I dati da cui è tratto lo studio Sapienza, ora pubblicato su Science, rappresentano l’ultimo regalo della sonda Cassini prima del suo tuffo finale nell’atmosfera del pianeta.

Misure della gravità di Saturno e della massa dei suoi anelli, effettuate con la sonda Cassini prima della sua disintegrazione nell’atmosfera del pianeta, hanno rivelato che i venti del gigante gassoso si estendono ad una profondità di 9000 km e che gli anelli si sono formati al più 100 milioni di anni fa. I risultati della ricerca, coordinata da Luciano Iess del Dipartimento di Ingegneria meccanica e aerospaziale di Sapienza Università di Roma, sono stati pubblicati il 17 gennaio nell’edizione online di Science.

Gli anelli sono la caratteristica più iconica di Saturno, ma la misura della loro massa effettuata dai ricercatori di Sapienza mostra che la loro origine è assai più recente del pianeta. Infatti, Saturno si è formato assieme al sistema solare in tempi molto più remoti, circa 4,5 miliardi di anni fa, mentre gli anelli potrebbero risalire all’epoca in cui gli ultimi dinosauri abitavano la Terra.

I risultati della ricerca sono stati ottenuti dalle misure effettuate con la sonda Cassini (NASA) nella fase finale della missione, durante sei spettacolari passaggi ravvicinati del pianeta, tra l’atmosfera e gli anelli. Misure di velocità della sonda, con precisione di pochi centesimi di millimetro al secondo, effettuate attraverso il collegamento radio con antenne di terra della NASA e dell’Agenzia Spaziale Europea, hanno permesso di determinare separatamente la massa degli anelli e la gravità del pianeta.

Ma qual è la relazione tra la massa e l’età degli anelli? Misure effettuate in precedenza da altri strumenti di Cassini avevano mostrato che gli anelli sono composti al 99% da ghiaccio, e da impurità pari all’1% della massa totale. La sonda Cassini aveva anche determinato il flusso di particelle contaminanti (microscopici granelli di silicati) presenti attorno a Saturno. Misurando la massa degli anelli è stato quindi possibile risalire alla quantità di impurità accumulate e quindi determinare il tempo necessario perché si depositassero: da 10 a 100 milioni di anni.

“La massa degli anelli era l’ultimo elemento del puzzle. Una massa piccola, come quella che abbiamo misurato attraverso il sistema di telemisure di Cassini, indica una giovane età”, spiega Luciano Iess. “C’erano già indizi che gli anelli non si fossero formati assieme a Saturno, ma ora ne abbiamo una prova molto convincente, che è stato possibile ottenere solo nella fase finale della missione”.

Gli anelli potrebbero essersi formati per la disintegrazione di una luna di Saturno, ad esempio in conseguenza di un impatto con una cometa. Le stesse misure di gravità, ottenute dai passaggi ravvicinati di Cassini, hanno permesso di risolvere altri problemi aperti, relativi alla struttura interna del pianeta. Saturno è un gigante gassoso con un raggio di circa 60.000 km (circa 10 volte quello terrestre), composto in gran parte da idrogeno ed elio, come il Sole e Giove. Era noto da tempo che gli strati più esterni dell’atmosfera di Saturno ruotano più velocemente di quelli interni, ma di quanto non era noto. Non era nemmeno noto a che profondità il pianeta comincia a ruotare come un corpo solido.

“Ci aspettavamo che Saturno si comportasse come il fratello maggiore, Giove – afferma Daniele Durante, coautore del lavoro – ma quando abbiamo confrontato i risultati che avevamo ottenuto per Giove lo scorso anno con quelli pubblicati ora, la differenza è stata sorprendente”. Saturno inizia a ruotare uniformemente a circa 9000-10000 km di profondità, corrispondenti a circa il 15% del raggio del pianeta. Invece, su Giove solo gli strati più superficiali, corrispondenti al 3% del pianeta, ruotano più velocemente dall’interno. La grande profondità della rotazione differenziale può spiegare come mai sia stato sinora impossibile determinare il periodo di rotazione di Saturno. 

Il lavoro fornisce la risposta ad un’altra importante domanda: quanto è grande il nucleo di Saturno? Modelli matematici della struttura interna, sviluppati presso l’Università della California a Berkeley, indicano che le misure di gravità sono compatibili con un nucleo formato da elementi pesanti (ossia diversi da idrogeno ed elio) pari a circa 15-18 masse terrestri, ossia il 15% del pianeta. Questa stima potrà fornire importanti informazioni sulla formazione di Saturno e delle sue lune. 

La missione Cassini è terminata il 15 settembre 2017, utilizzando il propellente residuo per una manovra che ha fatto precipitare la sonda nell’atmosfera di Saturno, in modo da proteggere le lune del pianeta da possibili contaminazioni.

Il gruppo di ricerca è guidato da Luciano Iess, del Dipartimento di Ingegneria meccanica e aerospaziale di Sapienza Università di Roma con la collaborazione di Daniele Durante e Paolo Racioppa. Hanno contribuito alla ricerca B. Militzer (Univ. of California at Berkeley, USA), Y. Kaspi (Weizmann Institute, Israele) e P. Nicholson (Cornell Univ., USA), assieme ad altri ricercatori di università e istituzioni scientifiche italiane e straniere. La ricerca,pubblicata il 17 gennaio sull’edizione online della rivista Science, è stata finanziata in parte dall’Agenzia Spaziale Italiana. “L’analisi dei dati scientifici raccolti dalla sonda Cassini sta contribuendo in maniera fondamentale ad aumentare la conoscenza del pianeta Saturno. Con quest’ultima importante scoperta, l’Italia consolida la propria leadership scientifica nel campo dell’esplorazione del Sistema Solare, grazie anche all’importante contributo di Sapienza”, afferma Barbara Negri, responsabile ASI dell’Unità Esplorazione dell’Universo.

Riferimenti:

Measurement and implications of Saturn’s gravity field and ring mass - Authors:  L. Iess, B. Militzer, Y. Kaspi, P. Nicholson, D. Durante, P. Racioppa, A. Anabtawi, E. Galanti, W. Hubbard, M. J. Mariani, P. Tortora, S. Wahl, M. Zannoni - Science 17 gennaio 2019 - DOI: doi:10.1126/science.aat2965

Info

Luciano Iess
Dipartimento di Ingegneria meccanica e aerospaziale-Sapienza Università di Roma
luciano.iess@uniroma1.it

Daniele Durante
Dipartimento di Ingegneria meccanica e aerospaziale-Sapienza Università di Roma 
daniele.durante@uniroma1.it

Paolo Racioppa
Dipartimento di Ingegneria meccanica e aerospaziale-Sapienza Università di Roma
paolo.racioppa@uniroma1.it