L'anello di Phoebe ha reso le lune rosse?

L'anello più misterioso di Saturno potrebbe aver avuto un ruolo chiave nella trasformazione delle superfici di Iapeto e Iperione.

Iapetus, la luna bicolore di Saturno, vista da Cassini nel 2015. Le due metà della luna sono chiaramente visibili. Credito d'immagine: NASA / JPL-Caltech / Space Science Institute.

Iapetus, la terza luna più grande di Saturno, ha una delle superfici più strane del Sistema Solare. Un emisfero, chiamato Cassini Regio, è scuro con una leggera tinta rossastra, mentre l'emisfero opposto è un bianco rigido. Inoltre, l'altro lato ha un albedo sostanzialmente più alto, il che significa che riflette molta più luce rispetto al lato rossastro scuro. Questa peculiare discrepanza è stata notata per la prima volta tre secoli fa da Giovanni Cassini ed è stata fotografata in dettaglio nel 2007 dalla sonda che porta il suo nome.

La teoria principale per la differenza di luminosità sostiene che nel tempo il ghiaccio d'acqua si è sublimato da un lato della luna. Ciò ha portato a un circuito di feedback termico modificando l'albedo dell'emisfero e quindi aumentando la sua temperatura superficiale, portando a una maggiore sublimazione. Recenti osservazioni dell'astronave Cassini supportano questa ipotesi. Tuttavia, alla teoria manca una cosa: un modo per iniziare questo ciclo di feedback.

Una proiezione cilindrica di Iapetus realizzata da un mosaico di immagini Cassini. Credito d'immagine: NASA / JPL-Caltech / Space Science Institute / Lunar and Planetary Institute.

È emersa una possibile spiegazione: forse le particelle rossastre scure responsabili dell'avvio del processo provenivano da qualche altro corpo astronomico, forse un'altra luna saturniana. Questa ipotesi rimase, tuttavia, fino al 2009, quando lo Spitzer Space Telescope a infrarossi fece una scoperta sorprendente: un enorme disco di materiale 25 volte più grande del resto degli anelli di Saturno. Continua a leggere per scoprire cosa ha scoperto Spitzer, da dove proviene e perché è così importante.

Come si fa a formare un anello largo 11 milioni di chilometri?

Il sistema ad anello di Saturno è il più grande del Sistema Solare e facilmente il più complesso. Consiste in una serie di distinte fasce di roccia e ghiaccio separate da vuoti vuoti mantenuti da lune di pastore. Mentre il luminoso anello A termina a 137.000 km dal pianeta, ci sono anelli più sottili e deboli al di là di esso, incluso il tenue anello E che si estende per 480.000 km, o 8.25 raggi di Saturno.

L'immagine finale di Saturno di Cassini, scattata nel 2017. Diverse lune sono etichettate, sebbene estremamente deboli. Credito d'immagine: NASA / JPL-Caltech / Space Science Institute.

Si pensa che gli anelli principali si siano formati circa 100 milioni di anni fa, con ogni probabilità da una luna che è stata lacerata dalle forze di marea. Tuttavia, diversi anelli più piccoli sembrano essere riforniti attivamente. Ad esempio, il flyby di Cassini ha mostrato che i geyser ghiacciati di Encelado espellono minuscole particelle che formano l'anello E. Nel 2009, un'altra luna fu presa di mira come possibile fonte di materiale ad anello: Phoebe, che si muove in un'eccentrica orbita retrograda con un asse semi-maggiore di 215 raggi di Saturno.

Il telescopio spaziale Spitzer immaginava Saturno a 24 e 70 μm, lunghezze d'onda alle quali la polvere fresca doveva essere più visibile. Le osservazioni non hanno deluso. I mosaici di immagini hanno mostrato un grande anello di polvere che si estende tra 128 e 215 raggi di Saturno e uno stupefacente di 40 raggi di Saturno di spessore. Era chiaramente centrato attorno alla luna ed esteso verso l'interno abbastanza da spazzolare l'orbita di Iapeto. I modelli hanno mostrato che la maggior parte del materiale, tuttavia, non risiedeva in modo relativamente vicino al pianeta. Per raggiungere l'orbita di Iapetus, avrebbe dovuto percorrere circa 8,7 milioni di chilometri. Come è potuto accadere, e perché solo metà di Iapeto è colpita?

Figura 1, Verbischer et al. 2009. L'anello di Phoebe è ben visibile nel mosaico etichettato MIPSON, tra 128 e 180 raggi di Saturno. Le grandi linee diagonali sono solo artefatti osservativi.

Il processo di espulsione sembrava abbastanza chiaro: gli impatti dei micrometeoroidi. Quando piccoli pezzi di roccia colpiscono la superficie di Phoebe, espellono minuscole particelle di ghiaccio e silicato dalla crosta, che sfuggono alla luna e formano un anello polveroso attorno ad essa. L'ejecta si diffuse rapidamente, però, attraverso qualcosa chiamato effetto Poynting-Robertson. Piccole particelle assorbono la radiazione solare e quindi la emettono in modo asimmetrico, il che porta a una diminuzione del momento angolare orbitale. Per decine di milioni di anni, queste particelle cadono in orbite più basse grazie a questa nuova radiazione. L'effetto Poynting-Robertson è un fattore importante nell'evoluzione dei dischi protoplanetari e, a quanto pare, i sistemi ad anello.

Questo materiale stimolante coprirebbe Iapetus in modo uniforme se non fosse per alcune insolite caratteristiche delle orbite delle lune. Innanzitutto, Iapetus è bloccato in modo ordinato su Saturno, quindi un emisfero è sempre il lato "principale" e l'altro è sempre il lato "finale". In secondo luogo, Phoebe ha un'orbita retrograda, il che significa che viaggia nella direzione opposta della maggior parte delle lune di Saturno - e, quindi, anche la sua polvere squilla. Ciò significa che quando le particelle di anello si scontrano con Iapetus, lo fanno solo sul lato principale, rendendo scuro un emisfero e diminuendo l'albedo.

Figura 4, Verbischer et al. 2009. Simulazioni numeriche del movimento delle particelle nell'arco di 2000 anni hanno mostrato come l'anello potesse crescere fino a raggiungere le orbite di Iapeto e persino di Titano, rappresentate da sottili anelli blu attorno a Saturno.

Spettroscopia: problemi e soluzioni

La teoria non è priva di problemi. Il problema principale è stato scoperto attraverso osservazioni spettroscopiche di Phoebe, Iapetus e Hyperion - una piccola luna irregolare di Saturno che è arrossata allo stesso modo di Iapetus. Phoebe e Iapetus mostrano somiglianze spettrali, tra cui una caratteristica di assorbimento di rilievo a 3 μm che è stata attribuita a idrocarburi trovati su entrambi i corpi, evidenza di un passato comune (Cruikshank et al. 2008).

Figure 3 e 8, Cruikshank et al. 2008. La banda di assorbimento centrata a 3 μm è chiaramente visibile negli spettri infrarossi di entrambe le lune. Si ritiene che gli idrocarburi policiclici aromatici (IPA) siano responsabili.

La presenza degli stessi materiali in due lune non significa che il materiale proveniente da uno sia stato trasportato all'altro. Una semplice spiegazione potrebbe essere che si sono semplicemente formati in ambienti simili - un'idea supportata dal fatto che Iapetus è il vicino più vicino di Phoebe. Tuttavia, si pensa che Febe e Iapeto provengano da luoghi diversi; Phoebe è probabilmente un asteroide catturato che si è formato nella Cintura di Kuiper, mentre Iapetus si è formato in situ intorno a Saturno. Ciò fornisce un maggiore supporto all'idea che il trasferimento di materiale è avvenuto dopo la formazione delle lune.

Figura 1, Buratti et al. 2002.

Mentre le caratteristiche spettrali degli idrocarburi e di altre molecole sembrano buone notizie, non tutti i dati spettroscopici supportano la teoria secondo cui le lune sono correlate. Ad esempio, l'analisi spettrale dei primi anni 2000 (Buratti et al. 2002) delle tre lune e un numero di lune e asteroidi più piccoli mostra differenze nette tra Phoebe e le altre due lune a lunghezze d'onda comprese tra 0,4 e 1,0 μm. Le aree scure di Hyperion e Iapetus sono estremamente simili; La superficie di Phoebe non lo è. A prima vista, questa sembrerebbe una chiara prova contro l'intera teoria, ma le difficoltà sono evitate se assumiamo che la maggior parte dello scolorimento che vediamo ora non è direttamente dovuto alla deposizione dall'anello di Phoebe.

All'inizio, ho menzionato un circuito di feedback termico di qualche tipo che è stato avviato dal trasferimento di materiale da Phoebe. Il materiale inizialmente depositato nell'emisfero principale di Iapetus cadde su gran parte della sua superficie ghiacciata. La polvere aveva un albedo basso, il che significa che assorbe la maggior parte della luce che la colpisce. Questo lo riscalda. Quel calore verrebbe quindi trasferito al ghiaccio coperto dalla polvere e il ghiaccio sublimerebbe, riducendo ulteriormente l'albedo della luna (vedi Spencer & Denk 2010).

Un processo simile potrebbe accadere su Hyperion. Tuttavia, Hyperion non è bloccato in modo ordinato su Saturno - in effetti, la sua rotazione è così caotica che scorre nello spazio. Ciò significa che avrebbe dovuto accumulare polvere sulla sua superficie, scurendola uniformemente. Può verificarsi lo stesso circuito di feedback, ma non avrebbe prodotto una distribuzione così asimmetrica di colore e albedo.

Figura 3, Verbischer et al. 2009. Questo grafico mostra l'intensità dell'emissione a diverse altezze sul ring. Il punto luminoso è una galassia di sfondo.

Ci sono prove dell'idea che l'anello di Phoebe sia responsabile delle strane superfici di Iapetus e Hyperion, e ci sono anche prove che il ciclo è stato avviato da un'altra fonte di materiale. L'anello stesso è ancora allo studio, sia a lunghezze d'onda infrarosse che ottiche, per cercare di discernere le sue dimensioni e massa con ancora maggiore precisione. Non importa se è il meccanismo dietro lo scolorimento, tuttavia, rimane - per ora - il più grande anello di Saturno.