Saturn: lord of the rings

Os notáveis anéis de Saturno

Bilhões de partículas de gelo de água girando

Os austeramente bonitos anéis de Saturno são tão grandes e brilhantes que podemos vê-los com um pequeno telescópio. E como os anéis brilhantes são inclinados em relação ao eclíptico, o plano da órbita da Terra sobre o Sol, eles mudam de forma quando vistos a partir da Terra. Os anéis são sucessivamente vistos de ponta a ponta, quando podem desaparecer brevemente do local num pequeno telescópio, de baixo, quando estão bem abertos, de ponta a ponta novamente e depois de cima. O ciclo completo requer 29.458 anos terrestres, o período orbital de Saturno, de modo que os anéis quase desaparecem da vista a cada 15 anos ou mais. O último desaparecimento ocorreu em 1995.

Os três anéis principais de Saturno têm sido observados durante séculos. Há o anel A externo e o anel B central, separados pela Divisão Cassini escura, e um anel C interno, ou crepe, mais transparente que os outros dois. Eles permanecem suspensos no espaço, sem ligação a Saturno, porque se movem pelo planeta a velocidades que dependem da sua distância, opondo-se à força da gravidade.

As partes internas dos anéis movem-se em Saturno mais rapidamente do que as partes externas, tudo de acordo com a terceira lei de Kepler para pequenos objectos que giram em torno de um maciço, maior. Eles orbitam o planeta com períodos que vão desde 5,8 horas para a borda interna do anel C, até 14,3 horas para a borda externa do anel A, mais distante. Como Saturno gira em torno de seu eixo com um período de 10,6562 horas, as partes internas dos anéis principais orbitam a uma velocidade maior do que a rotação do planeta, e as partes externas a uma velocidade menor.

A diferença no movimento orbital entre as partes interna e externa dos anéis significa que eles não são uma folha sólida de matéria, pois eles seriam dilacerados pelo movimento diferencial. Em vez disso, os anéis são constituídos por um vasto número de partículas, cada uma na sua própria órbita em torno de Saturno, como uma lua minúscula. Biliões de milhões de partículas de anéis giram em torno do planeta. Elas foram achatadas e espalhadas para um disco fino e largo como resultado de colisões entre partículas.

Os anéis de Saturno são planos, largos e incrivelmente finos. Medidos de borda a borda, os três anéis principais têm uma largura total de 62,2 mil quilômetros, portanto são um pouco mais largos do que o raio do planeta, a 60,3 mil quilômetros. Quando observados de borda a borda, de cima ou perto da Terra, os anéis praticamente desaparecem da vista. Eles parecem ter cerca de um quilômetro de espessura, mas esta é uma ilusão atribuída a empenos, ondulações, satélites embutidos e um anel externo fino e inclinado. Quando os instrumentos da Voyager 2 monitoraram a luz estelar passando pelos anéis, descobriram que as bordas dos anéis se estendem apenas cerca de 10 metros de cima para baixo. Se uma folha de papel representa a espessura dos anéis de Saturno, então um modelo em escala seria de dois quilómetros de largura.

De que são feitas as partículas dos anéis? Em comprimentos de onda visíveis, os anéis são brilhantes e reflexivos, mas em comprimentos de onda infravermelhos são escuros e menos reflexivos. Isto sugere que as partículas são frias e feitas de gelo. Na verdade, elas são compostas em grande parte, e quase exclusivamente, de gelo de água. A massa total dos anéis salientes A, B e C é aproximadamente igual à do satélite Mimas de Saturno, que pesa 4,5 x 1019 quilos, e tal massa é consistente com partículas compostas de gelo de água.

As partículas dos anéis são muito pequenas para as câmaras das naves espaciais verem individualmente, mas os cientistas podem inferir o seu tamanho a partir de medições de rádio. Como os anéis são muito reflexivos para as transmissões de radar baseadas no solo, sabemos que suas partículas são comparáveis ou maiores do que o comprimento de onda do radar de cerca de 0,1 metros. A distribuição do tamanho das partículas foi determinada a partir da forma como os anéis bloquearam os sinais de rádio da Voyager 1 e 2 quando a nave espacial passou por trás dos anéis. Este método mostrou que existem pouquíssimas partículas maiores que 5 a 10 metros de tamanho ou menores que 0,01 metros. Dentro destes limites, o número de partículas nos anéis principais diminui com o aumento do tamanho, em proporção ao quadrado inverso do seu raio.

No entanto, quatro anéis adicionais, designados por anéis D, E, F e G, consistem em cristais microscópicos de gelo muito menores. Estes anéis, descobertos usando observações terrestres ou de naves espaciais, são todos muito difusos, ténues e quase transparentes. A forma como as suas partículas dispersam a luz indica que são as mais pequenas de todas, aproximadamente um micron de tamanho – um micron é milionésimo, ou 10-6, metros.

Pioneer 11 descobriu o incrivelmente estreito anel F, que se encontra mesmo fora do anel A, pela sua absorção de partículas energéticas; enquanto imagens da nave espacial Voyager mostraram o anel F com grande detalhe, demonstrando que a sua largura varia de alguns milhares a dezenas de milhares de metros. Além disso, não se trata apenas de um único anel, a Voyager 1 avistou um emaranhado contorcido de fios estreitos que se tinham suavizado quando a Voyager 2 chegou, cerca de 9 meses depois. Como as partículas do anel F são mais brilhantes quando iluminadas pelo Sol, e desmaiam com a luz solar reflectida, sabemos que as partículas também são do tamanho de microns, muito menores que os flocos de neve e comparáveis em tamanho ao pó do seu quarto.

Mas como pode este anel reter limites tão estreitos? Na ausência de outras forças, as colisões entre as partículas do anel devem espalhar-se para fora, fazendo com que as partículas caiam para dentro em direção a Saturno e se expandam para fora dele, criando assim um anel mais largo e mais difuso. Duas pequenas luas, chamadas Pandora e Prometheus, flanqueiam o anel F e confinam-no entre elas, impedindo assim que as partículas do anel F se desviem para além dos limites estreitos do anel.

Anéis, ondas, espaços e raios

De longe, os anéis principais de Saturno parecem estruturas lisas e contínuas. De perto, porém, das vistas fornecidas pela Voyager 1 e 2, o material gelado é agrupado em milhares de anéis individuais. Alguns dos anéis são perfeitamente circulares, outros têm forma oval e alguns parecem entrar em espiral em direção ao planeta como as ranhuras de um registro antiquado. Em alguns lugares, o plano plano plano dos anéis é ligeiramente ondulado, e os anéis são vistos nas cristas e mergulhos das ondulações, como ondulações que atravessam a superfície de um lago.

Uma mão externa está a trabalhar esculpindo pelo menos algumas das intrincadas estruturas dos anéis através da força da gravidade. A força gravitacional combinada de Saturno e a força acumulada das luas próximas pode redistribuir as partículas do anel, concentrando-as em muitas das formas observadas. Embora pequenas luas próximas tenham apenas uma fraca atração gravitacional sobre as partículas nos anéis, a atração é repetida uma e outra vez em certos locais ressonantes. Tal como podemos fazer uma criança num arco de oscilação alto acima do solo com um suave e repetido empurrão no mesmo local de oscilação, também a repetição do puxão gravitacional de uma pequena lua externa durante cada órbita pode dar uma perturbação inesperadamente grande. A interação deste efeito com a puxada gravitacional interna de Saturno pode repelir e atrair as partículas dos anéis, empurrando-as e puxando-as para concentrações localizadas tais como os anéis.

Mas as simples interações com luas conhecidas não foram completamente bem sucedidas na contabilização de todos os intrincados detalhes encontrados nos anéis de Saturno. As lacunas aparentes no sistema não estão completamente vazias. A Divisão Cassini, por exemplo, contém talvez 100 anéis, com partículas tão grandes quanto as do anel vizinho. Algumas lacunas nem sequer ocorrem em posições de ressonância conhecidas ou contêm luas detectadas embutidas dentro delas. Luas invisíveis podem influenciar o aglomerado e a remoção de material nesses locais.

Talvez a descoberta mais bizarra da Voyager tenha sido as longas e escuras listras, dubladas raios, que se estendem radialmente através dos anéis, mantendo sua forma como os raios de uma roda. Estas características efémeras são de curta duração, mas regeneradas com frequência. São encontrados perto da parte mais densa do anel B, que co-rota com o planeta num período de 10.6562 horas. Mas as partes internas e externas dos raios escuros de Saturno também giram ao redor do planeta com este período, a uma velocidade constante, em aparente violação da terceira lei de Kepler e da teoria da gravidade de Newton. Se os raios consistissem em partículas escuras embutidas nos anéis, as partículas se moveriam com velocidades que diminuem com o aumento da distância de Saturno, e os raios rapidamente se esticariam e desapareceriam.

De acordo com uma hipótese, as pequenas partículas de poeira podem ficar carregadas, talvez como resultado de colisões com elétrons energéticos. As forças eletromagnéticas então levantam ou levitam as pequenas partículas carregadas dos corpos anelares maiores, e os raios são varridos ao redor de Saturno pelo seu campo magnético rotativo. Parece bizarro, mas são necessárias forças subtis para ultrapassar a gravidade.

Por que é que os planetas têm anéis?

É de esperar que as partículas de um anel se tenham acumulado há muito tempo em satélites maiores. Mas a característica interessante dos anéis – e uma pista sobre a sua origem – é que não coexistem com as grandes luas. Os anéis planetários estão sempre mais próximos dos planetas do que os seus grandes satélites.

Os anéis estão confinados a uma zona interior onde as forças das marés do planeta esticariam um grande satélite até que este se fracturasse e se separasse, ao mesmo tempo que evitariam que corpos pequenos se coalescessem para formar uma lua maior. O raio externo desta zona em que os anéis são encontrados é chamado de limite Roche depois do matemático francês Eduoard A. Roche (1820-1883), que o descreveu em 1848. Para um satélite sem força interna e cuja densidade é a mesma do planeta, o limite Roche é 2.456 vezes o raio planetário, ou cerca de 147 mil quilómetros para Saturno.

E de onde vieram os anéis de Saturno? Há duas explicações possíveis para a sua origem. Na primeira explicação, os anéis consistem em material remanescente do nascimento de Saturno, há cerca de 4,6 bilhões de anos. Esta hipótese assume que os anéis e luas se originaram ao mesmo tempo em um disco achatado de gás e poeira com Saturno grande e recém nascido no centro. De acordo com a segunda explicação, uma antiga lua ou algum outro corpo moveu-se muito perto de Saturno e foi dilacerado pelas forças das marés do planeta gigante, fazendo os anéis. Neste caso, os anéis poderiam ter se formado após Saturno, seus satélites e grande parte do resto do sistema solar.

Astrônomos estimam agora que os anéis de Saturno têm menos de 100 milhões de anos, ou menos de dois por cento da vida útil de Saturno. O brilho deslumbrante e cintilante dos anéis de Saturno fornece evidências para esta juventude. Eles brilham com partículas limpas de gelo puro de água, não salpicadas pela constante peletização pelo pó cósmico. Os anéis pareceriam muito mais escuros se fossem muito velhos, tal como a neve caída de novo fica suja com o tempo. Cálculos indicam que em 100 milhões de anos os anéis brilhantes de Saturno serão escurecidos pelos detritos cósmicos penetrantes na mesma medida que os anéis mais antigos, pretos de carvão de Urano e Netuno.

Os rebocadores gravitacionais das luas de Saturno nos anéis encurtarão a vida dos anéis, fornecendo outra indicação da sua juventude. Quando se estabelecem ondas de densidade nos anéis, as luas próximas extraem o momentum das partículas dos anéis, fazendo-as espiralar lentamente em direção a Saturno; para conservar o momentum no sistema geral, as luas afastam-se gradualmente do planeta. O anel A acabará por ser arrastado para o anel B, e todos os anéis deverão colapsar como resultado desta interacção lunar em cerca de 100 milhões de anos.

Isto leva-nos de volta à segunda explicação para os anéis de Saturno, em que um corpo pré-existente se afastou demasiado perto de Saturno e foi dilacerado pelas forças das marés. Pode ter sido uma das luas de Saturno, ou um interloper de outra região do sistema solar. Um satélite poderia se formar fora do limite de Roche e se mover para dentro devido à força da maré que eventualmente rasgaria o satélite em pedaços. Como mencionado anteriormente, a massa total de todas as partículas dos anéis é semelhante à massa do satélite relativamente pequeno de Saturno, Mimas, por isso parece razoável que os anéis possam ter-se formado a partir de tal lua, ou a partir de algumas mais pequenas. Afinal, a lua marciana Phobos está agora a ser arrastada inexoravelmente em direcção ao planeta vermelho pelas suas forças das marés, e o maior satélite de Netuno, o Tritão, está também a seguir uma rota de colisão em direcção ao seu planeta.