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“Grand Finale” da Cassini poderá resolver os mistérios persistentes de Saturno

Na silêncio do curto vídeo Cassini's Grand Finale, a nave espacial mergulha entre Saturno e o anel mais íntimo do planeta. Crédito: NASA, JPL-Caltech

Nos últimos instantes, as observações da nave espacial podem revelar as origens dos anéis do planeta — e mais.

De Nola Taylor Redd para a Scientific American

Depois de passar uma década explorando Saturno, a missão Cassini da NASA está no meio de um “Grand Finale”, uma série de órbitas próximas, entre o planeta e seus anéis, que culminarão, no dia 15 de setembro, com a destruição da nave espacial através de um mergulho na atmosfera superior do planeta.

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Essa conclusão ardente é para mais do que efeitos dramáticos, servindo como uma maneira de garantir que as astrobiologicamente interessantes luas saturnianas, como Titã e Encélado, permanecem limpas para qualquer micróbio que possa ter engajado na Cassini das salas limpas da NASA e chegado até o sistema solar externo. Como um bônus, as extremas aproximações que Cassini alcançará no planeta e nos seus anéis durante a fase “Grand Finale” também poderão permitir aos cientistas resolver alguns dos mistérios de longa data do planeta anelado. Quanto tempo dura o dia do planeta? Quão maciços são os anéis? Embora aparentemente simples, essas questões são realmente bastante complexas e têm implicações de longo alcance para a nossa compreensão de Saturno. Só agora, quando a aventura terminar, a Cassini estará em condições de responder a esses persistentes mistérios.

Quanto exatamente dura um dia em Saturno?

Você talvez pense que, depois de estudar o planeta há séculos através de telescópios e durante décadas com a naves espaciais, os cientistas sabem exatamente quanto tempo dura o dia de Saturno. Você está enganado. Fixar um dia em um planeta rochoso é tão simples como escolher uma característica conveniente de superfície — uma cratera, digamos — e medir o tempo que o Sol leva para se levantar e se por sobre ela. Essa abordagem não funciona para Saturno e outros planetas gigantes de gás, porque eles não têm superfícies acessíveis, e suas paisagens de nuvens estão continuamente sendo agitadas e empurradas pelos ventos.

Para medir dias para tais mundos, os cientistas devem olhar abaixo das nuvens, que estão sempre em mudança. Ao medir a rotação de campos magnéticos produzidos por hidrogênio metálico altamente comprimido no núcleo de um gigante gasoso, eles podem medir a rotação do núcleo, que é a aproximação mais refinada da duração do dia em que se pode esperar em um mundo sem chão. “Um campo magnético é gerado no interior de um planeta [gigante de gás]”, diz William Kurth, líder da equipe “Radio and Plasma Wave Science” da Cassini. “É muito inequívoco medir as periodicidades e as intensidades e determinar a taxa de rotação no interior do planeta”.

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Saber quanto tempo leva a rotação do planeta é fundamental para entender as tempestades que se enfurecem em sua atmosfera. Sem saber quão rápido as camadas internas sob ele rodam, é difícil, se não impossível, medir as velocidades e as origens dos ventos de Saturno. “A velocidade é relativa a algum quadro e, infelizmente, para Saturno, não temos um quadro bem definido”, diz Kurth.

Os campos magnéticos dos outros gigantes gasoso do sistema solar são significativamente inclinados em relação aos seus eixos de rotação, criando um contraste a rotação dos campos magnéticos mais fáceis de distinguir. Saturno é diferente. Seu campo e sua rotação se alinham quase perfeitamente, tornando a sua rotação muito mais difícil de ser decifrada. Apesar disso, medições cuidadosas da nave espacial Voyager da NASA durante os sobrevoos ao planeta delimitaram o tamanho do dia de Saturno em cerca de 10,7 horas — e antes de a Cassini ter sido lançada, muitos cientistas estavam confiantes de que o caso estava encerrado.

Isso mudou quando a Cassini chegou a Saturno. Ao orbitar o planeta, a nave espacial revelou que a rotação do campo magnético de Saturno varia, oscilando entre 10,6 e 10,8 horas. Além disso, a rotação do campo magnético é surpreendentemente não uniforme, exibindo taxas de rotação nos polos norte e sul de Saturno que parecem diferir umas das outras. “Em vez de esclarecer o que está acontecendo em Saturno, a Cassini abriu muitos quebra-cabeças”, diz Kurth.

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Enquanto a Cassini entra e sai do plano de Saturno durante o Grand Finale, Kurth e outros pesquisadores esperam encontrar “nódulos” no campo magnético, regiões de magnetismo mais forte ou mais fraco, semelhantes às que existem no campo magnético da Terra. Essas protuberâncias não podem ser vistas a distância; a nave espacial deve estar “extremamente próxima”, diz ele. Se a Cassini rastrear um desses “nós” à medida que acompanha a rotação do planeta, ela pode resolver a questão de quanto tempo dura um dia em Saturno. “Nesse sentido, o nódulo está agindo como aquela cratera que não podemos ver”, diz Kurth.

Anéis brilhantes, origens desfocadas

Dos vários conjuntos de anéis que cercam Saturno, os anéis A, B e C são os maiores. Os anéis A e C são ambos finos e nebulosos, enquanto o anel B entre eles é mais largo e mais espesso. O anel D menor fica mais próximo do planeta. Ninguém realmente sabe exatamente quantos anos têm os anéis, a quantidade de massa que eles contêm ou de onde eles vieram — e as respostas para todos os três estão relacionadas. “Se você conhece a resposta a uma dessas perguntas, na verdade, no final, você conhece a resposta para todas elas”, diz Mark Showalter, co-investigador do Espectrômetro Infravermelho da Cassini. “Eles estão tão intimamente ligados”.

Dos três mistérios, a massa é a mais fundamental, e a única que Cassini medirá diretamente. Pequenas ondulações agitadas pelas luas revelam as densidades dos anéis A e C quando a luz brilha através delas. Quando comparadas com os tamanhos dos anéis, essas ondas de densidade permitiram aos pesquisadores calcular suas massas. Mas o anel B é mais grosso e não permite que a luz atravesse, então sua massa continua sendo um mistério.

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A Cassini espera mudar isso durante os seus rasantes finais. À medida que navega perto do anel, transmitirá um sinal de rádio para a Terra. A atração gravitacional do anel B deve causar mudanças extremamente pequenas no comprimento de onda do sinal, permitindo aos cientistas medir diretamente a massa. Ao definir a massa do anel B, os cientistas podem então obter melhores estimativas da idade geral do sistema de anéis. “Há um debate em curso sobre se os anéis foram criados nos primeiros anos do sistema solar, a 4,5 bilhões de anos atrás, ou mais provavelmente a 100 milhões de anos atrás”, diz o cientista participante do programa Cassini, Matthew Tiscareno.

Estudos anteriores mostraram que os anéis de Saturno são principalmente compostos de gelo de água extremamente puro e altamente reflexivo. Como a neve recentemente caída, os anéis de gelo de água deveriam ser muito brilhantes se forem muito jovens, gradualmente escurecendo devido à poeira acumulada à medida que envelhecem. A taxa de escurecimento, no entanto, pode depender não apenas do influxo de poeira, mas também da massa total e da dinâmica interna dos anéis.

Mais cedo, em sua missão, a Cassini mediu a taxa de poeira e outros detritos caindo sobre os anéis, mas os resultados foram intrigantes. Extrapolações simples sugeriram que, se tiverem bilhões de anos, os anéis quase puros deveriam ter sido escurecidos pelas quantidades observadas de poeira, mas eles ainda brilham. Uma solução plausível é que a massa total do anel B é muito maior do que a prevista, permitindo que efetivamente absorva e esconda a poeira. O cientista interdisciplinar da Cassini, Jeff Cuzzi, compara isso com pingar tinta escura com um conta-gotas em meio litro de tinta branca versus em um tambor de óleo cheio de tinta; a tinta no recipiente pequeno ficaria cinza, mas no tambor as gotas escuras desapareceriam. De acordo com Cuzzi, a massa e a quantidade de material que flui foram debatidas durante anos. Agora, ele diz: “a Cassini está à beira de poder determinar esses dois números”. Em contraste com o cenário “massivo, de anéis relativamente velhos”, poderia ser que simplesmente os anéis de Saturno são jovens e não teriam tido o tempo suficiente para revestirem-se de pó.

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“Minha previsão é que vamos descobrir que [o anel B] não é massivo”, disse o pesquisador Paul Estrada. “Isso basicamente faria o argumento de que os anéis são muito jovens muito, muito forte.” Mesmo que os anéis se mostrem massivos, Estrada diz, que ainda pode indicar a pouca idade — o anel B poderia, simplesmente, ter tido menos tempo para se espalhar.

Embora não haja um consenso entre os especialistas atualmente sobre a massa e a idade dos anéis, eles concordam amplamente que os anéis devem ter sido formados pela destruição de um grande objeto lunar. Mas esse objeto veio de fora do sistema de Saturno ou de algum outro lugar no interior desse sistema?

Nas primeiras épocas, quando o sistema solar foi preenchido com os destroços rochosos e restos deixado para trás pela formação do planeta, Saturno poderia ter arrebatado e despedaçado um intruso da tamanho da Lua, resultando em anéis que têm vários bilhões de anos. Isso não é tão provável para um anel mais jovem, já que a maioria dos grandes objetos desapareceram há bilhões de anos, deixando para trás alguns poucos dos quais os anéis poderiam ter se formado.

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Ou, se os anéis são jovens, eles poderiam ter nascido de uma das próprias luas de Saturno. Em 2016, o cientista do Instituto SETI, Matija Cuk, propôs que a atração gravitacional do Sol poderia ter criado instabilidades nas órbitas do séquito lunar de Saturno, resultando na morte de uma lua há apenas alguns milhões de anos.

Embora a resiliente espaçonave Cassini esteja condenada, seu legado irá viver nos dados que ela enviará para casa em suas últimas horas. “Há muita controvérsia, e uma vez que Cassini meça a massa dos anéis, então os debates vão começar de novo”, diz Estrada.

Texto originalmente publicado na Sccientific American.

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Mestrando em Estudos Ambientais pela UCES, Buenos Aires. Graduado em Engenharia Civil e pós-graduado em Gestão Pública e Controladoria Governamental. Com interesse por ciência, tecnologia, filosofia, desenvolvimento sustentável e diversas outras áreas do conhecimento humano.

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