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livello elementare
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ARGOMENTO: ASTRONOMIA E ASTROFISICA
PERIODO: XXI SECOLO
AREA: SATURNO
parole chiave: circolazione, idrogenione, John Webb Space Telescope
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L’idrogenonio H3+ è uno degli ioni molecolari più abbondanti nell’Universo. Vi chiederete come mai ne parliamo? Perché secondo una recente scoperta può dare una spiegazione su uno dei fenomeni più misteriosi del Signore degli anelli, Saturno, la sua bizzarra ed irregolare rotazione.
Facciamo un passo indietro ovvero alla formazione del nostro sistema solare nucleare che diede origine alla nostra stella, il Sole, ed ai suoi pianeti.
Circa 4,6 miliardi di anni fa esisteva una gigantesca nube composta da gas e polveri interstellari, situata nella Via Lattea nel braccio di Orione che, sotto l’influenza della forza di gravità, collassò, concentrando la maggior parte della sua massa al centro dove la pressione e la temperatura aumentarono fino ad innescare la fusione del Sole. Nel tempo le polveri collassarono formando i proto-pianeti, i progenitori dei pianeti che conosciamo oggi, la cui dimensione dipese dalla loro distanza dal Sole e dalla composizione e densità della nube. Nelle regioni più interne si formarono gli oggetti di minori dimensioni, a causa della forza gravitazionale del Sole e delle temperature più alte che disgregarono e vaporizzarono parti della materia presente. Quando il Sole si accese cominciò ad emettere un forte vento che spazzò via il gas rimasto. Solo i proto-pianeti più lontani riuscirono a trattenerne una parte del gas – grazie alla loro maggiore forza di gravità – dando origine ai grandi pianeti gassosi ovvero Giove, Saturno, Urano e Nettuno, mentre quelli minori, con una gravità minore, diedero origine ai pianeti rocciosi tra cui la Terra. Tra i grandi pianeti gassosi Saturno ha sempre suscitato molto interesse e non solo per i suoi anelli. Dopo le immagini raccolte dalle sonde, i telescopi spaziali Hubble e Webb hanno permesso di esplorare le sue caratteristiche ma anche di porsi molte domande. In particolare, le ultime immagini all’infrarosso raccolte dal John Webb Space Telescope – JWST – ci hanno mostrato come gli anelli siano estremamente luminosi, essendo fatti di ghiaccio d’acqua altamente riflettente, e di catturare anche le sostanze chimiche a diverse profondità dell’atmosfera.
aurora di Saturno – Photo credit NASA
Uno dei grandi misteri di Saturno è legato alla sua velocità di rotazione. Nel marzo 2007 fu scoperto che la variazione delle emissioni radio del pianeta non corrispondeva alla velocità di rotazione di Saturno. Una stima del periodo di rotazione di Saturno, basato su una media di varie misure effettuate dalle sonde Cassini, Voyager e Pioneer, equivale a 10 ore, 32 minuti e 35 secondi (circa 35.000 chilometri orari). In pratica, a seconda dei metodi usati nel tempo per misurarla, furono riscontrate differenze significative. Le variazioni apparenti erano forse dovute ai venti nell’alta atmosfera del pianeta, che generavano correnti elettriche e producevano un segnale fuorviante. Un bel mistero ma, ancora una volta, ci è venuto in aiuto il John Webb Space telescope.
Facciamo un passo indietro
Nel 2021, uno studio guidato da Tom Stallard, professore di Astronomia Planetaria alla Northumbria University, dimostrò che cambiamenti apparenti della rotazione di Saturno erano “guidati” dai venti nell’alta atmosfera del pianeta. Gli scienziati si chiesero quindi se i venti atmosferici erano responsabili dell’effetto cosa stava causando quei venti? Gli studiosi si concentrarono principalmente sull’idrogenonio, H3+, uno degli ioni molecolari più abbondanti nell’Universo, particolarmente abbondante e stabile nel mezzo interstellare per la bassa densità di materia nel mezzo, come pure per la sua bassa temperatura. Ma non solo: le righe di emissione di questo ione furono identificate anche nell’atmosfera di Giove, Saturno ed Urano. Analizzando il bagliore infrarosso di questa molecola, che funge da termometro naturale, i ricercatori riuscirono quindi a produrre le prime mappe ad alta risoluzione della temperatura e della densità di quelle particelle nella regione aurorale di Saturno.
I parametri fisici dell’aurorale settentrionale di Saturno. Tutti i pannelli mostrano grafici polari dei parametri fisici nell’ionosfera aurorale settentrionale di Saturno. I pannelli (a) e (b) mostrano una regione tratteggiata dove i valori di errore sono rispettivamente >5 e >1/3. Il pannello (a) mostra la temperatura ionosferica, (b) mostra la densità di colonne e (c) mostra Emissione totale. La seconda riga mostra gli stessi valori della riga superiore, ma qui, per ogni latitudine, la mediana longitudinale a quella latitudine è stata rimossa, risultando in valori di differenza per ciascuna, (d) Differenza di temperatura, (e) Differenza di densità, (f) Differenza totale di emissione (tutti e tre rossi positivi, blu negativi). Nella riga inferiore, mostriamo gli errori calcolati nell’adattamento per temperatura (g) e densità (h) da h3ppy, così come un errore percentuale stimato, rispetto alla temperatura e densità più alte tracciate nei pannelli (a) e (b). Il pannello finale (i) mostra l’emissione modellata della banda calda fluorescente del metano, utilizzata per la pulizia del spettri, come nelle ultime due righe della Figura 2. I pannelli (b), (c), (e), (f) e (h) mostrano valori corretti in linea di vista – da studio JWST/NIRSpec rivela il motore atmosferico della variabile velocità di rotazione magnetosferica di Saturno di Tom S. Stallard et alii.
I risultati, pubblicati sul Journal of Geophysical Research Space Physics, dimostrano che l’intero sistema di Saturno è guidato da un circuito di retroazione autosufficiente alimentato dalle aurore boreali del pianeta. Grazie alla strumentazione del JWST è stato possibile effettuare delle misure della molecola ben dieci volte più precise delle precedenti, scoprendo che le aree più calde coincidono con i punti in cui l’energia delle aurore entra nell’atmosfera. Ed è proprio il calore che alimenta la circolazione dei venti che producono correnti elettriche che a loro volta sostengono l’aurora. Sebbene ulteriori modellazioni dell’atmosfera, dell’ionosfera e della magnetosfera saranno necessarie per comprendere questo sistema complesso, i dati all’infrarosso raccolti dal John Webb Space Telescope forniscono una nuova chiave di lettura che ci permetterà di comprendere completamente i processi fisici che producono la circolazione del Signore degli Anelli.
in anteprima due viste complementari di Saturno raccolte dal James Webb Space Telescope della NASA e dal Hubble Space Telescope che mostrano la dinamicità del pianeta con le sue caratteristiche atmosferiche, le lune orbitanti ed i suoi anelli luminosi. Immagine: NASA, ESA, CSA, STScI, Amy Simon (NASA-GSFC), Michael Wong (UC Berkeley); Elaborazione immagini: Joseph De Pasquale (STScI)
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