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Hubble descubre que los anillos de Saturno calientan su atmósfera

Esta imagen compuesta muestra la protuberancia de Lyman-alfa de Saturno, una emisión de hidrógeno que es un exceso persistente e inesperado detectado por tres misiones distintas de la NASA —Voyager 1, Cassini y el telescopio espacial Hubble— entre 1980 y 2017. Una imagen de Hubble en el ultravioleta cercano, obtenida en 2017 durante el verano en el hemisferio norte de Saturno, se utiliza como referencia para dibujar la emisión Lyman-alfa de este planeta. Los anillos se ven mucho más oscuros que el cuerpo del planeta porque reflejan mucho menos luz solar ultravioleta. Por encima de los anillos y de la región ecuatorial oscura, la protuberancia de Lyman-alfa se ve como una banda latitudinal amplia (de 30 grados) que es un 30 por ciento más brillante que las regiones a su alrededor. Una pequeña fracción del hemisferio sur aparece entre los anillos y la región ecuatorial, pero es más tenue que el hemisferio norte. Al norte de la región de la protuberancia (en la parte superior derecha de la imagen), el brillo del disco disminuye gradualmente, en función de la latitud, hacia la brillante región de la aurora que se muestra aquí como referencia (la imagen no está hecha a escala). Una mancha oscura dentro de la región de la aurora representa la señal del eje de rotación del planeta. Se cree que las partículas de los anillos de hielo que llueven sobre la atmósfera en latitudes específicas y los efectos estacionales ocasionan un calentamiento atmosférico que hace que el hidrógeno de la atmósfera superior refleje más luz solar Lyman-alfa en la región de la protuberancia. Actualmente, se investiga en profundidad esta interacción inesperada entre los anillos y la atmósfera superior para definir nuevas herramientas de diagnóstico con el fin de estimar si los exoplanetas lejanos tienen sistemas de anillos extendidos como los de Saturno.

NASA, ESA, Lotfi Ben-Jaffel (IAP & LPL)

El secreto ha estado oculto a plena vista durante 40 años. Pero fueron necesarios los conocimientos de un astrónomo veterano para integrar toda la información en menos de un año, utilizando las observaciones de Saturno obtenidas con el telescopio espacial Hubble de la NASA y la sonda Cassini, ya retirada, además de las naves espaciales Voyager 1 y 2 y la misión del International Ultraviolet Explorer, también retirado.

El descubrimiento: el vasto sistema de anillos de Saturno está calentando la atmósfera superior del planeta gigante. Este fenómeno nunca antes había visto observado en el sistema solar. Es una interacción inesperada entre Saturno y sus anillos que potencialmente podría proporcionar una herramienta para predecir si los planetas que orbitan alrededor de otras estrellas también tienen gloriosos sistemas de anillos parecidos a los de Saturno.

La evidencia reveladora es un exceso de radiación ultravioleta, que se ve como una línea espectral de hidrógeno caliente en la atmósfera de Saturno. El aumento en la radiación significa que algo está contaminando y calentando la atmósfera superior desde el exterior.

La explicación más factible es que las partículas de hielo de los anillos que llueven sobre la atmósfera de Saturno producen este calentamiento. Esto podría deberse al impacto de micrometeoritos, al bombardeo de partículas de viento solar, a la radiación solar ultravioleta o a fuerzas electromagnéticas que recogen polvo con carga eléctrica. Todo esto sucede bajo la influencia del campo gravitacional de Saturno, que atrae las partículas hacia el planeta. Cuando la sonda Cassini de la NASA se sumergió en la atmósfera de Saturno al final de su misión en 2017, midió los constituyentes atmosféricos y confirmó que muchas partículas están cayendo hacia su interior desde los anillos.

“Aunque es bien conocida la lenta desintegración de los anillos, su influencia en el hidrógeno atómico del planeta es una sorpresa. Desde la sonda Cassini ya sabíamos acerca de la influencia de los anillos. Sin embargo, no sabíamos nada acerca del contenido de hidrógeno atómico”, dijo Lotfi Ben-Jaffel, del Instituto de Astrofísica de París y el Laboratorio Lunar y Planetario de la Universidad de Arizona, quien es autor de un artículo que fue publicado el 30 de marzo en la revista científica Planetary Science Journal.

“Todo es impulsado por las partículas de los anillos que caen en cascada a la atmósfera en latitudes específicas. Estas partículas modifican la atmósfera superior, cambiando su composición”, dijo Ben-Jaffel. “Y luego también tenemos los procesos de colisión con gases atmosféricos, que probablemente están calentando la atmósfera a una altitud específica”.

La conclusión de Ben-Jaffel requirió integrar las observaciones de luz ultravioleta (UV) de los archivos de cuatro misiones espaciales que han estudiado Saturno. Esto incluye las observaciones de las dos sondas Voyager de la NASA que sobrevolaron Saturno en la década de 1980 y midieron el exceso de emisión UV. En aquel momento, los astrónomos descartaron las mediciones considerándolas como ruido en los detectores. La misión Cassini, que llegó a Saturno en 2004, también recopiló datos UV en la atmósfera (a lo largo de varios años). Los datos adicionales provinieron de Hubble y el International Ultraviolet Explorer, el cual fue lanzado en 1978 como una colaboración internacional entre la NASA, la Agencia Espacial Europea (ESA, por sus siglas en inglés) y el Consejo de Investigación en Ciencia e Ingeniería del Reino Unido.

Pero la pregunta que seguía en el aire era si todos los datos podrían ser ilusorios o si, por el contrario, reflejaban un fenómeno real en Saturno.

La clave para armar el rompecabezas provino de la decisión de Ben-Jaffel de utilizar las mediciones del espectrógrafo de imágenes del telescopio espacial Hubble (STIS, por sus siglas en inglés). Sus precisas observaciones de Saturno fueron utilizadas para calibrar los datos UV de archivo de las otras cuatro misiones espaciales que han observado Saturno. Ben-Jaffel comparó las observaciones UV de Saturno obtenidas por el STIS con la distribución de la luz de diferentes misiones e instrumentos espaciales.

“Cuando todo estuvo calibrado, vimos claramente que los espectros son consistentes en todas las misiones. Esto fue posible porque tenemos el mismo punto de referencia, obtenido con Hubble, con respecto a la tasa de transferencia de energía proveniente de la atmósfera que ha sido medida durante décadas”, dijo Ben-Jaffel. “Para mí, fue realmente una sorpresa. Solo marqué en una gráfica, juntos, los diferentes datos de distribución de luz y luego me di cuenta... guau, todo es lo mismo”.

Cuatro décadas de datos UV cubren diferentes ciclos solares y ayudan a los astrónomos a estudiar los efectos estacionales del Sol en Saturno. Al reunir todos los diversos datos y calibrarlos, Ben-Jaffel descubrió que no hay diferencias en el nivel de radiación UV. “En cualquier momento, en cualquier posición del planeta, podemos seguir el nivel de radiación UV”, dijo. Esto apunta a que la constante “lluvia de hielo” de los anillos de Saturno sería la mejor explicación.

“Apenas estamos en el comienzo de este efecto en la caracterización de los anillos de la atmósfera superior de un planeta. Más adelante, queremos tener un enfoque global que produzca una señal real acerca de las atmósferas en mundos lejanos. Uno de los objetivos de este estudio es ver cómo podemos aplicarlo a los planetas que orbitan alrededor de otras estrellas. Podríamos llamarlo la búsqueda de ‘exoanillos’”.

El telescopio espacial Hubble es un proyecto de cooperación internacional entre la NASA y la Agencia Espacial Europea (ESA, por sus siglas en inglés). El Centro de Vuelo Espacial Goddard de la NASA en Greenbelt, Maryland, administra el telescopio. El Instituto de Ciencias del Telescopio Espacial (STScI, por sus siglas en inglés) en Baltimore lleva a cabo las operaciones científicas del Hubble. El STScI es operado para la NASA por la Asociación de Universidades para la Investigación en Astronomía, en Washington D.C.

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