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Vorticando intorno all'equatore del pianeta, gli anelli di Saturno sono un chiaro indizio del fatto che il pianeta sta ruotando ad un'inclinazione. Il gigante fasciato ruota con un angolo di 26,7 gradi rispetto al piano in cui orbita attorno al sole. Gli astronomi sospettano da tempo che questa inclinazione derivi dalle interazioni gravitazionali con il suo vicino Nettuno, poiché l'inclinazione di Saturno procede, come una trottola, quasi alla stessa velocità dell'orbita di Nettuno.
Ma un nuovo studio di modellizzazione condotto da astronomi del MIT e altrove ha scoperto che, mentre i due pianeti potrebbero essere stati una volta sincronizzati, Saturno da allora è sfuggito all'attrazione di Nettuno. Qual è stato il responsabile di questo riallineamento planetario? Il team ha un'ipotesi meticolosamente testata:una luna scomparsa.
In uno studio apparso su Scienza , il team propone che Saturno, che oggi ospita 83 lune, una volta ospitasse almeno un altro satellite, un satellite in più che chiamano Chrysalis. Insieme ai suoi fratelli, suggeriscono i ricercatori, Chrysalis ha orbitato attorno a Saturno per diversi miliardi di anni, tirando e tirando il pianeta in un modo che manteneva la sua inclinazione, o "obliquità", in risonanza con Nettuno.
Ma circa 160 milioni di anni fa, stima il team, Chrysalis è diventata instabile e si è avvicinata troppo al suo pianeta in un incontro radente che ha distrutto il satellite. La perdita della luna è stata sufficiente per togliere Saturno dalla presa di Nettuno e lasciarlo con l'inclinazione attuale.
Inoltre, ipotizzano i ricercatori, mentre la maggior parte del corpo in frantumi di Chrysalis potrebbe aver avuto un impatto con Saturno, una frazione dei suoi frammenti potrebbe essere rimasta sospesa in orbita, rompendosi infine in piccoli pezzi ghiacciati per formare gli anelli caratteristici del pianeta.
Il satellite scomparso, quindi, potrebbe spiegare due misteri di vecchia data:l'attuale inclinazione di Saturno e l'età dei suoi anelli, che in precedenza si stimava avessero circa 100 milioni di anni, molto più giovani del pianeta stesso.
"Proprio come la crisalide di una farfalla, questo satellite è rimasto a lungo inattivo ed è diventato improvvisamente attivo e sono emersi gli anelli", afferma Jack Wisdom, professore di scienze planetarie al MIT e autore principale del nuovo studio.
I coautori dello studio includono Rola Dbouk del MIT, Burkhard Militzer dell'Università della California a Berkeley, William Hubbard dell'Università dell'Arizona, Francis Nimmo e Brynna Downey dell'Università della California a Santa Cruz e Richard French del Wellesley College.
Un momento di progresso
All'inizio degli anni 2000, gli scienziati hanno avanzato l'idea che l'asse inclinato di Saturno sia il risultato dell'intrappolamento del pianeta in una risonanza, o associazione gravitazionale, con Nettuno. Ma le osservazioni effettuate dalla navicella spaziale Cassini della NASA, che ha orbitato attorno a Saturno dal 2004 al 2017, hanno dato una nuova svolta al problema. Gli scienziati hanno scoperto che Titano, il più grande satellite di Saturno, stava migrando lontano da Saturno a una velocità maggiore del previsto, a una velocità di circa 11 centimetri all'anno. La rapida migrazione di Titano e la sua attrazione gravitazionale hanno portato gli scienziati a concludere che la luna fosse probabilmente responsabile dell'inclinazione e del mantenimento di Saturno in risonanza con Nettuno.
Ma questa spiegazione dipende da una grande incognita:il momento di inerzia di Saturno, che è il modo in cui la massa è distribuita all'interno del pianeta. L'inclinazione di Saturno potrebbe comportarsi diversamente, a seconda che la materia sia più concentrata al centro o verso la superficie.
"Per fare progressi sul problema, abbiamo dovuto determinare il momento di inerzia di Saturno", dice Wisdom.
L'elemento perduto
Nel loro nuovo studio, Wisdom e i suoi colleghi hanno cercato di definire il momento di inerzia di Saturno utilizzando alcune delle ultime osservazioni fatte da Cassini nel suo "Grand Finale", una fase della missione durante la quale la navicella spaziale ha effettuato un approccio estremamente ravvicinato per mappare con precisione il campo gravitazionale attorno all'intero pianeta. Il campo gravitazionale può essere utilizzato per determinare la distribuzione della massa nel pianeta.
Wisdom e i suoi colleghi hanno modellato l'interno di Saturno e identificato una distribuzione di massa che corrispondeva al campo gravitazionale osservato da Cassini. Sorprendentemente, hanno scoperto che questo momento di inerzia appena identificato collocava Saturno vicino, ma appena fuori dalla risonanza con Nettuno. I pianeti potrebbero essere stati sincronizzati una volta, ma non lo sono più.
"Poi siamo andati alla ricerca di modi per togliere Saturno dalla risonanza di Nettuno", dice Wisdom.
Il team ha prima effettuato simulazioni per far evolvere la dinamica orbitale di Saturno e delle sue lune indietro nel tempo, per vedere se eventuali instabilità naturali tra i satelliti esistenti avrebbero potuto influenzare l'inclinazione del pianeta. Questa ricerca è risultata vuota.
Quindi, i ricercatori hanno riesaminato le equazioni matematiche che descrivono la precessione di un pianeta, ovvero il modo in cui l'asse di rotazione di un pianeta cambia nel tempo. Un termine in questa equazione ha i contributi di tutti i satelliti. Il team ha ritenuto che se un satellite venisse rimosso da questa somma, ciò potrebbe influire sulla precessione del pianeta.
La domanda era:quanto doveva essere massiccio quel satellite e quali dinamiche avrebbe dovuto subire per portare Saturno fuori dalla risonanza di Nettuno?
Wisdom e i suoi colleghi hanno eseguito simulazioni per determinare le proprietà di un satellite, come la sua massa e il raggio orbitale, e le dinamiche orbitali che sarebbero necessarie per eliminare Saturno dalla risonanza.
Concludono che l'attuale inclinazione di Saturno è il risultato della risonanza con Nettuno e che la perdita del satellite, Crisalide, che aveva all'incirca le dimensioni di Giapeto, la terza luna più grande di Saturno, gli ha permesso di sfuggire alla risonanza.
Tra 200 e 100 milioni di anni fa, Chrysalis entrò in una zona orbitale caotica, sperimentò una serie di incontri ravvicinati con Giapeto e Titano e alla fine si avvicinò troppo a Saturno, in un incontro radente che fece a pezzi il satellite, lasciandone una piccola frazione girare intorno al pianeta come un anello disseminato di detriti.
La perdita di Crisalide, hanno scoperto, spiega la precessione di Saturno e la sua inclinazione odierna, nonché la formazione tardiva dei suoi anelli.
"È una storia piuttosto buona, ma come qualsiasi altro risultato, dovrà essere esaminata da altri", dice Wisdom. "Ma sembra che questo satellite perduto fosse solo una crisalide, in attesa di avere la sua instabilità". + Esplora ulteriormente
