Los anillos y la inclinación de Saturno podrían ser el producto de una luna antigua que falta
Girando alrededor del ecuador del planeta, los anillos de Saturno son un claro indicativo de que el planeta está girando con una inclinación. El gigante con cinturón gira en un ángulo de 26,7 grados en relación con el plano en el que orbita alrededor del sol. Los astrónomos han sospechado durante mucho tiempo que esta inclinación proviene de las interacciones gravitatorias con su vecino Neptuno, ya que la inclinación de Saturno avanza, como un trompo, casi al mismo ritmo que la órbita de Neptuno.
Pero un nuevo estudio de modelado realizado por astrónomos del MIT y otros lugares ha encontrado que, si bien los dos planetas pueden haber estado sincronizados alguna vez, Saturno ha escapado desde entonces a la atracción de Neptuno. ¿Cuál fue el responsable de este realineamiento planetario? El equipo tiene una hipótesis meticulosamente probada: una luna perdida.
En un estudio que aparece en Science, el equipo propone que Saturno, que hoy alberga 83 lunas, una vez albergó al menos una más, un satélite adicional al que llaman Chrysalis. Junto con sus hermanos, sugieren los investigadores, Chrysalis orbitó Saturno durante varios miles de millones de años, tirando y tirando del planeta de una manera que mantenía su inclinación u «oblicuidad» en resonancia con Neptuno.
Pero hace unos 160 millones de años, estima el equipo, Chrysalis se volvió inestable y se acercó demasiado a su planeta en un encuentro rasante que separó al satélite. La pérdida de la luna fue suficiente para sacar a Saturno de las garras de Neptuno y dejarlo con la inclinación actual.
Es más, suponen los investigadores, mientras que la mayor parte del cuerpo destrozado de Chrysalis pudo haber impactado con Saturno, una fracción de sus fragmentos podría haber permanecido suspendido en órbita, eventualmente rompiéndose en pequeños trozos de hielo para formar los anillos característicos del planeta.
El satélite perdido, por lo tanto, podría explicar dos misterios de larga data: la inclinación actual de Saturno y la edad de sus anillos, que anteriormente se estimaba en unos 100 millones de años, mucho más jóvenes que el propio planeta.
«Al igual que la crisálida de una mariposa, este satélite estuvo inactivo durante mucho tiempo y de repente se activó, y surgieron los anillos«, dice Jack Wisdom, profesor de ciencias planetarias en el MIT y autor principal del nuevo estudio.
Los coautores del estudio incluyen a Rola Dbouk del MIT, Burkhard Militzer de la Universidad de California en Berkeley, William Hubbard de la Universidad de Arizona, Francis Nimmo y Brynna Downey de la Universidad de California en Santa Cruz y Richard French de Wellesley College.
Un momento de progreso
A principios de la década de 2000, los científicos propusieron la idea de que el eje inclinado de Saturno es el resultado de que el planeta quedó atrapado en una resonancia, o asociación gravitacional, con Neptuno. Pero las observaciones tomadas por la nave espacial Cassini de la NASA, que orbitó Saturno de 2004 a 2017, le dieron un nuevo giro al problema. Los científicos descubrieron que Titán, el satélite más grande de Saturno, se estaba alejando de Saturno a un ritmo más rápido de lo esperado, a una velocidad de unos 11 centímetros por año. La rápida migración de Titán y su atracción gravitacional llevaron a los científicos a concluir que la luna probablemente era responsable de inclinar y mantener a Saturno en resonancia con Neptuno.
Pero esta explicación depende de una gran incógnita: el momento de inercia de Saturno, que es cómo se distribuye la masa en el interior del planeta. La inclinación de Saturno podría comportarse de manera diferente, dependiendo de si la materia está más concentrada en su núcleo o hacia la superficie.
«Para avanzar en el problema, tuvimos que determinar el momento de inercia de Saturno«, dice Wisdom.
El elemento perdido
En su nuevo estudio, Wisdom y sus colegas buscaron precisar el momento de inercia de Saturno utilizando algunas de las últimas observaciones tomadas por Cassini en su «Gran final», una fase de la misión durante la cual la nave espacial hizo un acercamiento extremadamente cercano para mapear con precisión el campo gravitacional alrededor de todo el planeta. El campo gravitacional se puede utilizar para determinar la distribución de la masa en el planeta.
Wisdom y sus colegas modelaron el interior de Saturno e identificaron una distribución de masa que coincidía con el campo gravitacional que observó Cassini. Sorprendentemente, encontraron que este momento de inercia recién identificado colocó a Saturno cerca, pero justo fuera de la resonancia con Neptuno. Es posible que los planetas alguna vez hayan estado sincronizados, pero ya no lo están.
«Luego buscamos formas de sacar a Saturno de la resonancia de Neptuno«, dice Wisdom.
El equipo primero llevó a cabo simulaciones para hacer evolucionar la dinámica orbital de Saturno y sus lunas hacia atrás en el tiempo, para ver si alguna inestabilidad natural entre los satélites existentes podría haber influido en la inclinación del planeta. Esta búsqueda resultó vacía.
Entonces, los investigadores volvieron a examinar las ecuaciones matemáticas que describen la precesión de un planeta, que es cómo cambia el eje de rotación de un planeta con el tiempo. Un término en esta ecuación tiene contribuciones de todos los satélites. El equipo razonó que si se eliminaba un satélite de esta suma, podría afectar la precesión del planeta.
La pregunta era, ¿qué tan masivo tendría que ser ese satélite y qué dinámica tendría que sufrir para sacar a Saturno de la resonancia de Neptuno?
Wisdom y sus colegas realizaron simulaciones para determinar las propiedades de un satélite, como su masa y radio orbital, y la dinámica orbital que se requeriría para sacar a Saturno de la resonancia.
Concluyen que la inclinación actual de Saturno es el resultado de la resonancia con Neptuno y que la pérdida del satélite Chrysalis, que tenía aproximadamente el tamaño de Iapetus, la tercera luna más grande de Saturno, le permitió escapar de la resonancia.
En algún momento entre hace 200 y 100 millones de años, Chrysalis entró en una zona orbital caótica, experimentó una serie de encuentros cercanos con Iapetus y Titán, y finalmente se acercó demasiado a Saturno, en un encuentro rasante que hizo pedazos el satélite, dejando una pequeña fracción para rodear el planeta como un anillo lleno de escombros.
Descubrieron que la pérdida de Chrysalis explica la precesión de Saturno y su inclinación actual, así como la formación tardía de sus anillos.
«Es una historia bastante buena, pero como cualquier otro resultado, tendrá que ser examinada por otros«, dice Wisdom. «Pero parece que este satélite perdido era solo una crisálida, esperando su inestabilidad«.
Referencia
- Jack Wisdom, Rola Dbouk, Burkhard Militzer, William B. Hubbard, Francis Nimmo, Brynna G. Downey, Richard G. French. Loss of a satellite could explain Saturn’s obliquity and young rings. Science, 2022; 377 (6612): 1285 DOI: 10.1126/science.abn1234
