Figura 1:(izquierda) Imagen de los anillos de Saturno tomada por la nave espacial Cassini. Proporcionado por NASA http://photojournal.jpl.nasa.gov/catalog/PIA06077). (derecha) Imagen de los anillos de Urano tomada por el Telescopio Espacial Hubble. Crédito:NASA
Un equipo de investigadores ha presentado un nuevo modelo para el origen de los anillos de Saturno basado en resultados de simulaciones por computadora. Los resultados de las simulaciones también son aplicables a anillos de otros planetas gigantes y explican las diferencias de composición entre los anillos de Saturno y Urano. Los hallazgos fueron publicados el 6 de octubre en la versión en línea de Ícaro .
El autor principal del artículo es HYODO Ryuki (Universidad de Kobe, Escuela de Graduados en Ciencias), y los coautores son el profesor Sébastien Charnoz (Institute de Physique du Globe / Université Paris Diderot), Profesor OHTSUKI Keiji (Universidad de Kobe, Escuela de Graduados en Ciencias), y la Profesora Asociada del Proyecto GENDA Hidenori (Instituto de Ciencias de la Tierra y la Vida, Instituto de Tecnología de Tokio).
Los planetas gigantes de nuestro sistema solar tienen anillos muy diversos. Las observaciones muestran que los anillos de Saturno están hechos de más del 95% de partículas heladas, mientras que los anillos de Urano y Neptuno son más oscuros y pueden tener un mayor contenido de rocas. Dado que los anillos de Saturno se observaron por primera vez en el siglo XVII, La investigación de los anillos se ha expandido desde los telescopios terrestres hasta las naves espaciales como Voyagers y Cassini. Sin embargo, el origen de los anillos aún no estaba claro y los mecanismos que conducen a los diversos sistemas de anillos eran desconocidos.
El presente estudio se centró en el período llamado Bombardeo Pesado Tardío que se cree que ocurrió hace 4 mil millones de años en nuestro sistema solar. cuando los planetas gigantes experimentaron una migración orbital. Se cree que varios miles de objetos del tamaño de Plutón (una quinta parte del tamaño de la Tierra) del cinturón de Kuiper existían en el sistema solar exterior más allá de Neptuno. Primero, los investigadores calcularon la probabilidad de que estos grandes objetos pasaran lo suficientemente cerca de los planetas gigantes como para ser destruidos por la fuerza de las mareas durante el Bombardeo Intenso Tardío. Los resultados mostraron que Saturno, Urano y Neptuno experimentaron encuentros cercanos con estos grandes objetos celestes varias veces.
Ilustración esquemática del proceso de formación de anillos. Las líneas de puntos muestran la distancia a la que la gravedad de los planetas gigantes es lo suficientemente fuerte como para que se produzca la interrupción de las mareas. (a) Cuando los objetos del cinturón de Kuiper tienen encuentros cercanos con planetas gigantes, son destruidos por las fuerzas de marea de los planetas gigantes. (b) Como resultado de la interrupción de las mareas, algunos fragmentos son capturados en órbitas alrededor del planeta. (c) Las colisiones repetidas entre los fragmentos hacen que los fragmentos capturados se rompan, su órbita se vuelve gradualmente más circular, y se forman los anillos actuales (alteración parcial de la figura de Hyodo, Charnoz, Ohtsuki, Genda 2016, Ícaro). Crédito:Universidad de Kobe
A continuación, el grupo utilizó simulaciones por computadora para investigar la interrupción de estos objetos del cinturón de Kuiper por la fuerza de las mareas cuando pasaban cerca de los planetas gigantes (ver Figura 2a). Los resultados de las simulaciones variaron dependiendo de las condiciones iniciales, como la rotación de los objetos que pasan y su distancia mínima de aproximación al planeta. Sin embargo, descubrieron que en muchos casos fragmentos que comprendían entre el 0,1 y el 10% de la masa inicial de los objetos que pasaban se capturaban en órbitas alrededor del planeta (ver Figuras 2a, B). Se encontró que la masa combinada de estos fragmentos capturados era suficiente para explicar la masa de los anillos actuales alrededor de Saturno y Urano. En otras palabras, Estos anillos planetarios se formaron cuando objetos suficientemente grandes pasaron muy cerca de los gigantes y fueron destruidos.
Los investigadores también simularon la evolución a largo plazo de los fragmentos capturados utilizando supercomputadoras en el Observatorio Astronómico Nacional de Japón. A partir de estas simulaciones, encontraron que se espera que los fragmentos capturados con un tamaño inicial de varios kilómetros sufran colisiones de alta velocidad repetidamente y se rompan gradualmente en pequeños pedazos. También se espera que tales colisiones entre fragmentos circularicen sus órbitas y conduzcan a la formación de los anillos que se observan hoy (ver Figuras 2b, C).
Este modelo también puede explicar la diferencia de composición entre los anillos de Saturno y Urano. Comparado con Saturno, Urano (y también Neptuno) tiene mayor densidad (la densidad media de Urano es 1,27 g cm-3, y 1,64 g cm-3 para Neptune, mientras que el de Saturno es de 0,69 g cm-3). Esto significa que en los casos de Urano (y Neptuno), los objetos pueden pasar cerca del planeta, donde experimentan fuerzas de marea extremadamente fuertes. (Saturno tiene una densidad más baja y una gran relación diámetro-masa, por lo que si los objetos pasan muy cerca, chocarán con el planeta mismo). Como resultado, si los objetos del cinturón de Kuiper tienen estructuras en capas como un núcleo rocoso con un manto helado y pasan cerca de Urano o Neptuno, además del manto helado, incluso el núcleo rocoso será destruido y capturado, formando anillos que incluyen composición rocosa. Sin embargo, si pasan por Saturno, solo el manto helado será destruido, formando anillos helados. Esto explica las diferentes composiciones de anillos.
Estos hallazgos ilustran que los anillos de los planetas gigantes son subproductos naturales del proceso de formación de los planetas en nuestro sistema solar. Esto implica que los planetas gigantes descubiertos alrededor de otras estrellas probablemente tengan anillos formados por un proceso similar. Recientemente se ha informado del descubrimiento de un sistema de anillos alrededor de un exoplaneta, y nuevos descubrimientos de anillos y satélites alrededor de exoplanetas avanzarán en nuestra comprensión de su origen.
