Vent’anni di Saturno

Saturno e’ noto come il “pianeta degli anelli” e da qualcuno definito anche come il “Signore degli Anelli”, titolo liberamente mutuato da una fortunata serie di libri e film di genere fantasy.
Il pianeta e’, in effetti, circondato all’altezza dell’equatore, da una serie di anelli concentrici che iniziano ad una distanza di 6.600 km dalla sommita’ delle nubi dell’atmosfera di Saturno e si estendono fino ad una distanza di 120.000 km. Galileo Galilei fu il primo ad osservare Saturno attraverso un telescopio ma la scarsa qualita’ delle lenti del suo strumento non gli permise di identificarli per quello che erano. Dopo qualche anno, con la costruzione di telescopi migliori, gli anelli risultarono chiaramente visibili ma la loro vera natura venne compresa solo molto piu’ tardi: un insieme di piccole particelle, principalmente ghiaccio, che orbitano in maniera solidale ma indipendente intorno a Saturno; l’effetto complessivo e’ quello di anelli concentrici.

cambiamento dell’aspetto degli anelli di Saturno nel tempo, dal 2001 al 2012. Nel periodo dell’opposizione (punto piu’ vicino alla Terra) tra il 2008 e il 2009 gli anelli si mostrarono di taglio e scomparvero in quanto il loro spessore e’ solo di pochi metri. Queste sei immagini sono state estratte da SOLAR SYSTEM SIMULATOR di David Seal (NASA-JPL)

Le foto.

Nel corso della sua orbita intorno al Sole, della durata di quasi trenta anni terrestri, l’inclinazione di Saturno come e’ visto dalla Terra cambia e, di conseguenza, cambia anche l’angolazione con cui vediamo gli anelli: ogni 14,8 anni, per esempio, questi si presentano di taglio e diventano pressoche’ invisibili all’osservatore terrestre; viceversa nei periodi intermedi si mostrano in tutto il loro affascinante splendore, come possono indegnamente dimostrare alcune delle foto dell’autore presentate nel seguito.

22/10/2001 22:19 UT
Telescopio Schmidt-Cassegrain diametro 200mm, lunghezza focale 2000mm (f/10)

Questa e’ probabilmente la foto digitale astronomica piu’ vecchia in mio possesso. Ripresi Saturno il 22 ottobre del 2001, a quell’epoca gli anelli mostravano la faccia sud in direzione della Terra; durante la sua quasi trentennale rivoluzione intorno al Sole, Saturno si mostra con angolazioni diverse: nel 2001 era quasi massima l’inclinazione sud verso il nostro pianeta, con la parte meridionale degli anelli e l’emisfero sud di Saturno rivolti verso la Terra.

07/02/2011 00:27 UT
Telescopio Schmidt-Cassegrain diametro 200mm, lunghezza focale 2000mm (f/10) – Montatura EQ6 Pro

A distanza di dieci anni ritroviamo Saturno con un aspetto molto diverso da quello del 2001: nell’opposizione tra il 2008 e il 2009 il pianeta si era mostrato con gli anelli visti di taglio, percio’ erano completamente invisibili in quanto hanno uno spessore medio di poche centinaia di metri o anche meno; questo fenomeno avviene ogni 14,8 anni terrestri.
In effetti in questa foto l’angolazione degli anelli e’ molto stretta e sta iniziando a mostrarsi l’emisfero nord.La mancanza di immagini di Saturno per un cosi’ lungo arco temporale non fu dovuta ad un mio calo d’interesse, semplicemente la maggior parte delle foto di quel periodo andarono perse in seguito a problemi informatici.

16/07/2017 21:07:39 UT
Telescopio Schmidt-Cassegrain diametro 200mm, lunghezza focale 2000mm (f/10) – Montatura EQ6 Pro
Camera CCD ZWO ASI 120MC – Elaborazione Registax 6.

Con l’utilizzo delle camere CCD planetarie la qualita’ delle immagini aumenta notevolmente ed anche i colori possono essere meglio enfatizzati. Saturno e’ un pianeta il cui disco normalmente non presenta molti dettagli immediatamente visibili, come avviene invece per Giove.
La maggior attrazione del pianeta sono sicuramente gli anelli, luminosi ed affascinanti: sembra quasi di guardare una pallina dell’albero di natale appesa con un filo invisibile, persa nell’oscurita’ dello spazio. Si fa fatica a credere che sia davvero reale.
Eppure e’ li’: reale, tangibile, colossale e meraviglioso.

In questa foto del 2017 l’inclinazione dell’emisfero nord del pianeta e degli anelli pare aver raggiunto il suo valore massimo. La parte degli anelli opposta alla Terra e’ ben visibile, insieme all’ombra che il pianeta proietta sugli anelii stessi.

28/06/2020 22:51:40 UT
Telescopio Schmidt-Cassegrain diametro 200mm, lunghezza focale 2000mm (f/10) – Montatura EQ6 Pro
Camera CCD ZWO ASI 120MC e proiezione dell’oculare con ortoscopico da 9mm – Elaborazione Registax 6 e GIMP

Con le immagini del 2020 vediamo sul disco planetario la Banda Equatoriale Nord e l’intera regione equatoriale; la Banda Equatoriale Sud e’ appena visibile, prospetticamente vicina al bordo interno degli anelli e all’ombra che questi proiettano su Saturno.
Sulla parte opposta gli anelli sono ormai completamemente occultati dal disco planetario e l’ombra di qesto e’ chiaramente visibile sulla parte sinistra degli anelli.

Le Missioni Spaziali

La prima missione in assoluto diretta verso Saturno fu quella del Pioneer 11 nel 1979. La sonda passo’ a 21.000 km dallo strato superiore di nubi del pianeta e riprese le prime immagini ravvicinate in assoluto di questo mondo e del suo sistema di anelli.

Un anno dopo il passaggio del Pioneer 11, la Voyager 1 raggiunge il pianeta degli anelli per compiere il suo passaggio ravvicinato e cercare di carpire piu’ segreti possibili. Solo un anno piu’ tardi, nel 1981, anche la sonda gemella Voyager 2 arriva in prossimita’ di Saturno. Si tratta, in entrambi i casi, ancora una volta di una missione di avvicinamento, non sono previste soste in orbita intorno a Saturno; le sonde avevano gia’ visitato Giove precedentemente ma dopo Saturno i loro destini si separeranno per sempre: entrambe destinate a vagare nei profondi spazi interstellari per centinaia di migliaia e, forse, milioni di anni, la Voyager 2 avra’ pero’ prima due ulteriori appuntamenti; Urano e Nettuno.
La strumentazione di bordo e’ molto migliore e piu’ sofisticata rispetto a quella del Pioneer, quindi i dati trasmessi alla Terra sono molto piu’ completi ed approfonditi; anche le telecamere di bordo sono piu’ avanzate e le immagini che la sonda trasmette sono impressionanti.

I dettagli ripresi dalla Voyager 1 dell’atmosfera di Saturno mostrano un panorama mozzafiato, con colori difficilmente immaginabili. Nella parte piu’ alta dell’atmosfera si trovano nuvole di cristalli di ammoniaca, piu’ in basso di idrosolfuro di ammonio ed acqua; sono presenti anche il metano, propano, l’acetilene ed altri idrocarburi. Il pianeta e’, in realta’, composto per la maggior parte di idrogeno ed una parte molto piu’ piccola di elio; inoltrandosi verso l’interno di Saturno la sempre maggiore pressione atmosferica trasforma l’idrogeno da gassoso ad uno stato liquido, fino ad arrivare nelle zone centrali dove diventa metallico. Il nucleo del pianeta dovrebbe essere roccioso e del diametro di circa 25.000 km.

Saturno, come Giove, emette piu’ energia di quella che riceve dal Sole in particolar modo nelle lunghezze d’onda dell’infrarosso. Mentre per Giove la causa e’ pienamente attribuibile al meccanismo di contrazione gravitazionale che compensa la pressione idrostatica (noto come Meccanismo di Kelvin-Helmholtz), per Saturno non pare sufficiente per spiegare tutta l’energia riemessa. E’ stata avanzata l’ipotesi che un importante contributo al bilancio energetico toatle del pianeta sia portato dal calore generato da gocce di elio che, dall’atmosfera sovrastante, piovono sugli strati di idrogeno piu’ interni e densi; condensandosi per l’elevata pressione le gocce di elio produrrebero calore che sfuggirebbe poi verso l’esterno.

Le sonde Voyager ci hanno anche rivelato per la prima volta la bellezza straodinaria degli anelli di Saturno visti in falsi colori:

Dione, una delle lune di Saturno con una grande quantita’ di crateri da impatto. Distante da Saturno circa 377.000 km ha un diametro di circa 1.100 km.

Mimas con un diametro di 415 km orbita intorno a Saturno ad una distanza media di 185.000 km in 22 ore e 37 minuti. Il colossale cratere da impatto visibile nella foto e’ stato battezzato Herschel, dal nome dello scopritore di Mimas. Il cratere ha un diametro di 140 km, cioe’ un terzo del diametro totale della luna, i suoi bordi sono alti quasi 5 km e, in alcune zone al suo interno, si trovano depressioni che possono raggiungere i 10 km di profondita’ rispetto alla superficie circostante.
Il Voyager 1 fotografo’ questa luna nel 1980, solo tre anni dopo l’uscita del film Star Wars nei cinema; la somiglianza dell’aspetto di questo satellite con la celebre Morte Nera del film scateno’ la fantasia del pubblico.

Dopo le prime pionieristiche missioni degli anni settanta ed ottanta del ventesimo secolo con la sonda Pioneer 11 prima e le due gemelle Voyager 1 e Voyager 2 in seguito, abbiamo dovuto aspettare fino ai primi anni del duemila per avere una nuova missione su Saturno. La sonda Cassini dopo un viaggio di tre miliardi e mezzo di km e della durata di sette anni arriva, il 1 luglio 2004, in orbita intorno al pianeta degli anelli. Questa volta non si tratta di un semplice “incontro ravvicinato” ma di una vera e propria missione di esplorazione approfondita e di lunga durata, con lo scopo di apprendere quanto piu’ possibile sia sul pianeta sia sulle sue lune, specialmente la piu’ grande Titano che da lungo tempo attirava le attenzioni di astronomi, fisici e biologi.

La missione, che inizialmente era stata programmata per una permanenza nel sistema saturniano di quattro anni, venne estesa per altri sette e, in seguito, proseguita fino al 2017 vista le ottime condizioni della sonda spaziale, la quantita’ di scoperte effettuate e l’enorme mole di dati raccolti.
Il 26 aprile 2017 la Cassini fu immessa in una serie di orbite che l’avrebbe portata ad avvicinarsi progressivamente a Saturno, fino a bruciare nella sua atmosfera: questo sia per analizzare in loco le caratteristiche dell’atmosfera saturniana sia per evitare che eventuali batteri terrestri presenti sulla sonda potessero “infettare” in qualche modo una delle lune. Quest’ultima fase della missione, chiamata Gran Finale si concluse il 15 settembre 2017 dopo ventidue “tuffi” tra gli anelli di Saturno e il pianeta.

Le scoperte fatte da Cassini su Saturno sono state moltissime ed estremamente importanti. Prima di tutto riguardanti il pianeta con l’osservazione di unioni di tempeste, aurore sul lato notturno e misurazioni del campo magnetico; piu’ di tutte, pero’, l’osservazione della colossale tempesta esagonale che copre la calotta polare settentrionale.

Vista in immagini elaborate a falsi colori al computer, la tempesta appare veramente affascinante e, al suo centro, si distingue chiaramente una zona che ricorda una formazione ciclonica di un inteso colore rosso, come una specie di rosa al centro dell’esagono; l’effetto complessivo e’ un qualcosa di caleidoscopico e psichedelico.

Il motivo per cui la tempesta e’ di forma esagonale non e’ ancora ben chiaro, probabilmente e’ legato in qualche modo alle emissioni radio di Saturno e con l’attivita’ connessa alle aurore polari; di certo e’ che si tratta di una struttura unica in tutto il Sistema Solare.

L’amosfera di Saturno riserba, pero’, altre sorprese con spettacolari panorami intensamente colorati, come dimostra la foto seguente dell’atmosfera del pianeta elaborata in falsi colori da un astronomo dilettante.

Gli spettacolari anelli sono stati ripetutamente fotografati e studiati dalla Cassini, con immagini che hanno rivelato strutture complesse e meravigliose. Suddivisi in sette fasce principali, ognuna separata da spazi quasi vuoti, gli anelli sono composti in massima parte da particelle di ghiaccio, con frammenti piu’ grandi che possono arrivare ad una dimensione di una decina di metri; lo spessore totale degli anelli non dovrebbe essere superiore ad un chilometro.
Le divisioni tra le fasce sono probabilmente dovute ad effetti di risonanza gravitazionale con alcune piccole lune che orbitano intorno al pianeta, qualcuna ben dentro il sistema degli anelli: queste lune, chiamate satelliti pastori, hanno contribuito a modellare la struttura attuale degli anelli.

Le fasce, definite anche impropriamente “Anelli”, sono identificate con le lettere dell’alfabeto ed in ordine di scoperta, per cui si parte da Anello A fino ad Anello D sempre piu’ vicino al pianeta, poi l’Anello E molto esterno e debole, per poi trovare il sottile Anello F con i suoi satelliti pastore Prometheus e Pandora poco piu’ esterno dell’Anello A, per finire con l’Anello G ancora piu’ esterno rispetto ad F ma molto piu’ vicino a Saturno dell’ampio E.

Nel 2009 e’ stato scoperto un nuovo anello, denominato Anello di Phoebe in quanto si trova proprio sull’orbita di questo satellite. Si tratta di un anello debole e molto lontano da Saturno, in quanto inizia a circa sei milioni di km dal pianeta e si estende fino ad una distanza di quasi dodici milioni di km; si tratta in assoluto dell’anello piu’ grande e pare composto da particelle sottili di polvere e ghiaccio ed e’ visibile solo nell’infrarosso. La sua scoperta potrebbe spiegare la strana colorazione osservata su un altro satellite di Saturno: Iapetus; il satellite incrocia infatti l’anello durante la sua orbita e le particelle vanno a collidere e depositarsi su di esso.

Saturno e’, in assoluto, il pianeta con piu’ satelli conosciuti: ben 82 dagli ultimi dati di ottobre 2019; sorpassa quindi Giove che ne ha “soltanto” 79. La maggior parte di queste lune sono piccoli pezzi di roccia catturati dall’attrazione gravitazionale del pianeta, in origine potrebbero essere stati asteroidi vagabondi nel Sistema Solare; alcuni di essi, invece, sono dei mondi veri e propri che Cassini ci ha letteralmente svelato, con scoperte stupefacenti che pongono ulteriori interrogativi ancora piu’ intriganti.

La luna Phoebe, fotografata dalla sonda Cassini poco prima di arrivare in orbita intorno a Saturno. Da questo satellite, dalla forma molto irregolare, pare sia generato il materiale che ha creato l’omonimo anello.

Gia’ dalle missioni Voyager si era intuito che il piccolo satellite Enceladus potesse nascondere qualche sopresa, tuttavia nessuno poteva davvero immaginare che un corpo del diametro di poco meno di 500 km orbitante a 238.000 km da Saturno e con una temperatura media superficiale di -200 gradi centigradi risultasse un candidato credibile per ospitare forme di vita.

La Cassini porto’ le prime prove tangibili dell’attivita’ interna che si svolge su questa piccola luna, fotografando enormi pennacchi di materiale espulso da geyser posizionati al polo sud. Il materiale espulso e’ formato principalmente da vapore acqueo che va a rifornire l’Anello E che giace lungo l’orbita di Enceladus; la presenza di vapore acqueo fa presupporre una fonte di energia interna al satellite, in grado di mantenere una grande sacca di acqua allo stato liquido al di sotto della crosta ghiacciata. La fonte di energia potrebbe essere una combinazione di forze mareali dovute all’attrazione gravitazionale di Saturno ed alla risonanza orbitale con un’altra luna, Dione, piu’ l’azione di elementi radioattivi interni al satellite.
Inoltre la Cassini e’ anche riuscita ad attraversare uno di questi getti di vapore acqueo mentre veniva espulso da Enceladus e ha rilevato tracce di sostanze organiche, per cui si pensa che nell’oceano nascosto al di sotto 40 km di crosta ghiacciata del polo sud del satellite e profondo 8 km, possano sussistere le condizioni adatte alla formazione della vita, anche se nelle sue forme piu’ semplici.

Lo spettacolo del cielo visto da Enceladus sarebbe veramente straordinario: Saturno con dimensioni apparenti di 30 gradi dominerebbe la vista, sempre fisso nel cielo e mostrando fasi. Gli anelli si presenterebbero quasi di taglio, proiettando ombre sul disco del pianeta. Mimas transiterebbe sul disco di Saturno ogni 72 ore ed avrebbe quasi le stesse dimensioni della nostra Luna vista dalla Terra. Sotto questo cielo, in prossimita’ del polo sud, enormi geyser o criovulcani erutterebbero vapore acqueo e cristalli d’acqua ghiacciati nello spazio; le particelle piu’ salate ricadrebbero sulla superficie mentre le altre andrebbero ad alimentare l’Anello E intorno a Saturno.

Titano e’ la piu’ grande delle lune di Saturno, con un diametro di 5.150 km ed orbita ad una distanza media dal pianeta di 1.222.000 km. Era l’oggetto che suscitava maggiori curiosita’ tra gli scienziati, per via della sua densa atmosfera che non faceva scorgere i suoi dettagli superficiali e che pareva composta principalmente da idrocarburi: un panorama che sembrava ricordare quello della Terra primordiale, prima che gli organismi viventi cominciassero a produrre ossigeno ed a modificare l’aspetto del nostro pianeta.
La sonda spaziale Piooner 11 prima e la Voyager 1 poco dopo, agli inizi degli anni ottanta del secolo scorso, provarono a riprendere immagini di Titano ma quello ottennere su solo foto della sua densa e nebbiosa atmosfera.

La vera svolta avvenne con la missione Cassini, quando nel 2004 la sonda si avvicino’ a Titano e, grazie soprattutto alla sua strumentazione per mappature radar, ci invio’ le prime immagini della superficie, “bucando” lo strato di nuvole. Combinando i dati della mappatura radar con quelli desunti dalle analisi fisiche e chimiche compiute sul satellite dai numerosi strumenti scientifici a bordo della sonda, e’ stato possibile costruire uno scenario che poco a da invidiare alle piu’ sfrenate fantasie dei piu’ fervidi scrittori fantascienza

Laghi, vasti quanto mari, di metano allo stato liquido, con pioggie di metano ed altri idrocarbuti che li alimentano; il tutto sovrastato da una densa e pesante atmosfera di azoto e metano con venti che possono arrivare a soffiare a 120 km orari. La temperatura alla superficie e’ intorno ai -179 gradi centigradi tuttavia questo non impedisce agli scienziati di pensare che forse qualche esotica forma di vita, basata sul metano anziche’ sull’acqua come sulla Terra, possa esistere in tale ambiente. La pioggia porterebbe sulla superficie anche acetilene che potrebbe essere il cibo preferito da questi strani ed ipotetici organismi titaniani. Al di sotto di tutto questo, nascosto nelle profondita’ di Titano sotto una crosta di ghiaccio, un oceano di acqua ed ammoniaca.

La sonda Cassini aveva pero’ a bordo un “passeggero” piuttosto speciale: il modulo di discesa Huygens, destinato all’esplorazione diretta della superficie di Titano. Gli scienziati erano stati infatti lungimiranti e, grazie ad un accordo tra la NASA (Ente Spaziale Americano) e l’ESA (Agenzia Spaziale Europea) era stata costruita anche la piccola sonda Huygens, destinata ad esplorare quello che gia’ dagli anni ottanta del ventesimo secolo prometteva di essere un mondo pieno di meraviglie nascoste: Titano. Montata sulla Cassini, affrontarono insieme il lungo viaggio verso Saturno, fino al 23 dicembre 2004, quando le due piccole astronavi si separano per sempre. Dopo altri venti giorni di viaggio e quattro milioni di km percorsi, la Huygens entro’ in contatto con l’atmosfera di Titano e comincio’ ad inviare a Terra le prime immagini ravvicinate della superficie, grazie alle quali fu possibile vedere anche fiumi e relativi affluenti di idrocarburi che vanno poi a sfociare nei grandi laghi o mari di metano. Sfruttando l’atmosfera per frenare la sua velocita’, grazie ad uno scudo termico appositamente progettato, ed aprendo un paracadute il piccolo esploratore terrestre si appresto’ ad atterrare su questo strano e nuovo mondo, continuando a trasmettere immagini e dati scientifici.

La fase di discesa nell’atmosfera di Titano duro’ circa due ore e la Huygens, una volta atterrata, riusci’ a trasmettere per un’altra ora e mezza circa; almeno finche’ le batterie del piccolo modulo di discesa non si esaurirono.
Qui a fianco una delle immagini trasmesse direttamente dalla superficie: un panorama che, ad un primo e superficiale esame non appare dissimile da quello di Marte come mostrato dalle numerose sonde di esplorazione inviate sul pianeta rosso. Tuttavia, analizzando meglio, le differenze ci sono e sostanziali: innanzi tutto quando la sonda atterro’, alle 12:43 UTC del 14 gennaio 2005, sollevo’ una piccola nube di polvere che poi si scopri’ essere invece una sorta di aerosol organico; la superficie poi e’ una mistura di ghiaccio d’acqua sotto forma granulare, che ricorda la sabbia. La temperatura al suolo era di -179 gradi centigradi ed una pressione atmosferica pari ad una volta e mezza quella terrestre: nella sua composizione e’ stata trovata una percentuale di metano pari a circa il 5% e la zona di atterraggio era priva di nebbie, per via della bassa umidita’ relativa. I “sassi” che si vedono nella foto dovrebbero essere in realta’ composti da ghiaccio d’acqua ricoperti da uno strato di idrocarburi ghiacciati. In sostanza la Huygens atterro’ in una zona sostanzialmente “desertica” non distante, pero’ da alcune “oasi” alimentate da falde acquifere. L’aspetto sagomato dei “sassi” implica che sono stati sottoposti ad una azione da parte di fluidi, inoltre l’assenza di ciottoli piu’ piccoli di 5 cm testimonia che questi sono stati portati via da una corrente fino ai laghi, mentre quelli piu’ grandi non si sono mossi: probabilmente questa zona desertica era, precedentemente, un letto di un torrente ora prosciugato. Grazie ad altre informazioni tramesse dalla Huygens, si e’ potuto stabilire che l’atmosfera riesce a conservare una grande quantita’ di acqua proveniente dall’evoporazione da parte della luce del Sole, tuttavia questo processo e’ piuttosto lento, in quanto solo pochi centimetri di acqua ogni anno riescono ad evaporare dal freddo suolo di Titano, a causa della lontananza del Sole e delle nebbie che circondano Titano che affievoliscono notevolmente l’azione della luce solare. In pratica, Titano e’ soggetto ad improvvise e violente pioggie torrenziali intervallate da decenni di siccita’.
La luce su Titano, anche quando il Sole e’ alto nel cielo, non supera mai il perenne crepuscolo.

Massimo Dionisi,

Sassari, 25 settembre 2020