de onda infrarrojas son oscuros y menos reflectantes. Esto sugiere que las partículas son frías y están hechas de hielo. De hecho, están compuestas en gran parte, y casi exclusivamente, de hielo de agua. La masa total de los prominentes anillos A, B y C es casi igual a la del satélite de Saturno Mimas, que pesa 4,5 x 1019 kilogramos, y tal masa es consistente con partículas compuestas de hielo de agua.

Las partículas del anillo son demasiado pequeñas para que las cámaras de las naves espaciales puedan verlas individualmente, pero los científicos pueden inferir su tamaño a partir de mediciones de radio. Dado que los anillos son muy reflectantes para las transmisiones de radar desde tierra, sabemos que sus partículas son comparables o mayores que la longitud de onda del radar, de unos 0,1 metros. La distribución del tamaño de las partículas se ha determinado a partir de la forma en que los anillos bloquearon las señales de radio de las Voyager 1 y 2 cuando las naves espaciales pasaron por detrás de los anillos. Este método demostró que hay muy pocas partículas de más de 5 a 10 metros de tamaño o de menos de 0,01 metros. Dentro de estos límites, el número de partículas en los anillos principales disminuye con el aumento del tamaño, en proporción al cuadrado inverso de su radio.

Sin embargo, cuatro anillos adicionales, designados como anillos D, E, F y G, están formados por cristales de hielo mucho más pequeños y microscópicos. Estos anillos, descubiertos mediante observaciones terrestres o con naves espaciales, son todos muy difusos, tenues y casi transparentes. La forma en que sus partículas dispersan la luz indica que son los más pequeños de todos, con un tamaño aproximado de una micra -una micra es una millonésima, o 10-6, de metro-.

Pioneer 11 descubrió el increíblemente estrecho anillo F, que se encuentra justo fuera del anillo A, por su absorción de partículas energéticas; mientras que las imágenes de la nave espacial Voyager mostraron el anillo F con gran detalle, demostrando que su anchura varía de unos pocos miles a decenas de miles de metros. Además, no se trata de un solo anillo, sino que la Voyager 1 detectó una maraña contorsionada de hilos estrechos que se habían suavizado cuando llegó la Voyager 2, unos 9 meses después. Debido a que las partículas del anillo F son más brillantes cuando son iluminadas por el Sol, y más débiles en la luz solar reflejada, sabemos que las partículas son también del tamaño de una micra, mucho más pequeñas que los copos de nieve y comparables en tamaño al polvo de su habitación.

¿Pero cómo puede este anillo mantener unos límites tan estrechos? En ausencia de otras fuerzas, las colisiones entre las partículas del anillo deberían esparcirlas, haciendo que las partículas caigan hacia dentro de Saturno y se expandan hacia fuera de él, creando así un anillo más amplio y difuso. Dos pequeñas lunas, llamadas Pandora y Prometeo, flanquean el anillo F y lo confinan entre ellas, impidiendo así que las partículas del anillo F se desvíen más allá de los estrechos límites del anillo.

Anillos, ondas, huecos y radios

Desde la distancia, los principales anillos de Saturno parecen estructuras suaves y continuas. Sin embargo, de cerca, desde las vistas proporcionadas por las naves espaciales Voyager 1 y 2, el material helado se organiza en miles de anillos individuales. Algunos de los anillos son perfectamente circulares, otros tienen forma ovalada y unos pocos parecen entrar en espiral hacia el planeta como los surcos de un disco antiguo. En algunos lugares, el plano de los anillos está ligeramente ondulado, y los anillos se ven en las crestas y en las caídas de las ondulaciones, como las ondas que recorren la superficie de un estanque.

Una mano externa está trabajando para esculpir al menos algunas de las intrincadas estructuras de los anillos a través de la fuerza de la gravedad. La atracción gravitatoria combinada de Saturno y la atracción acumulada de las lunas cercanas puede redistribuir las partículas del anillo, concentrándolas en muchas de las formas observadas. Aunque las pequeñas lunas cercanas sólo ejercen una débil atracción gravitatoria sobre las partículas de los anillos, la atracción se repite una y otra vez en determinados lugares de resonancia. Al igual que podemos hacer que un niño en un columpio se arquee por encima del suelo con un suave y repetido empujón en el mismo lugar del columpio, la repetida atracción gravitatoria de una pequeña luna externa durante cada órbita puede dar una perturbación inesperadamente grande. La interacción de este efecto y la atracción gravitatoria de Saturno hacia el interior puede repeler y atraer las partículas de los anillos, empujándolas y tirando de ellas en concentraciones localizadas como anillitos.

Pero las simples interacciones con las lunas conocidas no han logrado explicar por completo todos los intrincados detalles que se encuentran en los anillos de Saturno. Las aparentes lagunas del sistema no están completamente vacías. La división de Cassini, por ejemplo, contiene quizás 100 anillos, con partículas tan grandes como las del anillo vecino. Algunos huecos ni siquiera se producen en posiciones de resonancia conocidas o contienen lunas detectadas incrustadas en ellos. Las lunas invisibles podrían influir en la aglomeración y eliminación de material en estos lugares.

Tal vez el descubrimiento más extraño del Voyager fueron las largas rayas oscuras, apodadas radios, que se extienden radialmente a través de los anillos, manteniendo su forma como los radios de una rueda. Estos rasgos efímeros son de corta duración, pero se regeneran con frecuencia. Se encuentran cerca de la parte más densa del anillo B, que co-rota con el planeta a un período de 10,6562 horas. Pero las partes interiores y exteriores de los radios oscuros de Saturno también giran alrededor del planeta con este período, a velocidad constante, en aparente violación de la tercera ley de Kepler y la teoría de la gravedad de Newton. Si los radios estuvieran formados por partículas oscuras incrustadas en los anillos, las partículas se moverían con velocidades que disminuyen con el aumento de la distancia a Saturno, y los radios se estirarían rápidamente y desaparecerían.

Según una hipótesis, las pequeñas partículas de polvo podrían cargarse, quizás como resultado de colisiones con electrones energéticos. A continuación, las fuerzas electromagnéticas elevan o hacen levitar las pequeñas partículas cargadas de los cuerpos anulares más grandes, y los radios son barridos alrededor de Saturno por su campo magnético giratorio. Suena extraño, pero se requieren fuerzas sutiles para superar la gravedad.

¿Por qué los planetas tienen anillos?

Se podría esperar que las partículas de un anillo se hubieran acumulado hace tiempo en satélites más grandes. Pero la característica interesante de los anillos -y una pista de su origen- es que no coexisten con lunas grandes. Los anillos planetarios están siempre más cerca de los planetas que sus grandes satélites.

Los anillos están confinados en una zona interior en la que las fuerzas de marea del planeta estirarían un gran satélite hasta fracturarlo y partirlo, a la vez que impedirían que los cuerpos pequeños se unieran para formar una luna mayor. El radio exterior de esta zona en la que se encuentran los anillos se denomina límite de Roche en honor al matemático francés Eduoard A. Roche (1820-1883), que lo describió en 1848. Para un satélite sin fuerza interna y cuya densidad es la misma que la del planeta, el límite de Roche es 2,456 veces el radio planetario, es decir, unos 147 mil kilómetros para Saturno.

¿Y de dónde vienen los anillos de Saturno? Hay dos posibles explicaciones sobre su origen. En la primera explicación, los anillos consisten en material sobrante del nacimiento de Saturno hace unos 4.600 millones de años. Esta hipótesis supone que los anillos y las lunas se originaron al mismo tiempo en un disco aplanado de gas y polvo con el gran Saturno recién nacido en el centro. Según la segunda explicación, una antigua luna o algún otro cuerpo se acercó demasiado a Saturno y fue despedazado por las fuerzas de marea del planeta gigante, dando lugar a los anillos. En este caso, los anillos podrían haberse formado después de Saturno, sus satélites y gran parte del resto del sistema solar.

Los astrónomos estiman ahora que los anillos de Saturno tienen menos de 100 millones de años, es decir, menos del dos por ciento de la vida de Saturno. El deslumbrante y chispeante brillo de los anillos de Saturno es una prueba de esta juventud. Brillan con partículas limpias de hielo de agua pura, no manchadas por la constante lluvia de polvo cósmico. Los anillos tendrían un aspecto mucho más oscuro si fueran muy antiguos, al igual que la nieve recién caída se ensucia con el tiempo. Los cálculos indican que, dentro de 100 millones de años, los brillantes anillos de Saturno se verán oscurecidos por los omnipresentes desechos cósmicos en la misma medida que los anillos más antiguos y negros como el carbón de Urano y Neptuno.

Los tirones gravitacionales de las lunas de Saturno sobre los anillos acortarán la vida de éstos, proporcionando otra indicación de su juventud. Al establecer ondas de densidad en los anillos, las lunas cercanas extraen el impulso de las partículas de los anillos, lo que hace que se dirijan lentamente en espiral hacia Saturno; para conservar el impulso en el sistema general, las lunas se alejan gradualmente del planeta. El anillo A acabará siendo arrastrado hacia el anillo B, y todos los anillos deberían colapsar como resultado de esta interacción luna-anillo en unos 100 millones de años.

Esto nos devuelve a la segunda explicación de los anillos de Saturno, en la que un cuerpo preexistente se desvió demasiado hacia Saturno y fue desgarrado por las fuerzas de marea. Podría tratarse de una de las lunas de Saturno o de un intruso procedente de otra región del sistema solar. Un satélite podría formarse fuera del límite de Roche y desplazarse hacia el interior debido a la atracción de las fuerzas de marea que acabarían por despedazarlo. Como ya se ha dicho, la masa total de todas las partículas de los anillos es similar a la del satélite relativamente pequeño de Saturno, Mimas, por lo que parece razonable que los anillos pudieran haberse formado a partir de una luna de este tipo, o de unas cuantas más pequeñas. Después de todo, la luna marciana Fobos está siendo atraída inexorablemente hacia el planeta rojo por sus fuerzas de marea, y Tritón, el mayor satélite de Neptuno, también se dirige en curso de colisión hacia su planeta.