Sopra l'immagine in basso a sinistra:vista a infrarossi di Cassini VIMS di Saturno. Il blu è la luce infrarossa in cui il ghiaccio d'acqua riflette in modo relativamente luminoso. Il rosso è un'emissione termica a lunghezza d'onda più lunga che mostra il calore proveniente dalle profondità del pianeta. Il verde è la lunghezza d'onda dell'infrarosso in cui l'aurora emette luce. Sopra l'immagine in alto a destra:Phoebe in luce visibile. Phoebe è molto scura, come il carbone mentre gli anelli sono molto luminosi alla luce visibile come neve leggermente sporca. Phoebe non è in scala rispetto a Saturno. Credito:NASA, JPL, Squadra VIMS, Squadra dell'ISS, Arizona, D. Machacek, U. Leicester
Sviluppando un nuovo metodo per misurare a distanza i rapporti isotopici di acqua e anidride carbonica, gli scienziati hanno scoperto che l'acqua negli anelli e nei satelliti di Saturno è inaspettatamente come l'acqua sulla Terra, tranne che sulla luna di Saturno Febe, dove l'acqua è più insolita che su qualsiasi altro oggetto finora studiato nel Sistema Solare.
I risultati, trovato nell'articolo di Icarus "Isotopic Ratios of Saturn's Rings and Satellites:Implications for the Origin of Water and Phoebe" dello scienziato senior del Planetary Science Institute Roger N. Clark, significa anche che dobbiamo cambiare i modelli di formazione del Sistema Solare perché i nuovi risultati sono in conflitto con i modelli esistenti. Robert H. Brown (U. Arizona), Dale P. Cruikshank (NASA), e Gregg A. Swayze (USGS) sono coautori.
Gli isotopi sono diverse forme di elementi ma con un diverso numero di neutroni. L'aggiunta di un neutrone aggiunge massa all'elemento, e che può cambiare i processi di come un pianeta, cometa, o si forma la luna. L'acqua è composta da due atomi di idrogeno (H) e un atomo di ossigeno, H2O. Aggiungendo un neutrone a un atomo di idrogeno, poi chiamato deuterio (D), aumenta la massa di una molecola d'acqua (HDO) di circa il 5%, e quel piccolo cambiamento si traduce in differenze isotopiche nella formazione di un pianeta, Luna, o cometa, e modifica l'evaporazione dell'acqua dopo la formazione. Il rapporto deuterio/idrogeno (D/H) è un'impronta digitale delle condizioni di formazione, compresa la temperatura e l'evoluzione nel tempo. L'evaporazione dell'acqua arricchisce il deuterio nella superficie rimanente.
I modelli per la formazione del Sistema Solare indicano che il D/H dovrebbe essere molto più alto nel Sistema Solare esterno più freddo che nel sistema interno più caldo dove si è formata la Terra. Il deuterio è più abbondante nelle nubi molecolari fredde. Alcuni modelli prevedono che il D/H dovrebbe essere 10 volte superiore per il sistema di Saturno rispetto alla Terra. Ma le nuove misurazioni mostrano che questo non è il caso degli anelli e dei satelliti di Saturno, ad eccezione della luna di Saturno Phoebe.
La scoperta di un insolito rapporto isotopico deuterio/idrogeno (D/H) per la luna di Saturno Febe significa che si è formato e proviene da una parte lontana del Sistema Solare, disse Clark. "Il rapporto D/H di Phoebe è il valore più alto mai misurato nel Sistema Solare, implicando un'origine nel freddo sistema solare esterno ben oltre Saturno."
Il team ha anche misurato il rapporto carbonio-13 rispetto al carbonio-12 (13C/12C) sulla luna di Saturno Giapeto e Febe. Giapeto, che ha anche D/H simile alla Terra, ha anche 13C/12C vicino ai valori della Terra, ma Phoebe è quasi cinque volte più alta nell'isotopo del carbonio. La presenza di anidride carbonica pone dei limiti a quanto Phoebe potrebbe essere evaporato nello spazio dopo la formazione, lasciando l'unica possibilità che Febe si sia formata nei freddissimi angoli esterni del Sistema Solare, molto più lontano di Saturno, ed è stato successivamente perturbato in un'orbita dove è stato catturato da Saturno. L'esatta provenienza di Phoebe non è nota. Al momento non ci sono misurazioni di D/H o 13C/12C per le superfici ghiacciate su Plutone o oggetti della fascia di Kuiper oltre Plutone, ma questa nuova metodologia ci consentirà di effettuare tali misurazioni dei ghiacci di superficie.
Le misurazioni sono state effettuate dalla navicella spaziale Cassini della NASA utilizzando il Visual and Infrared Mapping Spectrometer (VIMS) nel corso della missione. Una migliore calibrazione dello strumento, completato all'inizio del 2018, ha consentito la precisione necessaria per queste misurazioni della luce riflessa dagli anelli e dai satelliti. Il nuovo metodo di misurazione dei rapporti isotopici su solidi come ghiaccio d'acqua e ghiaccio di anidride carbonica utilizzando la spettroscopia di riflettanza a distanza consentirà misurazioni dei rapporti isotopici per altri oggetti in tutto il Sistema Solare, ponendo ulteriori vincoli ai modelli di formazione del Sistema Solare.
I valori D/H del sistema Saturno vicini ai valori della Terra implicano una fonte d'acqua simile per il Sistema Solare interno ed esterno, e devono essere sviluppati nuovi modelli in cui il cambiamento dal sistema solare interno a quello esterno è minore.
La missione NASA Europa Clipper potrebbe essere utilizzata per misurare i rapporti isotopici sui ghiacciati satelliti galileiani intorno a Giove, e Clark è un co-investigatore della missione e spera di effettuare tali misurazioni.
