Gran finale Cassini. Credito:Agenzia spaziale europea
In un nuovo rapporto su Progressi scientifici , Mark Elowitz, e un team di scienziati in scienze fisiche, fisica ottica, scienza planetaria e ricerca sulle radiazioni negli Stati Uniti, UK., India, e Taiwan, ha presentato la prima analisi degli spettri di riflettanza nell'ultravioletto lontano delle regioni sugli emisferi principali e finali di Rhea, come raccolti dallo spettrografo di imaging ultravioletto Cassini durante i sorvoli mirati. In questo lavoro, miravano specificamente a spiegare l'ampia caratteristica di assorbimento non identificata centrata vicino a 184 nanometri degli spettri risultanti. Utilizzando misurazioni di laboratorio della spettroscopia UV di un insieme di molecole, Elowitz et al. trovato una buona corrispondenza con gli spettri di Rhea sia con l'idrazina monoidrato che con diverse molecole contenenti cloro. Hanno mostrato che l'idrazina monoidrato è il candidato più plausibile per spiegare la caratteristica di assorbimento a 184 nm. L'idrazina era anche un propellente nei propulsori di Cassini, però, in questo caso, i propulsori non venivano utilizzati durante i sorvoli dei satelliti ghiacciati e quindi si presumeva che il segnale non provenisse dal carburante del veicolo spaziale. Gli scienziati hanno poi spiegato come l'idrazina monoidrato può essere prodotta chimicamente su superfici ghiacciate.
La luna di Saturno Rea
La conoscenza della geologia e della topografia della superficie della seconda luna più grande di Saturno, Rhea, era avanzata notevolmente grazie a diversi passaggi ravvicinati durante la missione Cassini-Huygens. La superficie di Rhea è fortemente craterizzata con caratteristiche geomorfologiche che indicano attività endogena come grandi crateri da impatto in direzione nord-sud. La temperatura superficiale di Rhea può variare da circa 40 a 100 K, con albedo geometrico ad alta visibilità. L'albedo, cioè., la quantità di luce riflessa da un oggetto celeste, era coerente con una superficie composta da ghiaccio d'acqua, tipicamente supportato dalla misurazione delle caratteristiche di assorbimento dell'infrarosso (IR). Generalmente, Rea orbita intorno a Saturno a una distanza di circa 8,75 raggi di Saturno con una velocità di 8,5 Km/s, dove il suo emisfero viaggiante è irradiato da plasma che viaggia a circa 57 Km/s. I grani dell'E-ring di Saturno potrebbero bombardare e rivestire gran parte della superficie di Rea, e tali bombardamenti da fonti diverse potrebbero causare cambiamenti chimici nella superficie irradiata per sintetizzare una ricca chimica di superficie. Però, la composizione superficiale di Rhea rimane attualmente in gran parte sconosciuta. In questo lavoro, Elowitz et al. ha utilizzato quattro osservazioni risolte su disco dello spettrografo di imaging ultravioletto Cassini/ultravioletto lontano (UVIS/FUV) di Rhea. Per ridurre il rumore nei dati, i ricercatori hanno applicato un filtro levigante. Hanno notato che gli spettri sono dominati dalle caratteristiche di assorbimento del ghiaccio d'acqua, come notato nei precedenti satelliti ghiacciati. Hanno esplorato le spiegazioni per ampi spettri di assorbimento nell'intervallo di lunghezze d'onda che si avvicina a 179-189 nm negli spettri UVIS di Rhea.
Posizione delle quattro osservazioni UVIS/FUV di Cassini analizzate in questo articolo. Le osservazioni UVIS campionano gli emisferi principali e finali di Rea. Ciascun campo visivo della fenditura rappresenta 64 pixel spaziali del rivelatore. L'area all'interno di ciascuna casella rappresenta la somma integrata di tutte le 64 righe di rilevatori, su tutte le gamme dell'angolo di fase. Credito:progressi scientifici, doi:10.1126/sciadv.aba5749 
Gli scienziati hanno misurato gli spettri di laboratorio di diverse specie molecolari e le loro miscele per ricavare vincoli ottici. Rhea e Dione sono generalmente noti per condividere una geomorfologia simile basata sull'Imaging Science Subsystem (ISS) ad alta risoluzione di Cassini. Entrambi i satelliti ghiacciati di medie dimensioni erano costituiti da un'esosfera di ossigeno/anidride carbonica con proprietà compositive e fotometriche simili. Sia Rhea che Dione hanno mostrato emisferi principali più luminosi con un minimo oscuramento degli arti a bassi angoli di fase. Il team ha attribuito agli emisferi più luminosi la deposizione di ghiaccio d'acqua puro dall'E-ring di Saturno, dove sia Rhea che Dione hanno mostrato proprietà fotometriche simili insieme a rapporti di colore arancione/viola per implicare la somiglianza delle loro superfici. Hanno ottenuto gli spettri modello risultanti di idrazina monoidrato (N 2 h 4 .H 2 O) e triclorometano (CHCl 3 ) al di sotto di uno strato di ghiaccio d'acqua utilizzando misurazioni di assorbanza di laboratorio e la teoria di Hapke. Dopo aver esaminato gli spettri modellati, Elowitz et al. ha mostrato la presenza di idrazina monoidrato o molecole di clorometano per spiegare il debole, ampio assorbimento visto tra le regioni 179 e 189 nm. I risultati non hanno mostrato variazioni significative nella forza della banda tra osservazioni o posizioni su Rhea.
Spettri di riflettanza misurati con UVIS (spettri neri) di Rhea da quattro osservazioni separate. I modelli spettrali si basano su misurazioni di laboratorio su ghiaccio sottile dell'assorbanza di due composti del clorometano e N2H4.H2O. Le misurazioni sono state acquisite a una temperatura di 70 K in condizioni di quasi vuoto per simulare l'ambiente superficiale di Rhea. La granulometria utilizzata negli spettri del modello era di 3 μm, e la lunghezza del percorso è stata impostata su 0,125 μm per Obs 1, 2, e 3, e 0,250 μm per Obs 4. Errore, ±6% per i dati osservativi, non aggiunto agli spettri per chiarezza. Credito:progressi scientifici, doi:10.1126/sciadv.aba5749
Le origini dei composti del cloro su Rhea
Il team ha poi esplorato possibili fonti e pozzi di ciascuna specie molecolare, comprendere i composti chimici responsabili dei deboli spettri di assorbimento dalla regione di interesse. Hanno ipotizzato la presenza di una fonte per il tetracloruro di carbonio (CCl 4 ) su Rea, seguito da un nuovo strato di ghiaccio d'acqua consegnato sopra quello dall'E-ring di Saturno. La tecnica della spettroscopia di riflettanza UV era sensibile solo ai pochi micrometri superiori, permettendo agli scienziati di rilevare uno strato di composti di clorometano sotto le deposizioni di ghiaccio d'acqua. Però, era ancora difficile spiegare la presenza di composti di cloro attraverso percorsi chimici su Rea poiché la loro origine richiedeva la presenza di uno strato oceanico interno o la consegna esogena da parte di micrometeoroidi o asteroidi contenenti cloro. Ad esempio, se i composti esistessero profondamente all'interno di Rea, potrebbero abbassare il punto di congelamento del ghiaccio d'acqua per aumentare la probabilità di uno strato acquoso. I ricercatori avevano precedentemente rilevato sali a base di cloro come il cloruro di sodio sui pennacchi di Encelado come prova di un oceano interno. Però, era improbabile che i composti del cloro migrassero sulla superficie di Rhea attraverso le crepe nel guscio di ghiaccio a causa della profondità relativamente maggiore del suo strato liquido. La restante possibile fonte di cloro era attraverso la somministrazione esogena da parte di asteroidi condritici nel corso della storia. Il cloro condensato potrebbe essere stato poi ridistribuito in altre regioni del satellite tramite sputtering indotto da particelle cariche della magnetosfera di Saturno, per spiegare l'ampia distribuzione dei composti di cloro campionati.
Spettri rimossi dal continuo che mostrano la profondità relativa della caratteristica di assorbimento di 184 nm e le posizioni relative del bordo di assorbimento del ghiaccio d'acqua. Entro i limiti di errore dei dati UVIS, non rileviamo differenze significative nella forza della caratteristica di assorbimento di 184 nm in funzione della posizione sulla superficie di Rhea. Si nota un piccolo cambiamento nella posizione del bordo di assorbimento UV dovuto al ghiaccio d'acqua. Lo spostamento minore può essere il risultato di diverse dimensioni dei grani di ghiaccio e/o di contaminanti minori all'interno della matrice di ghiaccio. Errore, ±6%, non aggiunto agli spettri per chiarezza. Credito:progressi scientifici, doi:10.1126/sciadv.aba5749
Comprensione della produzione di idrazina monoidrato su Rhea
Rispetto al clorometano, la produzione di idrazina monoidrato era più facile da spiegare a causa di reazioni chimiche che coinvolgono acqua-ghiaccio e ammoniaca o la consegna dall'atmosfera ricca di azoto di Titano. Elowitz et al. considerata la possibilità di contaminazione dei dati UVIS da parte di un propellente idrazina della sonda Cassini, sebbene fosse altamente improbabile dal momento che i propulsori a idrazina non venivano utilizzati durante i sorvoli dei satelliti ghiacciati. Il team ha confermato la firma specifica di una caratteristica di 184 nm sulla superficie di Rhea utilizzando le osservazioni dello spettrometro UV effettuate dalla sonda Cassini. In aggiunta a ciò, l'irradiazione dell'ammoniaca da parte di particelle cariche della magnetosfera di Saturno induceva la dissociazione delle molecole di ammoniaca per formare diazene e idrazina. La fonte di ammoniaca su Rea potrebbe essere primordiale, incorporato al suo interno durante la formazione e portato in superficie entro un periodo di attività endogena, come evidente nelle immagini Cassini ISS, anche se era improbabile che l'ammoniaca sopravvivesse indefinitamente sulla superficie. Il team suggerisce ulteriori analisi per comprendere il potenziale del trasferimento da satellite a satellite di materiali attraverso l'atmosfera di Titano per spiegare la presenza di idrazina monoidrato su Rea.
Spettri integrati nel disco UVIS/FUV di Cassini dell'emisfero finale della luna ghiacciata di Saturno Tethys acquisiti nel 2015. Le osservazioni sono state raccolte con un angolo di fase di ~29°. Tutti e tre gli spettri sono dominati dal ghiaccio d'acqua come indicativo di un forte calo del FUV tra ~160 e 170 nm. Nessuno degli spettri mostra la presenza della caratteristica di assorbimento di 184 nm che si vede negli spettri FUV di Rhea. Errore, ±6%, non aggiunto agli spettri per chiarezza. Credito:progressi scientifici, doi:10.1126/sciadv.aba5749 
In questo modo, Mark Elowitz e colleghi hanno dettagliato la prima indagine geochimica della superficie ghiacciata della luna di Saturno Rhea nella regione del lontano ultravioletto. I risultati hanno indicato la possibile presenza di composti del clorometano sotto uno strato di ghiaccio d'acqua, o la presenza di un complesso di idrazina monoidrato. Hanno assunto che l'idrazina fosse il candidato predominante per le caratteristiche spettrali UV osservate a 184 nm, rispetto ai composti del clorometano. Il team ha attribuito alla presenza di ammoniaca all'interno dello strato superiore ghiacciato di Rhea la fonte di idrazina monoidrato. I ricercatori intendono anche esplorare la possibilità della sintesi dell'idrazina nell'atmosfera della più grande luna di Saturno, Titano, e il suo trasferimento da satellite a satellite per raggiungere Rea attraverso periodi geologici.
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