Oltre alle loro lune, tutti e quattro i pianeti giganti hanno anelli, e ogni sistema di anelli consiste in miliardi di piccole particelle o “lunette” che orbitano vicino al loro pianeta. Ognuno di questi anelli mostra una struttura complicata che è legata alle interazioni tra le particelle dell’anello e le lune più grandi. Tuttavia, i quattro sistemi di anelli sono molto diversi tra loro per massa, struttura e composizione, come indicato nella Tabella 1.

Il grande sistema di anelli di Saturno è costituito da particelle ghiacciate distribuite in diversi vasti anelli piatti contenenti una grande quantità di struttura fine. I sistemi di anelli di Urano e Nettuno, invece, sono quasi l’opposto di quello di Saturno: sono costituiti da particelle scure confinate in pochi anelli stretti con ampi spazi vuoti in mezzo. L’anello di Giove e almeno uno di Saturno sono semplicemente bande di polvere transitorie, costantemente rinnovate da granelli di polvere erosi da piccole lune. In questa sezione, ci concentriamo sui due sistemi di anelli più massicci, quelli di Saturno e Urano.

Cosa causa gli anelli?

Un anello è un insieme di un gran numero di particelle, ognuna delle quali, come una piccola luna, obbedisce alle leggi di Keplero mentre segue la propria orbita attorno al pianeta. Così, le particelle interne ruotano più velocemente di quelle più lontane, e l’anello nel suo insieme non ruota come un corpo solido. Infatti, è meglio non pensare affatto a un anello che ruota, ma piuttosto considerare la rivoluzione (o movimento in orbita) delle sue singole lunette.

Se le particelle dell’anello fossero molto distanziate, si muoverebbero indipendentemente, come lunette separate. Tuttavia, negli anelli principali di Saturno e Urano le particelle sono abbastanza vicine da esercitare un’influenza gravitazionale reciproca, e occasionalmente anche da sfregarsi o rimbalzare l’una sull’altra in collisioni a bassa velocità. A causa di queste interazioni, vediamo fenomeni come le onde che si muovono attraverso gli anelli – proprio come le onde d’acqua si muovono sulla superficie dell’oceano.

Ci sono due idee di base su come si formano questi anelli. La prima è l’ipotesi della rottura, che suggerisce che gli anelli siano i resti di una luna distrutta. Una cometa o un asteroide di passaggio potrebbe essersi scontrato con la luna, rompendola in pezzi. Le forze di marea hanno poi allontanato i frammenti, che si sono dispersi in un disco. La seconda ipotesi, che prende la prospettiva inversa, suggerisce che gli anelli sono fatti di particelle che non sono state in grado di unirsi per formare una luna in primo luogo.

In entrambe le teorie, la gravità del pianeta gioca un ruolo importante. Vicino al pianeta (vedi Figura 1), le forze di marea possono lacerare i corpi o inibire le particelle sciolte dal riunirsi. Non sappiamo quale spiegazione valga per un dato anello, anche se molti scienziati hanno concluso che almeno alcuni degli anelli sono relativamente giovani e devono quindi essere il risultato di una rottura.

Figura 1: Quattro sistemi di anelli. Questo diagramma mostra le posizioni dei sistemi di anelli dei quattro pianeti giganti. L’asse di sinistra rappresenta la superficie del pianeta. La linea verticale tratteggiata è il limite all’interno del quale le forze gravitazionali possono rompere le lune (il sistema di ogni pianeta è disegnato in una scala diversa, così che questo limite di stabilità si allinea per tutti e quattro). I punti neri sono le lune interne di ogni pianeta sulla stessa scala dei suoi anelli. Notate che solo le lune veramente piccole sopravvivono all’interno del limite di stabilità.

Anelli di Saturno

Gli anelli di Saturno sono uno degli spettacoli più belli del sistema solare (Figura 2). Dall’esterno all’interno, i tre anelli più luminosi sono etichettati con i nomi estremamente poco romantici di Anelli A, B e C. La tabella 2 dà le dimensioni degli anelli sia in chilometri che in unità del raggio di Saturno, RSaturn. L’anello B è il più luminoso e ha le particelle più compatte, mentre gli anelli A e C sono traslucidi.

La massa totale dell’anello B, che è probabilmente vicina alla massa dell’intero sistema di anelli, è circa uguale a quella di una luna ghiacciata di 250 chilometri di diametro (suggerendo che l’anello potrebbe aver avuto origine nella rottura di una tale luna). Tra gli anelli A e B c’è un ampio spazio chiamato Divisione Cassini dal nome di Gian Domenico Cassini, che per primo lo intravide attraverso un telescopio nel 1675 e il cui nome gli scienziati planetari hanno dato anche alla navicella Cassini che esplora il sistema di Saturno.

Figura 2: Gli anelli di Saturno visti da sopra e da sotto. (a) La vista dall’alto è illuminata dalla luce solare diretta. (b) L’illuminazione vista dal basso è la luce del sole che si è diffusa attraverso gli spazi vuoti negli anelli. (credito a, b: modifica del lavoro della NASA/JPL-Caltech/Space Science Institute)

Gli anelli di Saturno sono molto larghi e molto sottili. La larghezza degli anelli principali è di 70.000 chilometri, ma il loro spessore medio è di soli 20 metri. Se facessimo un modello in scala degli anelli di carta, dovremmo fare un chilometro di diametro. Su questa scala, Saturno stesso sarebbe alto come un edificio di 80 piani. Le particelle dell’anello sono composte principalmente da ghiaccio d’acqua, e vanno da granelli della dimensione della sabbia fino a massi delle dimensioni di una casa. Una vista dall’interno degli anelli assomiglierebbe probabilmente a una nuvola luminosa di fiocchi di neve galleggianti e chicchi di grandine, con alcune palle di neve e oggetti più grandi, molti dei quali sono aggregati sciolti di particelle più piccole (Figura 3).

Figura 3: Impressione idealizzata dell’artista degli anelli di Saturno visti dall’interno. Si noti che gli anelli sono per lo più costituiti da pezzi di ghiaccio d’acqua di diverse dimensioni. Alla fine della sua missione, la sonda Cassini ha in programma di tagliare uno degli spazi vuoti degli anelli di Saturno, ma non si avvicinerà così tanto. (credit: modification of work by NASA/JPL/University of Colorado)

Oltre agli ampi anelli A, B e C, Saturno ha una manciata di anelli molto stretti non più larghi di 100 chilometri. Il più consistente di questi, che si trova appena fuori dall’anello A, è chiamato anello F; il suo aspetto sorprendente è discusso più avanti. In generale, gli anelli stretti di Saturno assomigliano agli anelli di Urano e Nettuno.

C’è anche un anello molto debole e tenue, chiamato anello E, associato alla piccola luna ghiacciata di Saturno, Encelado. Le particelle dell’anello E sono molto piccole e composte da ghiaccio d’acqua. Dal momento che una nuvola così tenue di cristalli di ghiaccio tenderà a dissiparsi, l’esistenza continua dell’anello E suggerisce fortemente che viene continuamente rifornito da una fonte a Encelado. Questa luna ghiacciata è molto piccola – solo 500 chilometri di diametro – ma le immagini del Voyager hanno mostrato che i crateri su circa la metà della sua superficie sono stati cancellati, indicando un’attività geologica negli ultimi milioni di anni. È stato con grande attesa che gli scienziati della Cassini hanno manovrato l’orbita della navicella per consentire più flyby ravvicinati di Encelado a partire dal 2005. Le immagini ad alta risoluzione hanno mostrato lunghe strisce scure di terreno liscio vicino al suo polo sud, che sono state presto soprannominate “strisce di tigre” (Figura 4). Le misurazioni a infrarossi hanno rivelato che queste strisce di tigre sono più calde dei loro dintorni. Soprattutto, si è visto che decine di bocche criovulcaniche sulle strisce tigre eruttavano geyser di acqua salata e ghiaccio (Figura 5). Le stime suggerivano che 200 chilogrammi di materiale venivano sparati nello spazio ogni secondo – non molto, ma abbastanza per la sonda da campionare.

Figura 4: Encelado. (a) Questa immagine mostra sia il terreno liscio che quello craterizzato sulla luna di Saturno, e anche “strisce di tigre” nella regione polare sud (parte inferiore dell’immagine). Queste strisce scure (mostrate qui in colore esagerato) hanno temperature elevate e sono la fonte dei molti geyser scoperti su Encelado. Sono lunghe circa 130 chilometri e distanziate di 40 chilometri. (b) Qui Encelado è mostrato in scala con la Gran Bretagna e la costa dell’Europa occidentale, per sottolineare che è una piccola luna, solo circa 500 chilometri di diametro. (credito a, b: modifica del lavoro della NASA/JPL/Space Science Institute)

Quando Cassini è stata indirizzata a volare nei pennacchi, ha misurato la loro composizione e ha trovato che erano simili al materiale che vediamo liberato dalle comete (vedi Comete e asteroidi: detriti del sistema solare). I pennacchi di vapore e ghiaccio consistevano principalmente di acqua, ma con tracce di azoto, ammoniaca, metano e altri idrocarburi. I minerali trovati nei geyser in tracce includevano sale ordinario, il che significa che i pennacchi dei geyser erano spruzzi ad alta pressione di acqua salata.

Sulla base dello studio continuo delle proprietà di Encelado e dei geyser in corso, nel 2015 gli scienziati della missione Cassini hanno identificato provvisoriamente un oceano sotterraneo di acqua che alimenta i geyser. Queste scoperte hanno suggerito che, nonostante le sue piccole dimensioni, Encelado dovrebbe essere aggiunto alla lista dei mondi che vorremmo esplorare per una possibile vita. Poiché il suo oceano sotterraneo sfugge comodamente nello spazio, potrebbe essere molto più facile da campionare rispetto all’oceano di Europa, che è profondamente sepolto sotto la sua spessa crosta di ghiaccio.

Figura 5: Geyser su Encelado. Questa immagine di Cassini mostra un certo numero di geyser d’acqua sulla piccola luna di Saturno Encelado, apparentemente acqua salata da una fonte sotterranea che fuoriesce attraverso crepe nella superficie. Si possono vedere linee curve di geyser lungo le quattro “strisce di tigre” sulla superficie. (credito: modifica del lavoro della NASA/JPL/Space Science Institute)

Anelli di Urano e Nettuno

Figura 6: Anelli di Urano. Il team della Voyager ha dovuto esporre questa immagine per molto tempo per intravedere gli stretti anelli scuri di Urano. Si può vedere la struttura granulosa del “rumore” nell’elettronica della fotocamera sullo sfondo dell’immagine. (credit: modification of work by NASA/JPL)

Gli anelli di Urano sono stretti e neri, rendendoli quasi invisibili dalla Terra. I nove anelli principali sono stati scoperti nel 1977 dalle osservazioni di una stella mentre Urano le passava davanti. Si chiama occultazione il passaggio di un oggetto astronomico davanti a un altro. Durante l’occultazione del 1977, gli astronomi si aspettavano che la luce della stella sparisse mentre il pianeta le passava davanti. Ma in aggiunta, la stella si oscurò brevemente diverse volte prima che Urano la raggiungesse, mentre ogni stretto anello passava tra la stella e il telescopio. Così, gli anelli sono stati mappati in dettaglio anche se non potevano essere visti o fotografati direttamente, come contare il numero di auto in un treno di notte guardando il lampeggiare di una luce mentre le auto passano successivamente davanti ad essa. Quando Voyager si avvicinò a Urano nel 1986, fu in grado di studiare gli anelli da vicino; la sonda fotografò anche due nuovi anelli (Figura 6).

Il più esterno e massiccio degli anelli di Urano è chiamato anello Epsilon. È largo solo circa 100 chilometri e probabilmente non più di 100 metri di spessore (simile all’anello F di Saturno). L’anello Epsilon circonda Urano ad una distanza di 51.000 chilometri, circa il doppio del raggio di Urano. Questo anello contiene probabilmente tanta massa quanto tutti gli altri dieci anelli di Urano messi insieme; la maggior parte di essi sono stretti nastri larghi meno di 10 chilometri, proprio il contrario degli ampi anelli di Saturno.

Figura 7: Anelli di Nettuno. Questa lunga esposizione degli anelli di Nettuno è stata fotografata dalla Voyager 2. Notate le due regioni più dense dell’anello esterno. (credito: modifica del lavoro della NASA/JPL)

Le singole particelle negli anelli di Nettuno sono nere quasi quanto i pezzi di carbone. Mentre gli astronomi non capiscono la composizione di questo materiale in dettaglio, sembra consistere in gran parte di composti di carbonio e idrocarburi. Materiale organico di questo tipo è piuttosto comune nel sistema solare esterno.

Molti degli asteroidi e delle comete sono anche composti da materiali scuri, simili al catrame. Nel caso di Urano, le sue dieci piccole lune interne hanno una composizione simile, suggerendo che una o più lune potrebbero essersi spezzate per formare gli anelli.

Gli anelli di Nettuno sono generalmente simili a quelli di Urano ma ancora più tenui (Figura 7). Ce ne sono solo quattro, e le particelle non sono uniformemente distribuite lungo la loro lunghezza.

Perché questi anelli sono così difficili da studiare dalla Terra, ci vorrà probabilmente molto tempo prima di capirli molto bene.

Interazioni tra anelli e lune

Molto del nostro fascino per gli anelli planetari è il risultato delle loro intricate strutture, la maggior parte delle quali deve la sua esistenza all’effetto gravitazionale delle lune, senza le quali gli anelli sarebbero piatti e senza caratteristiche. In effetti, sta diventando chiaro che senza le lune probabilmente non ci sarebbero anelli perché, lasciati a se stessi, sottili dischi di piccole particelle si diffondono gradualmente e si disperdono.

La maggior parte delle lacune negli anelli di Saturno, e anche la posizione del bordo esterno dell’anello A, derivano da risonanze gravitazionali con piccole lune interne. Una risonanza ha luogo quando due oggetti hanno periodi orbitali che sono rapporti esatti tra loro, come 1:2 o 2:3. Per esempio, qualsiasi particella nello spazio al lato interno della Divisione Cassini degli anelli di Saturno avrebbe un periodo pari alla metà di quello della luna di Saturno Mimas. Una tale particella sarebbe più vicina a Mimas nella stessa parte della sua orbita ogni seconda rivoluzione. I ripetuti strattoni gravitazionali di Mimas, che agiscono sempre nella stessa direzione, la perturberebbero, costringendola ad una nuova orbita al di fuori dello spazio. In questo modo, la divisione Cassini si impoverì di materiale dell’anello per lunghi periodi di tempo.

La missione Cassini rivelò una grande quantità di struttura fine negli anelli di Saturno. A differenza dei precedenti flyby Voyager, Cassini è stata in grado di osservare gli anelli per più di un decennio, rivelando una notevole gamma di cambiamenti, su scale temporali da pochi minuti a diversi anni. Molte delle caratteristiche appena viste nei dati di Cassini indicano la presenza di condensazioni o piccole lune di poche decine di metri di diametro incorporate negli anelli. Quando ogni piccola luna si muove, produce onde nel materiale dell’anello circostante come la scia lasciata da una nave in movimento. Anche quando la luna è troppo piccola per essere risolta, le sue onde caratteristiche potrebbero essere fotografate da Cassini.

Uno degli anelli più interessanti di Saturno è lo stretto anello F, che contiene diversi anelli apparenti nella sua larghezza di 90 chilometri. In alcuni punti, l’anello F si spezza in due o tre filamenti paralleli che a volte mostrano curve o pieghe. Anche la maggior parte degli anelli di Urano e Nettuno sono nastri stretti come l’anello F di Saturno. Chiaramente, la gravità di alcuni oggetti deve impedire alle particelle in questi anelli sottili di diffondersi.

Come abbiamo visto, le caratteristiche più grandi negli anelli di Saturno sono prodotte da risonanze gravitazionali con le lune interne, mentre gran parte della struttura fine è causata da piccole lune incorporate. Nel caso dell’anello F di Saturno, immagini ravvicinate hanno rivelato che esso è delimitato dalle orbite di due lune, chiamate Pandora e Prometeo (Figura 8). Queste due piccole lune (ognuna di circa 100 chilometri di diametro) sono chiamate lune pastore, poiché la loro gravitazione serve a “pascere” le particelle dell’anello e a tenerle confinate in uno stretto nastro. Una situazione simile si applica all’anello Epsilon di Urano, che è guidato dalle lune Cordelia e Ophelia. Questi due pastori, ciascuno di circa 50 chilometri di diametro, orbitano a circa 2000 chilometri all’interno e all’esterno dell’anello.

Figura 8: L’anello F di Saturno e le sue lune pastore. (a) Questa immagine di Cassini mostra lo stretto e complesso anello F di Saturno, con le sue due piccole lune pastore Pandora (sinistra) e Prometeo (destra). (b) In questa vista ravvicinata, la luna pastore Pandora (84 chilometri di diametro) si vede accanto all’anello F, in cui la luna sta perturbando il filone principale (più luminoso) di particelle dell’anello al suo passaggio. Puoi vedere il lato scuro di Pandora in questa immagine perché è illuminato dalla luce riflessa da Saturno. (credito a, b: modifica del lavoro della NASA/JPL/Space Science Institute)

I calcoli teorici suggeriscono che anche gli altri anelli stretti nei sistemi uraniani e nettuniani dovrebbero essere controllati da lune pastore, ma nessuna è stata localizzata. Il diametro calcolato per tali pastori (circa 10 chilometri) era appena al limite di rilevabilità per le telecamere Voyager, quindi è impossibile dire se siano presenti o meno. (Dati tutti gli anelli stretti che vediamo, alcuni scienziati sperano ancora di trovare un altro meccanismo più soddisfacente per tenerli confinati.)

Uno dei problemi in sospeso nella comprensione degli anelli è determinare la loro età. I pianeti giganti hanno sempre avuto i sistemi di anelli che vediamo oggi, o questi potrebbero essere un’aggiunta recente o transitoria al sistema solare? Nel caso degli anelli principali di Saturno, la loro massa è circa la stessa di quella della luna interna Mimas. Quindi, potrebbero essersi formati dalla rottura di una luna delle dimensioni di Mimas, forse molto presto nella storia del sistema solare, quando c’erano molti proiettili interplanetari rimasti dalla formazione dei pianeti. È più difficile capire come un tale evento catastrofico possa essere avvenuto di recente, quando il sistema solare era diventato un luogo più stabile.

Glossario

resonanza: una condizione orbitale in cui un oggetto è soggetto a perturbazioni gravitazionali periodiche da parte di un altro, che si verifica più comunemente quando due oggetti che orbitano intorno a un terzo hanno periodi di rivoluzione che sono semplici multipli o frazioni l’uno dell’altro