El misterio de los anillos

No, no es una historia de Sherlock Holmes en Middle Earth. Es una nota sobre nuestro planeta favorito, Saturno, por supuesto. Bueno, primero la Tierra, y después Saturno. ¿Por qué? Por qué va a ser: por los anillos.

En algún lugar cerca del ecuador, en esa pálida noche iluminada por los anillos, se zambulló el robot Cassini para finalizar su exploración de la joya del sistema solar. OK, la segunda joya, después de la Tierra. Cassini reveló muchísmos secretos sobre los anillos, acerca de los cuales no sabíamos casi nada cuando yo era chico. A nadie se le hubiera ocurrido que podía haber cosas como ésta, por ejemplo:

Pero los misterios de los anillos no se han agotado. Uno de ellos es particularmente intrigante: ¿cuándo se formaron? Parecen tan frágiles... ¿serán antiguos o recientes? Es algo muy difícil de medir, y de hecho no se ha medido directamente, a pesar de títulos marketineros anunciando que en la época de los dinosaurios Saturno era un gigante sin anillos. No hay nada que requiera que los anillos sean antiguos o recientes, excepto que en los modelos de formación del sistema solar suelen formarse temprano.

La danza final de Cassini con Saturno fue planeada cuidadosamente para pasar peligrosamente cerca de los anillos y observarlos como nunca. Las últimas 22 órbitas llevaron al robot entre el planeta y los anillos, lo cual permitió medir directamente su masa: 1.54±0.49×10¹⁹ kg, que es un 40% de la masa de Mimas, o 3×10^-8 de la masa de Saturno. ¿Es mucho o es poco? La interacción entre los bloques que forman los anillos hace que el borde exterior suba y se pierda, y el borde interior baje y caiga al planeta. La materia que pierden hacia arriba es suficiente para haber formado, fuera de la zona de Roche, todas las lunitas de Saturno que ahora los peinan. A pesar de esta pérdida los anillos son suficientemente masivos como para persistir por su propia gravedad, y los modelos dinámicos predicen que, independientemente de su masa inicial, un sistema de anillos antiguo tiende a una masa compatible con la medida por Cassini en 2 mil millones de años (la franja rosa en el gráfico).

O sea: si los anillos hubieran sido mucho más masivos hoy (más de 2×10¹⁹ kg) no podrían ser antiguos, porque anillos masivos evolucionan rápido y no permanecen masivos por miles de millones de años. Pero, con la masa que tienen, bien podrían ser tan antiguos como el planeta. Por otro lado, nada impide que los anillos sean de formación reciente, con una masa inicial similar a la actual. Su valor coincidente con el valor asintótico de un anillo antiguo sería una pura casualidad. Requeriria algún evento reciente desconocido, capaz de producir un anillo con exactamente la misma masa que hubiera tenido un anillo antiguo más masivo tras 4 mil millones de años de evolución.

Una segunda medición importante realizada por Cassini es la tasa de bombardeo meteórico que sufren los anillos, y que va oscureciéndolos al incorporar silicatos. Cassini midió las dos cosas. Por un lado, la cantidad de silicatos resultó ser de menos de 0.5% en el anillo B (el más masivo) y hasta el 11% en partes del anillo C, el más oscuro. Por otro lado, midió también el flujo de meteorización, y aunque su análisis no está finalizado se han filtrado algunos resultados en congresos. Los dos valores, juntos a los modelos físicos de los mecanismos involucrados, resultan en que los anillos llevan oscureciéndose unos cientos de millones de años. ¡Apa! ¿Son antiguos, o son recientes?

Hay que ser cuidadosos: el tiempo de exposición meteórica puede no ser el mismo que la edad de los anillos. Es decir, los anillos podrían ser antiguos, pero algún otro evento desconocido habría producido una contaminación meteórica en los últimos cientos de millones de años, que no es representativa de toda la vida del sistema solar.

Las dos cosas, como se ve, son difíciles de tragar. Pero una cosa parece cierta: ya sea que los anillos sean antiguos o que sean jóvenes, algo pasó en Saturno hace un par de cientos de millones de años. ¿Pero qué? Nadie lo sabe.

Por supuesto, cuando un científico dice que no sabe, no es que no tenga una explicación, sino todo lo contrario. Explicaciones sobran, literalmente, y no sabemos cuál es la correcta. Hace 100 millones de años un choque entre una proto-Rhea y una proto-Dione podría haber formado los anillos, lo cual explicaría cierta peculiaridad orbital de Dione y Tethys. Pero el propio Cassini midió la cantidad de hielo cristalino y amorfo en el interior del cráter Obatala en Rhea (chupate esta mandarina), asegurando que tiene más de 450 millones de años. Entonces, si son antiguos, ¿por qué parecen jóvenes? Algún evento en el cinturón de Kuiper puede haber producido un pico de bombardeo en los últimos 100 millones de años.

¡Hay más! Al pasar debajo de los anillos Cassini observó una lluvia de granos cayendo al planeta. Su composición, con más silicatos que hielo, sugiere que algún mecanismo desconocido limpia los anillos y los hace parecer más jóvenes que lo que son. La medición (600 kg de silicatos cayendo a Saturno por segundo) implica que 100 millones de años ¡son suficientes para limpiar todos los silicatos presentes en el anillo al día de hoy!

Además de silicatos, Cassini encontró abundante material orgánico en esta lluvia anillar. La tasa observada, nuevamente, alcanzaría para limpiar todo el material orgánico de los anillos en apenas un millón de años. Encima de todo esto, partículas de hielo puro del anillo E (alimentado por Encélado), deberían también fluir hacia abajo, contribuyendo a rejuvenecer los anillos. En definitiva: el tiempo de meteorización no puede ponerse fácilmente en equivalencia con el tiempo de formación.

Los descubrimientos de la fase Gran Final son tan ricos y sorprendentes que seguramente queda todavía mucho por analizar y descubrir, aun cuando los átomos de Cassini ya están desparramados por todo Saturno.

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Crida et al. Are Saturn’s rings actually young? Nature Astronomy 3:967-970 (2019). De aquí tomé el gráfico de la evolución de los anillos, y casi todas las ideas.

Una explicación más larga de las mismas ideas está en el libro The ringed Planet, de Colwell (2019). Por ejemplo, se cuenta en detalle las dificultades para medir la masa de los anillos usando el efecto Doppler de la señal de radio de Cassini con una precisión de una parte en mil millones.

Las imágenes de Saturno son de NASA/JPL/Cassini.