Ondulações nos anéis de Saturno revelam o núcleo gigante e lamacento do planeta

O núcleo de Saturno é uma mistura inesperada de gelo, rocha e gás, surpreendendo os cientistas que estão a tentar descobrir como é que o planeta se formou e evoluiu para o mundo enigmático que vemos atualmente.

Publicado 1/09/2021, 11:16
Saturno

Através da observação das ondulações nos anéis de Saturno, os cientistas conseguiram medir o tamanho e a forma do núcleo do planeta – que é muito maior e mais bizarro do que se poderia imaginar.

Fotografia de NASA, JPL

Escondido no interior do deus da abundância do sistema solar está uma revelação inesperada: o núcleo gigantesco de Saturno, medindo até 60% do diâmetro do planeta. O núcleo recém-medido, que foi revelado através de ondulações subtis nos anéis de Saturno, parece consistir em gelo, rocha e gás, misturados numa massa pastosa com extremidades difusas.

“É enorme”, diz Chris Mankovich, do Instituto de Tecnologia da Califórnia, um dos autores de um novo estudo que descreve o núcleo de Saturno na revista Nature Astronomy. “Não é definitivamente algo que esperávamos encontrar.”

As características do coração imenso de Saturno levam os cientistas a repensar como é que o planeta anelado se pode ter formado e como gera o seu campo magnético estranhamente uniforme. “É simplesmente mais complexo do que pensávamos”, diz Sabine Stanley, da Universidade Johns Hopkins, que não participou no novo estudo.

O núcleo de Saturno, que tem cerca de 17 vezes a massa da Terra, está preenchido com uma mistura de hidrogénio, hélio, gelo e rocha.

Ilustração de Robert Hurt, Cal Tech

Para examinar as entranhas de Saturno, os cientistas focaram as suas atenções nos anéis do planeta, que agem como um sismógrafo e registam o movimento e a pulsação interna do gigante gasoso. Ao descodificar as ondulações subtis nos anéis, a equipa descobriu que o núcleo do planeta contém cerca de 17 vezes a massa da Terra, e que não é um pedaço discreto e compacto de rocha e ferro como se esperava.

“É realmente difícil aprender qualquer coisa sobre as partes mais profundas de um planeta, sobretudo com planetas gigantes”, diz Sabine. “Qualquer informação que consigamos obter vem acrescentar conhecimento ao que sabíamos antes.”

Agora, os cientistas precisam de descobrir como é que os planetas gigantes como Saturno conseguem crescer com núcleos tão grandes e desordenados. E para complicar a questão, o recém-revelado interior de Saturno dificulta a explicação de como é que o planeta alimenta o seu enigmático campo magnético.

“O problema reside em explicar as observações do campo magnético de Saturno, que é um campo magnético bastante bizarro por vários motivos”, diz Chris. “Esta é uma imagem pouco habitual para a estrutura interna do planeta.”

Portal para o interior do planeta

Saturno pode ser mais conhecido pelos seus anéis cintilantes, que orbitam o planeta e parecem sólidos quando vistos de longe. Na realidade, estes anéis são feitos de inúmeros pedaços de gelo – alguns maiores do que casas, outros mais pequenos do que seixos – que podem ser empurrados, puxados e esculpidos por interações gravitacionais com o planeta e as suas luas. Algumas destas luas abrem fendas nos anéis, enquanto que outras alinham as suas extremidades.

Estes anéis também registam o funcionamento interno de Saturno. Normalmente, os cientistas usam as flutuações no campo gravitacional de um planeta para terem um vislumbre do que está sob a superfície – mas esta técnica não consegue penetrar no interior profundo de um gigante gasoso como Saturno. Os anéis, porém, oferecem uma janela para as profundezas do seu coração.

Na década de 1980, os cientistas planetários presumiam que os movimentos no interior de Saturno podiam criar ondas observáveis no anel C do planeta, que é um anel largo, mas escuro, aninhado perto do planeta. Enquanto o seu coração bate e as suas entranhas se revolvem, o planeta pulsa. Estas oscilações interagem com as partículas do anel e esculpem o que se conhece por ondas de densidade espiral, ou ondulações no interior do anel C.

“Estas teorias acabaram por estar 100% corretas”, diz Chris. Mas seriam necessárias mais de duas décadas e uma missão espacial de vários milhares de milhões de dólares para o confirmar.

Em 2013, os cientistas que estudavam os dados da sonda Cassini da NASA – que orbitou Saturno entre 2004 e 2017 – leram as assinaturas sísmicas nos anéis e usaram-nas para perscrutar o interior do planeta. Essa equipa cunhou o termo “cronosismologia” para descrever este novo campo de estudo e vinculou a maioria das ondulações observadas aos movimentos no interior do planeta. Em 2019, os cientistas usaram este método para determinar que Saturno faz uma rotação a cada 10 horas e 33 minutos.

“Este campo não é para impacientes”, diz Mark Marley, um dos primeiros pioneiros da cronosismologia e revisor do novo estudo. “Parece que todas estas ondulações estão realmente lá, existem cerca de duas dezenas ou mais e estão mais ou menos onde prevíamos.”

Mas também há pelo menos uma ondulação misteriosa que os cientistas não previam inicialmente – aquela que Chris Mankovich e Jim Fuller, também do Instituto de Tecnologia da Califórnia, usaram para observar diretamente o coração de Saturno.

“As ondulações mostram de forma muito convincente que só conseguimos explicar esta ondulação extra, juntamente com todas as outras, se Saturno tiver um núcleo difuso e gradual”, diz Mark. “A ondulação deste anel em particular é muito sensível às profundezas do planeta.”

O coração colossal de Saturno

Através desta ondulação, Chris e Jim descobriram que Saturno tem um núcleo que ocupa a maior parte do planeta. Ao contrário do que se esperava, o seu núcleo é uma mistura difusa e pastosa de hidrogénio, hélio, gelo e rocha, em vez de um composto sólido de ferro rochoso. Se abríssemos Saturno ao meio, não iriamos ver camadas discretas como acontece com uma cebola ou no planeta Terra. Em vez disso, o núcleo tem uma fronteira difusa e, quanto mais profundo mergulhamos, mais denso se torna este material.

Dadas as temperaturas e pressões extremas no núcleo de Saturno, os gases comportam-se mais como se fossem fluidos metálicos do que sopros de ar, e todo este conjunto é uma mistura de material exótico que é difícil de replicar nos laboratórios na Terra. Chris diz que, quando ele e Jim observaram que os seus resultados de Saturno eram estranhos, tentaram encontrar outra explicação para a assinatura sísmica nos anéis.

“Estávamos a tentar decifrar isto o melhor que conseguíamos”, diz Chris, mas a imagem do núcleo de Saturno presente no novo estudo “parece ser o que os dados precisavam”.

Apesar de inesperado, o modelo do núcleo de Saturno encaixa perfeitamente na riqueza de dados gravitacionais que os cientistas recolheram do planeta. E também ecoa as descobertas da sonda Juno da NASA, que sugerem que o núcleo de Júpiter pode ser uma mistura difusa de ingredientes.

Contudo, Júpiter não tem um sistema de anéis espessos para registar a sua agitação interna. “Precisávamos de explodir uma das pequenas luas de Júpiter”, brinca Mark, para criar um anel que registasse as pulsações do coração de Júpiter.

Muitos mistérios por desvendar

A história clássica de origem de um enorme mundo gasoso começa com pequenos pedaços de material que se aglomeram, crescendo cada vez mais até que a gravidade do protoplaneta atrai todo o gás nas suas proximidades. Mas não se sabe se este cenário consegue criar um núcleo como o que Chris e Jim observaram.

É possível que o coração de Saturno tenha evoluído e mudado durante os seus 4.5 mil milhões de anos de existência, talvez dissolvendo-se lentamente em hidrogénio metálico líquido ou sendo modificado por outros processos desconhecidos. “Nós simplesmente ainda não sabemos”, diz Chris.

Também é inesperado que Chris e Jim tenham deduzido que o núcleo não é convectivo, o que significa que não move calor como se esperava – uma observação que pode explicar porque é que Saturno é surpreendentemente brilhante em infravermelhos. “Júpiter é tão brilhante quanto esperaríamos que fosse depois de 4.5 mil milhões de anos, mas Saturno é demasiado brilhante”, diz Mark. “Como este [núcleo] não é convectivo, retarda o arrefecimento e é mais brilhante do que devia.”

Mas um núcleo não-convectivo representa um desafio substancial para a compreensão do campo magnético do planeta. Normalmente, os campos magnéticos planetários são alimentados por um dínamo – uma camada rotativa de convecção de fluido condutor de eletricidade nas profundezas do núcleo de um planeta. Mas isso não é possível no interior de Saturno, onde 60% do planeta não tem convecção, de acordo com o novo estudo. Os cientistas interrogam-se agora se uma camada fina de hidrogénio metálico líquido pode estar a agitar-se no interior do núcleo, ou talvez apenas no seu exterior.

Mas mesmo estas teorias têm dificuldades em explicar o campo magnético estranhamente simétrico de Saturno, que é diferente dos campos inclinados e irregulares da Terra e de Júpiter. Uma possibilidade é a existência de uma camada de chuva de hélio que pode estar a suavizar as linhas do campo magnético antes de atingirem a superfície do planeta, mas os investigadores não têm uma boa explicação para a forma como o núcleo gigante poderia afetar este processo.

“É muito difícil fazer isto com os campos magnéticos, e não podemos realmente fazer isto com um dínamo, mas depois temos um planeta gigante a fazer estas coisas”, diz Sabine Stanley, que está a trabalhar com Chris e Jim para desvendar este puzzle magnético. “É por isso que a ciência é divertida.”

Responder a estas questões saturnianas exige um estudo aprofundado sobre as informações recolhidas pela sonda Cassini, incluindo a realização de simulações detalhadas dos interiores planetários com supercomputadores e experiências com os telescópios terrestres. No futuro, os cientistas também poderão usar estes métodos para examinar os anéis de outros planetas como Urano e Neptuno, desvendando quaisquer segredos que possam estar gravados nas suas partículas de gelo.

“Também há vários mistérios em torno desses anéis”, diz Mark, “pelo que estamos à procura para ver se aconteceu algo semelhante ali.”

Este artigo foi publicado originalmente em inglês no site nationalgeographic.com

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