Saturno: signore degli anelli

I notevoli anelli di Saturno

Miliardi di particelle vorticose di ghiaccio d’acqua

Gli anelli di Saturno, austeramente belli, sono così grandi e luminosi che possiamo vederli con un piccolo telescopio. E poiché gli anelli scintillanti sono inclinati rispetto all’eclittica, il piano dell’orbita terrestre intorno al Sole, cambiano la loro forma quando sono visti dalla Terra. Gli anelli sono visti successivamente dal bordo, quando possono brevemente scomparire dal sito in un piccolo telescopio, dal basso, quando sono spalancati, di nuovo dal bordo e poi dall’alto. Il ciclo completo richiede 29,458 anni terrestri, il periodo orbitale di Saturno, quindi gli anelli quasi scompaiono dalla vista ogni 15 anni circa. L’ultima scomparsa è avvenuta nel 1995.

I tre anelli principali di Saturno sono stati osservati per secoli. Ci sono l’anello A esterno e l’anello B centrale, separati dalla scura Divisione Cassini, e un anello C interno, o crespo, che è più trasparente degli altri due. Rimangono sospesi nello spazio, non attaccati a Saturno, perché si muovono intorno al pianeta a velocità che dipendono dalla loro distanza, opponendosi all’attrazione della gravità.

Le parti interne degli anelli si muovono intorno a Saturno più velocemente delle parti esterne, il tutto in accordo con la terza legge di Keplero per piccoli oggetti che ruotano intorno ad uno più grande e massiccio. Orbitano intorno al pianeta con periodi che vanno da 5,8 ore per il bordo interno dell’anello C, a 14,3 ore per il bordo esterno del più lontano anello A. Poiché Saturno ruota intorno al suo asse con un periodo di 10,6562 ore, le parti interne degli anelli principali orbitano ad una velocità superiore a quella di rotazione del pianeta, e le parti esterne ad una velocità inferiore.

La differenza di moto orbitale tra la parte interna e quella esterna degli anelli significa che essi non sono un foglio solido di materia, perché verrebbero lacerati dal moto differenziale. Gli anelli sono invece costituiti da un gran numero di particelle, ognuna nella propria orbita intorno a Saturno, come una piccola luna. Miliardi di particelle degli anelli ruotano intorno al pianeta. Sono stati appiattiti e distribuiti in un disco sottile e largo come risultato di collisioni tra particelle.

Gli anelli di Saturno sono piatti, larghi e incredibilmente sottili. Misurati da bordo a bordo, i tre anelli principali hanno una larghezza totale di 62,2 mila chilometri, quindi sono un po’ più larghi del raggio del pianeta, a 60,3 mila chilometri. Se osservati da bordo a bordo, da sopra o vicino alla Terra, gli anelli praticamente scompaiono dalla vista. Sembrano spessi circa un chilometro, ma questa è un’illusione attribuita a deformazioni, increspature, satelliti incorporati e un sottile anello esterno inclinato. Quando gli strumenti della Voyager 2 hanno monitorato la luce delle stelle che passava attraverso gli anelli, hanno scoperto che i bordi degli anelli si estendono solo per circa 10 metri dall’alto in basso. Se un foglio di carta rappresenta lo spessore degli anelli di Saturno, allora un modello in scala sarebbe largo due chilometri.

Di cosa sono fatte le particelle degli anelli? Alle lunghezze d’onda visibili, gli anelli sono luminosi e riflettenti, ma alle lunghezze d’onda infrarosse sono scuri e meno riflettenti. Questo suggerisce che le particelle sono fredde e fatte di ghiaccio. Infatti, sono composte in gran parte, e quasi esclusivamente, di ghiaccio d’acqua. La massa totale dei prominenti anelli A, B e C è circa uguale a quella del satellite di Saturno Mimas, che pesa 4,5 x 1019 chilogrammi, e tale massa è coerente con particelle composte da ghiaccio d’acqua.

Le particelle degli anelli sono troppo piccole per le telecamere delle navicelle spaziali per vederle individualmente, ma gli scienziati possono dedurre le loro dimensioni dalle misurazioni radio. Poiché gli anelli sono molto riflettenti alle trasmissioni radar a terra, sappiamo che le loro particelle sono paragonabili, o più grandi, della lunghezza d’onda radar di circa 0,1 metri. La distribuzione delle dimensioni delle particelle è stata determinata dal modo in cui gli anelli hanno bloccato i segnali radio della Voyager 1 e 2 quando le navicelle sono passate dietro gli anelli. Questo metodo ha mostrato che ci sono notevolmente poche particelle più grandi di 5-10 metri o più piccole di 0,01 metri. Entro questi limiti, il numero di particelle negli anelli principali diminuisce con l’aumentare delle dimensioni, in proporzione all’inverso del quadrato del loro raggio.

Tuttavia, quattro anelli aggiuntivi, designati gli anelli D, E, F e G, consistono di cristalli di ghiaccio molto più piccoli e microscopici. Questi anelli, scoperti con osservazioni da terra o da veicoli spaziali, sono tutti molto diffusi, tenui e quasi trasparenti. Il modo in cui le loro particelle diffondono la luce indica che sono i più piccoli di tutti, approssimativamente un micron – un micron è un milionesimo, o 10-6, metri.

Pioneer 11 ha scoperto l’anello F incredibilmente stretto, che si trova appena fuori l’anello A, grazie al suo assorbimento di particelle energetiche; mentre le immagini della sonda Voyager hanno mostrato l’anello F in grande dettaglio, dimostrando che la sua larghezza varia da poche migliaia a decine di migliaia di metri. Inoltre, non si tratta di un solo anello, la Voyager 1 ha individuato un groviglio contorto di filamenti stretti che si sono appianati quando la Voyager 2 è arrivata circa 9 mesi dopo. Poiché le particelle dell’anello F sono più luminose quando sono retroilluminate dal Sole, e più deboli nella luce solare riflessa, sappiamo che le particelle sono anche di dimensioni micron, molto più piccole dei fiocchi di neve e paragonabili per dimensioni alla polvere nella vostra stanza.

Ma come può questo anello mantenere confini così stretti? In assenza di altre forze, le collisioni tra le particelle dell’anello dovrebbero distribuirle, facendo cadere le particelle verso Saturno ed espandersi verso l’esterno, creando così un anello più ampio e diffuso. Due piccole lune, chiamate Pandora e Prometeo, fiancheggiano l’anello F e lo confinano tra loro, impedendo così alle particelle dell’anello F di allontanarsi oltre gli stretti confini dell’anello.

Anelli, onde, vuoti e raggi

Da lontano, gli anelli principali di Saturno sembrano strutture lisce e continue. Da vicino, invece, nelle viste fornite dalle sonde Voyager 1 e 2, il materiale ghiacciato è suddiviso in migliaia di singoli anelli. Alcuni degli anelli sono perfettamente circolari, altri sono di forma ovale e alcuni sembrano entrare a spirale verso il pianeta come i solchi di un vecchio disco. In alcuni punti, il piano piatto degli anelli è leggermente corrugato, e gli anelli si vedono sulle creste e sugli avvallamenti delle corrugazioni, come increspature che corrono sulla superficie di uno stagno.

Una mano esterna è al lavoro per scolpire almeno alcune delle intricate strutture degli anelli attraverso la forza di gravità. L’attrazione gravitazionale combinata di Saturno e l’attrazione accumulata delle lune vicine può ridistribuire le particelle dell’anello, concentrandole in molte delle forme osservate. Anche se le piccole lune vicine hanno solo una debole attrazione gravitazionale sulle particelle degli anelli, l’attrazione si ripete più e più volte in certi punti di risonanza. Proprio come possiamo fare in modo che un bambino su un’altalena faccia un arco alto sopra il terreno con una leggera e ripetuta spinta nello stesso punto dell’altalena, così la ripetuta attrazione gravitazionale di una piccola luna esterna durante ogni orbita può dare una perturbazione inaspettatamente grande. L’interazione di questo effetto e l’attrazione gravitazionale di Saturno verso l’interno può respingere e attrarre le particelle dell’anello, spingendole e tirandole in concentrazioni localizzate come gli anelli.

Ma le semplici interazioni con le lune conosciute non sono riuscite completamente a rendere conto di tutti gli intricati dettagli trovati negli anelli di Saturno. Le lacune apparenti nel sistema non sono completamente vuote. La divisione Cassini, per esempio, contiene forse 100 anelli, con particelle grandi quanto quelle dell’anello vicino. Alcune lacune non si verificano nemmeno in posizioni di risonanza conosciute o contengono lune rilevate incorporate al loro interno. Lune invisibili potrebbero influenzare il raggruppamento e la rimozione di materiale in queste posizioni.

Forse la scoperta più bizzarra del Voyager sono state le lunghe strisce scure, chiamate raggi, che si estendono radialmente attraverso gli anelli, mantenendo la loro forma come i raggi di una ruota. Queste caratteristiche effimere hanno vita breve, ma si rigenerano frequentemente. Si trovano vicino alla parte più densa dell’anello B, che ruota insieme al pianeta con un periodo di 10,6562 ore. Ma anche le parti interne ed esterne dei raggi oscuri di Saturno girano intorno al pianeta con questo periodo, a velocità costante in apparente violazione della terza legge di Keplero e della teoria della gravità di Newton. Se i raggi fossero costituiti da particelle scure incorporate negli anelli, le particelle si muoverebbero con velocità che diminuiscono con l’aumentare della distanza da Saturno, e i raggi si allungherebbero rapidamente e scomparirebbero.

Secondo un’ipotesi, le piccole particelle di polvere possono diventare cariche, forse come risultato di collisioni con elettroni energetici. Le forze elettromagnetiche sollevano o fanno levitare le piccole particelle cariche dai corpi più grandi dell’anello, e i raggi vengono trascinati intorno a Saturno dal suo campo magnetico rotante. Sembra bizzarro, ma sono necessarie forze sottili per vincere la gravità.

Perché i pianeti hanno gli anelli?

Ci si potrebbe aspettare che le particelle di un anello si siano accumulate tempo fa in satelliti più grandi. Ma la caratteristica interessante degli anelli – e un indizio della loro origine – è che non coesistono con grandi lune. Gli anelli planetari sono sempre più vicini ai pianeti rispetto ai loro grandi satelliti.

Gli anelli sono confinati in una zona interna dove le forze di marea del pianeta allungherebbero un grande satellite fino a fratturarlo e dividerlo, impedendo anche ai piccoli corpi di fondersi per formare una luna più grande. Il raggio esterno di questa zona in cui si trovano gli anelli è chiamato limite di Roche dal nome del matematico francese Eduoard A. Roche (1820-1883), che lo descrisse nel 1848. Per un satellite senza forza interna e la cui densità è la stessa del pianeta, il limite di Roche è 2,456 volte il raggio planetario, o circa 147 mila chilometri per Saturno.

E da dove vengono gli anelli di Saturno? Ci sono due possibili spiegazioni per la loro origine. Nella prima spiegazione, gli anelli sono costituiti da materiale rimasto dalla nascita di Saturno circa 4,6 miliardi di anni fa. Questa ipotesi presuppone che gli anelli e le lune abbiano avuto origine nello stesso momento in un disco appiattito di gas e polvere con al centro il grande Saturno appena nato. Secondo la seconda spiegazione, una precedente luna o qualche altro corpo si è spostato troppo vicino a Saturno ed è stato fatto a pezzi dalle forze di marea del pianeta gigante, creando gli anelli. In questo caso, gli anelli potrebbero essersi formati dopo Saturno, i suoi satelliti e gran parte del resto del sistema solare.

Gli astronomi stimano ora che gli anelli di Saturno abbiano meno di 100 milioni di anni, ovvero meno del due per cento della vita di Saturno. L’abbagliante, scintillante luminosità degli anelli di Saturno fornisce la prova di questa giovinezza. Scintillano con particelle pulite di puro ghiaccio d’acqua, non sporcate dal costante spolvero della polvere cosmica. Gli anelli apparirebbero molto più scuri se fossero molto vecchi, proprio come la neve appena caduta si sporca col tempo. I calcoli indicano che in 100 milioni di anni i luminosi anelli di Saturno saranno scuriti dai pervasivi detriti cosmici nella stessa misura dei più vecchi anelli neri come il carbone di Urano e Nettuno.

Le spinte gravitazionali delle lune di Saturno sugli anelli accorceranno la vita degli anelli, fornendo un’altra indicazione della loro giovinezza. Quando si formano le onde di densità negli anelli, le lune vicine estraggono la quantità di moto dalle particelle dell’anello, inducendole a spiraleggiare lentamente verso Saturno; per conservare la quantità di moto nel sistema complessivo, le lune si allontanano gradualmente dal pianeta. L’anello A sarà alla fine trascinato giù nell’anello B, e tutti gli anelli dovrebbero collassare come risultato di questa interazione luna-anello in circa 100 milioni di anni.

Questo ci riporta alla seconda spiegazione per gli anelli di Saturno, in cui un corpo preesistente si è avvicinato troppo a Saturno ed è stato fatto a pezzi dalle forze di marea. Potrebbe essere stata una delle lune di Saturno, o un intruso proveniente da un’altra regione del sistema solare. Un satellite potrebbe formarsi al di fuori del limite di Roche e muoversi verso l’interno a causa dell’attrazione delle forze di marea che alla fine lo farebbero a pezzi. Come già detto, la massa totale di tutte le particelle dell’anello è simile alla massa del satellite relativamente piccolo di Saturno, Mimas, quindi sembra ragionevole che gli anelli possano essersi formati da una tale luna, o da alcune più piccole. Dopo tutto, la luna marziana Phobos viene ora attirata inesorabilmente verso il pianeta rosso dalle sue forze di marea, e anche il più grande satellite di Nettuno, Tritone, è diretto in rotta di collisione verso il suo pianeta.