Las ondas en los anillos de Saturno revelan un núcleo gigante y ‘difuso’ escondido debajo de la superficie

¿Qué hay en un gigante gaseoso?

No realmente. Los interiores de Júpiter y Saturno son bastante difíciles de sondear. Pero el excepcionalmente glorioso y extenso sistema de anillos de Saturno está demostrando ser una excelente herramienta para determinar las densidades en las profundidades de sus gruesas capas de nubes, hasta el núcleo.

Ese núcleo, según un nuevo análisis de ‘bamboleos’ en el anillo principal más interno de Saturno, probablemente no sea una bola densa de níquel y hierro, como muchos piensan, sino una región “difusa” de principalmente hidrógeno y helio, con una mezcla gradual de elementos más pesados, que se extiende hasta el 60 por ciento del radio del planeta y contiene alrededor de 17 masas terrestres de hielo y roca.

Este descubrimiento, publicado en Astronomía de la naturaleza, es parecido a hallazgos recientes sobre el interior de Júpiter basado en datos de Juno, y podría cambiar nuestras suposiciones sobre la estructura temprana y la historia de formación de Saturno.

“Los núcleos borrosos son como un lodo” dijo el científico planetario y autor principal del estudio, Christopher Mankovich de Caltech.

“El hidrógeno y el helio del planeta se mezclan gradualmente con más y más hielo y roca a medida que avanza hacia el centro del planeta. Es un poco como partes de los océanos de la Tierra donde la salinidad aumenta a medida que se llega a niveles cada vez más profundos, creando un establo configuración.”

Ilustración etiquetada del núcleo borroso de Saturno.Cómo podría verse el núcleo. (Caltech / R. Hurt, IPAC)

¿Cómo podemos aprender eso de los anillos de Saturno? Todo tiene que ver con la forma en que los retumbos en el vientre de Saturno influyen en el campo gravitacional externo del planeta.

“Usamos los anillos de Saturno como un sismógrafo gigante para medir las oscilaciones dentro del planeta”, dicho

coautor y astrofísico de Caltech Jim Fuller. “Esta es la primera vez que hemos podido sondear sísmicamente la estructura de un planeta gigante gaseoso, y los resultados fueron bastante sorprendentes”.

Las ondas acústicas y las oscilaciones dentro de los cuerpos cósmicos son una herramienta brillante para sondear su estructura interior.

Lo hacemos aquí en la Tierra, donde los terremotos envían ondas similares a través del planeta; la forma en que estas ondas rebotan allí puede revelar diferentes densidades, lo que nos permite identificar estructuras que nunca podríamos esperar ver.

En el Sol y otras estrellas, las ondas acústicas interiores se manifiestan como fluctuaciones de brillo.

Saturno no es un lugar para un sismómetro y no sufre fluctuaciones de brillo, pero Hace unos pocos años, los científicos notaron patrones característicos en el anillo C de Saturno, el más interno de sus anillos principales.

Estos, concluyeron, era poco probable que fueran producidos por las lunas de Saturno, ya que tales patrones se encuentran en los anillos exteriores; en cambio, parecen ser generados por oscilaciones profundas en el interior planetario, que influyen en el campo gravitacional.

kronoseismologíaCómo deberían afectar las oscilaciones internas a los anillos de Saturno. (Matthew Hedman / Universidad de Idaho)

Así surgió el campo de la kronoseismología: el estudio del interior de Saturno mediante el análisis de estas ondas en el anillo C.

Ahora, el equipo de Caltech ha realizado un nuevo análisis de una onda de anillo C interno previamente caracterizada, cuya frecuencia era mucho más baja de lo esperado del modelo interior establecido de Saturno. Descubrieron que este patrón de frecuencia impone una nueva y estricta restricción a la composición interior de Saturno.

“Nuestros modelos imponen restricciones estrictas sobre la masa y el tamaño del núcleo de elementos pesados ​​de Saturno, aunque la naturaleza diluida de este núcleo requiere una descripción más matizada que en los modelos tradicionales en capas”. ellos escriben en su papel.

Basándose en estas limitaciones, infirieron que la masa del núcleo es alrededor de 55 veces la masa de la Tierra, que contiene 17 masas terrestres de roca y hielo.

El resto sería predominantemente hidrógeno y helio; todo es difuso y gradualmente mezclado, en lugar de una estratificación estrictamente delineada, con una concentración más densa de elementos más pesados ​​en el mismo centro.

Esto plantea un desafío para los modelos de formación planetaria. Se cree que los planetas se forman a partir de un modelo de acreción de guijarros de abajo hacia arriba, en el que pequeños trozos de roca se unen electrostáticamente hasta que la ‘semilla’ planetaria es lo suficientemente grande como para atraer gravitacionalmente más y más material, y eventualmente forma un planeta.

Para los gigantes gaseosos, como Júpiter y Saturno, se pensaba que el material más pesado se hundía hacia el centro, formando un núcleo sólido y dejando que el gas de menor densidad se elevara a las regiones exteriores.

Los modelos recientes sugieren más distribución gradual de material; o es posible que mezcla convectiva da como resultado una distribución más gradual.

Aun así, el modelado de vías de formación para un núcleo difuso ha probado desafiante, y es probable que se requiera un juego científico más complejo para comprender completamente cómo puede suceder.

Sin embargo, eso puede ser poner el carro un poco antes que el caballo. El nuevo estudio se basa en una onda de anillo C. Un poco más de kronoseismología ayudaría a validar la interpretación de un núcleo borroso de Saturno.

La investigación ha sido publicada en Astronomía de la naturaleza.

Una versión anterior de este artículo se publicó en mayo de 2021.

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