Sistema Saturno em 101 Questões: Os anéis

Sistema Saturno: dos Mitos à Missão Cassini-Huygens

Fonte original: este material foi traduzido e atualizado do Projeto NASA, escrito durante a ida da Cassini ao Sistema Saturno: Saturn Educator Guide. Embarque você também nessa incrível e surpreendente Missão Sistema Saturno!

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Desenhos iniciais de Saturno, originalmente de Systema Saturnium de Huygens, 1659. E sua tentativa de explicar as diferenças em sua aparência. Fonte original: https://dl.wdl.org/4302/service/4302.pdf

22. Como descobrimos pela primeira vez sobre os anéis de Saturno?

Em 1610, Galileu Galilei observou Saturno através de um pequeno telescópio que ampliava objetos cerca de 30 vezes. Ele viu “protuberâncias” estacionárias em ambos os lados do planeta que pareciam “alças” ou “orelhas”. Galileu especulou que as protuberâncias eram características do planeta ou talvez luas (ele as chamava de “estrelas menores”). Em 1616, ele conseguiu desenhar mais claramente as formas que via ao redor de Saturno, mas não sabia o que eram. Galileu morreu sem perceber que tinha sido o primeiro humano a observar os anéis de Saturno.

Em 1655, Christiaan Huygens, um astrônomo holandês, observou Saturno usando um telescópio melhor do que o de Galileu. Usando suas observações, e estudando as observações de outros, ele propôs que Saturno tem um anel plano em torno de seu equador. Ao contrário de Galileu, ele podia ver que o anel não tocava o planeta. No mesmo ano, Huygens descobriu a maior lua de Saturno (batizada de Titã 200 anos após sua descoberta).

Em 1676, Jean-Dominique Cassini, um astrônomo italiano-francês, usou um telescópio ainda mais poderoso para descobrir que o anel que Huygens viu tinha uma lacuna no meio. O anel interno mais tarde passaria a ser chamado de anel B, e o externo de anel A. A distância entre estes anéis mais brilhantes de Saturno foi nomeada Divisão Cassini.

Cassini descobriu quatro luas de Saturno, além da que Huygens encontrou: Jápeto (em 1671), Réia (em 1672), e Tétis e Dione (em 1684). As luas foram nomeadas mais tarde. Ninguém ainda sabia do que os anéis eram feitos, quão grossos eles eram, ou se eram características permanentes ao redor de Saturno.

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Concepções artísticas de William K. Hartmann e de Marty Peterson representando um local nos anéis de Saturno. A renderização mostra anéis vistos de cima ou de dentro do plano do anel. As maiores partículas de anel mostradas aqui são do tamanho de uma casa. Os corpos grandes são irregularmente moldados e estão aproximadamente em uma camada plana; partículas menores estão espalhadas entre elas. E uma concepção da visão dos aneis do topo da atmosfera de Saturno.

23. De que são feitos os anéis de Saturno? Eles são sólidos?

Os anéis de Saturno são feitos de milhões e milhões de partículas em órbita interagindo entre si e com as luas de Saturno. Essas partículas são compostas principalmente de gelo de água e algum material rochoso. Os tamanhos das partículas geladas variam de partículas de poeira a “ringbergs” do tamanho de casas.

Começamos a aprender sobre a natureza dos anéis quando, em 1856, James Clerk Maxwell, um cientista escocês que desenvolveu a teoria do eletromagnetismo (que previu a velocidade da luz), provou matematicamente que os anéis que circundam Saturno não poderiam ser um único disco sólido rígido e nem um fluido ou parcialmente gasoso. Ele propôs que os anéis são, em vez disso, feitos de muitas pequenas partículas. Maxwel ganhou o Prêmio Adam de 1856, conheça mais detalhes aqui.

Observações do astrônomo americano James Edward Keeler em 1895 provaram a verdade de sua previsão. Em 1895, seu estudo espectroscópico dos anéis de Saturno revelou que diferentes partes dos anéis refletem a luz com diferentes desvios de Doppler, devido às diferentes taxas de órbita em torno de Saturno. Essa foi a primeira confirmação observacional da teoria de James Clerk Maxwell de que os anéis são feitos de inúmeros pequenos objetos, cada um deles orbitando Saturno em sua própria velocidade. Essas observações foram feitas com um espectrógrafo acoplado ao telescópio refrator de 33 cm Fitz-Clark no Allegheny Observatory.

24. Quantos anéis existem?

O sistema de anéis de Saturno foi dividido em sete grupos de anéis principais. Os astrônomos nomearam esses agrupamentos de anéis principais os anéis A, B, C, D, E, F e G. Os anéis não estão localizados em ordem alfabética porque foram nomeados na ordem de sua descoberta. Do interior para o exterior, os anéis são chamados D, C, B, A, F, G e E.

Uma maneira possível de lembrar a ordem dos aneis (em inglês) é usando a frase mnemônica :

Daring Cassini Begins A Far Greater Exploration.

Invente uma frase mneumônica em português!

D………………. C……………….. B………………….. A………………….. F…………………. G…………………. E………………..

Os dois anéis mais brilhantes facilmente vistos através de telescópios da Terra são os anéis A e B, que são separados pela Divisão Cassini. O anel B está mais perto do planeta do que o anel A. O fraco anel C dentro do anel B mal é visível da Terra. O anel D é o mais próximo do planeta e só foi visto claramente pela Voyager quando a espaçonave estava olhando para trás quando saiu do sistema de Saturno.

Saturno também tem outros três anéis. Fora do anel A está o estreito anel F, descoberto pela nave Pioneer 11 quando voou por Saturno em 1979. Este anel misterioso às vezes contém aglomerados ou “tranças”. Os aglomerados se movem, e vêm e vão com o tempo. O próximo é o fraco anel G. Este anel não é muito brilhante e é difícil de ver, mesmo de Saturno. Na verdade, o anel G é tão fino que a Voyager 2 realmente voou pela borda do anel sem danificar a nave! Finalmente, há um anel largo e fraco chamado anel E. A lua chamada Encélado pode ter vulcões de gelo ou gêiseres que fornecem o anel E com pequenas partículas de gelo. A missão Cassini espera descobrir se isso é verdade! Dependendo de como você define um anel individual, os anéis de Saturno são milhares.

A Voyager observou que os anéis principais (A, B, C) são compostos de cachos tão numerosos que o sistema de anéis se parece muito com um registro de fonógrafo, com milhares de sulcos finos nele.

Saturno e seu sistema de anéis mostrado em escala.

25. Os anéis se movem?

Sim, mas não como um sólido se moveria. Os pedaços e pedregulhos dos anéis de Saturno orbitam como luas minúsculas. Eles se movem ao redor de Saturno na mesma direção que Saturno gira e na mesma direção que todas as luas conhecidas (exceto a lua mais externa, Febe, que orbita na direção oposta). As partículas de anel mais próximas de Saturno giram mais rápido, e aquelas mais distantes viajam em uma velocidade mais lenta (de acordo com as Leis de Kepler).

A velocidade orbital de uma partícula de anel depende apenas de sua distância do centro de Saturno; não depende da massa ou tamanho da partícula. Por exemplo, se uma partícula de anel do tamanho de uma casa e uma partícula de anel do tamanho de um grão de açúcar estão orbitando na borda interna do anel B, eles se movem na mesma velocidade ao redor de Saturno. No entanto, partículas de anel na borda externa da órbita do anel B a uma velocidade mais lenta. As partículas dos anéis mais próximos estão se movendo ao redor de Saturno mais rápido do que Saturno gira.

Partículas de anel também podem se mover aleatoriamente em outras direções, até perpendiculares aos anéis.

Esses movimentos são geralmente amortecidos rapidamente por colisões ou interação gravitacional entre as partículas. Se você esperar muito mais tempo (milhões de anos), alguns dos anéis podem se espalhar e eventualmente desaparecer.

26. Na sequência de abertura do programa de TV Star Trek: Voyager, uma nave passa pelos anéis de Saturno. Os anéis contêm mais espaço vazio ou mais partículas sólidas?

A maior parte do volume dos anéis é espaço vazio.

Cada um dos anéis principais (A, B e C) contém densidades diferentes de partículas.

O anel B é o mais denso, seguido pelo anel A, e depois o anel C. Os anéis A e B são separados por uma lacuna de 4.600 km de largura, chamada Divisão Cassini, mas imagens de close-up da Voyager mostraram que a Divisão Cassini contém muito mais partículas de anel do que o esperado. Há uma região na Divisão Cassini perto da borda externa do anel B que é relativamente livre de partículas de anel. Perto da borda externa do anel A há duas lacunas quase vazias de material: a Lacuna Encke de 330 km, e a Abertura Keeler de 35 km. Os melhores lugares para voar através dos anéis podem estar em lacunas como essas.

Os anéis têm mais espaço vazio do que partículas de anel, mesmo no anel B mais brilhante, que contém a maior parte da massa dos anéis de Saturno (2,8 ×  10¹⁹  kg). Mas isso não significa que você poderia voar de cima para baixo sem atingir nenhuma das partículas. Mesmo se você tivesse uma pequena nave espacial com alguns centímetros de diâmetro, seria improvável que ela pudesse passar pelos anéis A ou B sem ser atingida por partículas de anel.

Os impactos das partículas não seriam empurrões suaves, mas pedaços atingindo a espaçonave em velocidades relativas “mais rápido do que uma bala em alta velocidade”! A essa velocidade, mesmo uma partícula do tamanho de um milímetro pode ser suficiente para danificar a Cassini, mas a espaçonave não estará voando em regiões dos anéis onde muitas partículas como estas existem. A probabilidade da Cassini ser atingida por tal partícula é inferior a 1%. Quando a Voyager 2 voou pela borda do anel G em 1981, os instrumentos registraram colisões de partículas de poeira minúsculas com menos de 1 mm de tamanho, mas a Voyager conseguiu passar sem nenhum dano.

27. Qual o tamanho dos anéis?

O sistema de anéis de Saturno é muito amplo e muito fino. A borda interna dos anéis começa a cerca de a 6.700 km das nuvens de Saturno. A borda externa do anel A está a aproximadamente 76.500 km das nuvens de Saturno. A borda externa do anel externo (o anel E) foi medida a cerca de 420.000 km das nuvens de Saturno. Essa distância é maior que a entre a Terra e a Lua — 384.000 km. É provável que os anéis se estendam ainda mais longe de Saturno em uma zona cada vez menor de poeira fina e gelada.

Em termos de espessura de cima para baixo, os anéis A e B brilhantes podem ser tão finos quanto cem metros – o comprimento de um campo de futebol. Em sua borda externa, o anel E aumenta em espessura para vários milhares de quilômetros.

28. Quanta matéria tem nos anéis?

Se todo o material nos anéis de Saturno fosse coletado, ele formaria uma lua do tamanho da lua de Saturno Mimas, que tem 392 km de diâmetro. Isto é cerca de 9 vezes menor do que o diâmetro da Lua terrestre.

Os cientistas estimam que a massa de Mimas seja de 4 × 10¹⁹ kg, ou cerca de 1.800 vezes menos massiva que a Lua da Terra.

A maior parte da massa dos anéis está em partículas de alguns centímetros a poucos metros de tamanho — nem muito grande nem muito pequena. Isso porque há muito poucas partículas realmente grandes nos anéis, e a massa da poeira é muito pequena, de modo que as maiores e menores partículas não contribuem muito para a massa geral.

Há muito menos massa nos anéis de Saturno do que é encontrado no cinturão de asteroides entre as órbitas de Marte e Júpiter. Além disso, os asteroides são feitos de rocha e ferro, substâncias que são muitas vezes mais densas do que o gelo de água do qual os anéis de Saturno são feitos.

29. As partículas de anel colidem?

Sim, existem vários tipos de forças que podem alterar o caminho orbital normal de uma partícula de anel, fazendo com que ela colida com partículas vizinhas. Os anéis de Saturno representam um sistema dinâmico sempre mudando de partículas que evolui com o tempo. Entender essas mudanças é um dos objetivos da Cassini enquanto estuda os anéis.

As luas de Saturno são importantes influências gravitacionais que podem fazer com que partículas de anel se movam para fora de suas órbitas circulares normais. A órbita de uma partícula de anel torna-se circular novamente por meio de colisões com outras partículas de anel, e a partícula do anel pode acabar em uma órbita ligeiramente diferente da que estava antes de ter um “chute” da lua. Esses “chutes” ocorrem em locais específicos nos anéis e podem realmente causar grandes “ondas” ou “nós” a se formarem nos anéis.

O campo magnético de Saturno também pode fazer com que as menores partículas de anel alterem suas órbitas, causando colisões com outras partículas de anel. As partículas mais pequenas são mais fáceis de carregar eletricamente, e uma vez carregadas, elas podem ser levantadas acima dos anéis pelo campo magnético de Saturno. Esta é uma das teorias mais populares para o que causa os misteriosos “raios” do anel B que foram descobertos pela espaçonave Voyager.

30. Por que Saturno tem anéis? Como os anéis foram feitos?

Os anéis provavelmente se formaram principalmente porque uma ou mais pequenas luas se “quebraram” perto de Saturno.

Este rompimento pode ter sido o resultado de uma colisão com um cometa ou asteroide, ou com outra lua em órbita próxima ao redor de Saturno. Ao longo de milhões de anos, os pedaços de lua e pedaços de gelo “cometários” se espalharam pelo complexo sistema de anéis que existe hoje.

A formação de anéis também pode começar ou ser acelerada se uma lua grande, asteroide ou cometa chegar perto o suficiente de Saturno de modo que a atração gravitacional de Saturno “gentilmente” a despedace. Isso pode acontecer quando a diferença entre a atração da gravidade no lado de frente para Saturno e sua atração no lado voltado para longe de Saturno é suficiente para quebrar o objeto. Depois de separados, as partículas menores começarão a colidir entre si e com partículas de anel pré-existentes. Isso lentamente os moe, reduzindo seu tamanho e os espalha, gradualmente sendo adicionados aos anéis de Saturno.

31. Quantos anos têm os anéis? Saturno sempre teve anéis? Sempre terá anéis?

Usando dados coletados pelas sondas Pioneer e Voyager da NASA, os cientistas estimaram que os anéis de Saturno têm “apenas” 100 milhões de anos, uma pequena fração dos 4,6 bilhões de anos desde que o Sistema Solar existe. É possível que os anéis venham e vão. Eles podem ser constantemente renovados e reformados ao longo do tempo por colisões internas e pela adição de cometas ou asteróides que são capturados à medida que passam perto de Saturno. Se voltarmos e visitarmos Saturno em um bilhão de anos, os anéis fracos podem desaparecer completamente, e um sistema de anéis inteiramente novo pode se formar em seu lugar.

O anel E pode ser mais jovem que os anéis A e B. Os cientistas especularam sobre como o material no anel E pode vir de pequenas partículas de poeira ou gelo soltas das luas geladas de Saturno. Também é possível que Encélado possa ter vulcões de água ou gêiseres constantemente alimentando o anel E com novas partículas de gelo do tamanho de poeira.

A superfície jovem e brilhante de Encélado e episódios aparentes de derretimento da superfície são evidências de fontes de calor que também podem gerar vulcões.

A nave Cassini aprenderá mais sobre o incomum sistema de anéis de Saturno. Agora é evidente que os anéis de Saturno são complexos, dinâmicos e estão em constante evolução.

32. Existem outros planetas com anéis?

Sim! A espaçonave Voyager viu anéis em Júpiter, Urano e Netuno. No entanto, os anéis desses planetas são todos muito mais fracos que os de Saturno e só recentemente foram descobertos. Em 1977, observadores usando um telescópio a bordo de um avião voando alto sobre o Oceano Atlântico Sul descobriram uma série de anéis estreitos ao redor de Urano.

Estes anéis parecem ser feitos de partículas muito escuras, ao contrário das partículas brilhantes e geladas dos anéis de Saturno. Em 1979, a Voyager 1 descobriu um anel fraco e empoeirado ao redor de Júpiter. O sistema de anéis de Netuno foi detectado pela primeira vez em 1984, quando os astrônomos no solo notaram que a luz de uma estrela distante escurecia ligeiramente à medida que o sistema de Netuno se movia na frente dele. Isso sugeriu um sistema de anéis ou luas desconhecidas orbitando o planeta. A Voyager 2 mais tarde voou por Urano e Netuno e retornou imagens impressionantes dos anéis desses planetas.

Embora todos os planetas gasosos gigantes sejam agora conhecidos por ter anéis, nenhum deles tem um sistema de anéis que se compare com o tamanho e a grandeza de Saturno. Saturno é realmente o verdadeiro “Senhor dos Anéis”! Alguns cientistas acreditam que Marte pode ter um sistema de anéis muito fraco associado com suas minúsculas luas empoeiradas Fobos e Deimos. Uma futura missão espacial a Marte pode ser capaz de detectar esses anéis, se eles existirem.

33. Por que a Terra não tem anéis?

Os pequenos planetas interiores podem ter tido anéis no passado e podem ter anéis novamente no futuro.

Uma teoria predominante diz que os sistemas de anéis são muito mais jovens do que a idade do Sistema Solar, e como tal, podem ir e vir com o tempo. Se a Terra tinha anéis no passado – por exemplo, a partir do rompimento de um cometa ou asteróide que chegou muito perto – então esses anéis podem ter se espalhado e desaparecido há muito tempo. A Terra pode ter um anel no futuro se um cometa ou asteróide passar pela Terra na orientação certa para ser quebrado pela gravidade da Terra em vez de se desintegrar na atmosfera terrestre.

Nossa Lua está muito distante para fornecer material para um futuro anel terrestre; no entanto, a Lua pode ter se formado a partir de um enorme, muito curto anel de material circundando a Terra. Tal anel teria sido formado se um corpo enorme – do tamanho de Marte ou maior – atingisse a Terra, lançando enormes quantidades de detritos em órbita ao redor do nosso planeta.

Em pouco tempo, esses destroços se reuniriam para formar a Lua.

34. Se a Terra tivesse anéis como os de Saturno, como eles seriam vistos do chão?

Se você fosse fazer em escala Saturno e seu sistema de anéis para que Saturno fosse do tamanho da Terra, a borda externa do anel A se estenderia a cerca de 6.400 km da superfície da Terra. Os anéis ficariam bem diferentes no céu, dependendo da latitude em que você estivesse, da época do ano e da hora do dia.

Se você estivesse no equador da Terra, você teria que olhar diretamente para cima para ver os anéis. Os anéis só apareceriam como uma linha fina que atravessava o céu de leste a oeste, porque os anéis orbitariam quase sobre o equador da Terra. Se você estivesse em uma latitude mais alta no hemisfério norte, você teria que olhar para o sul para ver os anéis da Terra.

Os anéis formariam uma banda arqueada em grande parte do céu. Se você estivesse diretamente no Pólo Norte, você não seria capaz de ver qualquer dos anéis, porque eles estariam abaixo do seu horizonte sul.

Se você estivesse a meio caminho entre o Equador e o Pólo Norte, os anéis pareceriam diferentes dependendo da época do ano que você olhasse. No verão, a inclinação da Terra orientaria os anéis em direção ao Sol e você veria a luz solar refletida diretamente do lado superior dos anéis. Mas durante o inverno, o Sol estaria brilhando mais diretamente no hemisfério sul da Terra, e assim os anéis seriam iluminados do lado inferior! Nesse caso, você veria alguma luz passar pelos anéis, mas eles não apareceriam tão brilhantemente iluminados como durante o verão.

Você também teria que ter certeza de olhar para os anéis em uma hora do dia quando o Sol estivesse brilhando sobre eles. Meio-dia seria melhor. Mais cedo ou mais tarde, as bordas leste ou oeste dos anéis podem ser bloqueadas pela sombra da Terra caindo sobre eles. Se você olhasse para meia-noite, os anéis seriam apagados principalmente de estar na sombra da Terra. Muitas imagens da Voyager mostram a sombra de Saturno nos anéis.

Então, se a Terra tivesse anéis como os de Saturno, eles apareceriam excepcionalmente bonitos no solstício de verão das latitudes médias ao meio-dia.