''Zenith'' on line

Periodico di Astronomia di base a cura del
Centro Astronomico "Neil Armstrong" - Salerno
Numero 1


Gli anelli di Saturno: un microsolco cosmico

di Simona Petrosino


La scoperta degli anelli attorno al pianeta Saturno suscitò subito degli interrogativi sulla loro natura. Una delle prime domande che ci si pose, riguardava proprio la loro composizione: gli anelli erano solidi o costituiti da tante particelle?
Nell'ottocento Laplace dimostrò l'instabilità di un anello solido: supponiamo infatti che il pianeta si trovi proprio al centro del cerchio individuato dall'anello; se una perturbazione spostasse il centro dell'anello dal centro di Saturno, allora le forze gravitazionali agirebbero in maniera diversa (proporzionalmente all'inverso del quadrato della distanza) sull'anello, poiché l'attrazione gravitazionale sarebbe maggiore per l'arco più vicino al pianeta e, alla fine, una parte dell'anello cadrebbe su Saturno.
Un'ulteriore conferma a questa ipotesi fu data da un lavoro di Roche, nel 1850. Roche non era particolarmente interessato agli anelli di Saturno, bensì alla stabilità dell'orbita dei satelliti: egli dimostrò che se si traccia attorno ad un pianeta una circonferenza avente raggio pari a 2,44 volte il raggio planetario, allora all'interno di tale confine non può esistere alcun satellite in quanto questo verrebbe disgregato dalla diversa attrazione gravitazionale del pianeta sulle sue diverse parti. Il valore limite di 2,44 raggi planetari fu detto Limite di Roche e per Saturno cade proprio leggermente al di fuori dell'anello più esterno.
Un grosso contributo agli studi sugli anelli di Saturno fu dato da Maxwell, il quale teorizzò alcuni modelli per spiegare il moto delle particelle degli anelli: egli giunse alla conclusione che il sistema consisteva di una serie di corpuscoli in orbita kepleriana (cioè dipendente dall'inverso del quadrato della distanza) attorno al pianeta. Una configurazione simile è alquanto stabile; tuttavia, sia pure in tempi molto lunghi, è destinata ad allargarsi verso l'esterno poiché le particelle più distanti dal pianeta si muovono più lentamente rispetto a quelle più interne: queste ultime tendono quindi ad accelerare le particelle esterne che si porteranno su un'orbita più ampia.
In realtà, il problema del confinamento degli anelli fu risolto ipotizzando l'esistenza di un cosiddetto satellite pastore (modello di Goldreich e Tremaine). La presenza di tale satellite al di fuori dell'anello più esterno costringerebbe la materia a restare confinata: infatti il satellite esterno si muove più lentamente delle particelle (per la terza legge di Keplero) e quindi la sua attrazione tende a frenare (in realtà a sottrarre energia e momento angolare orbitale) alle particelle dell'anello con cui ad ogni istante si trova in congiunzione; le particelle perciò tendono un pò a cadere verso il pianeta, cioè a restringere il loro raggio orbitale allontanandosi dal satellite. Questa ipotesi fu confermata dall'osservazione diretta di una delle due sonde Voyager che scoprì l'esistenza dei satelliti proprio ai confini dell'anello esterno.

I SATELLITI PASTORE
I satelliti pastore.
Questi corpi "confinano" gravitazionalmente le particelle che compongono
gli anelli, impedendo che cadano sul pianeta. Questa foto è stata ripresa
dal Voyager 2 e si riferisce ai "pastori" dell'anello F (Foto N.A.S.A.).

Come è noto, gli anelli di Saturno osservati da terra presentano due fasce vuote conosciute come Divisione di Encke e Divisione di Cassini. L'assenza di materia in queste particolari zone è spiegabile con il fenomeno della risonanza, che si verifica quando il rapporto tra due periodi di rivoluzione è esprimibile come frazione di numeri interi e piccoli. Una particella orbitante nella divisione di Cassini si troverebbe in risonanza 1/2 con il satellite Mima cioè, per ogni rivoluzione di Mima, la particella in questione compirebbe esattamente due giri attorno a Saturno. Tutto ciò fa in modo che la congiunzione tra satellite e particella avvenga ogni volta più o meno allo stesso punto dell'orbita per cui le perturbazioni prodotte da Mima si accumulano nel tempo invece di avere media zero. Tale meccanismo provoca un aumento dell'eccentricità dell'orbita della particella che quindi occuperà delle fasce a distanza da Saturno maggiori o minori della fascia risonante (cioè quella per cui il periodo è metà quello di Mima). Per la divisione di Encke vale lo stesso ragionamento: un corpuscolo in questa zona si troverebbe ancora in risonanza 3/5 con il satellite Mima.
Le sonde Voyager 1 e 2 hanno messo in evidenza la struttura degli anelli di Saturno: se da terra si distinguevano essenzialmente tre anelli (denominati con le lettere A, B e C), con l'osservazione ravvicinata delle sonde si è visto che in realtà la divisione è molto più complessa, essendo ogni anello principale costituito da tantissimi anelli concentrici; questa particolare struttura è stata definita "a microsolco".
A partire dalla zona più vicina al pianeta, troviamo dunque l'anello D costituito sia da particelle macroscopiche che microscopiche. Le particelle più piccole di 1 micron diffondono la luce solo in avanti (in quanto avendo dimensioni inferiori alla lunghezza d'onda della luce non riescono a rifletterla), ma poiché l'anello D è ben visibile sia in luce riflessa che diffusa, è evidente che le particelle che lo costituiscono hanno dimensioni sia inferiori che superiori al micron.
L'anello C è formato da particelle macroscopiche suddivise in una serie di larghe bande trasparenti intervallate da piccoli anelli più opachi.
L'anello B, costituito essenzialmente da polveri, ha una struttura fine molto complessa: esso presenta poi delle strutture radiali dette spokes ("raggi di bicicletta") che scompaiono dopo qualche rivoluzione attorno al pianeta. Studiandole in luce diffusa si è capito che si tratta di addensamenti di particelle minutissime sospese al di sopra del piano degli anelli: la loro formazione e scomparsa è da attribuirsi al fatto che sono polveri ionizzate, per cui risentono del campo magnetico di Saturno; le particelle si sollevano cioè al di sopra degli anelli e poi, a causa della forza magnetica, precipitano nuovamente nel piano.
La divisione di Cassini separa l'anello B dall'anello A; quest'ultimo è tagliato in due dalla divisione di Encke. Esistono poi tre anelli molto sottili, scoperti dal Voyager e denominati F, G ed E; in particolare l'anello F è interessante perché mostra una struttura fine con tre componenti che addirittura si intrecciano fra di loro.
Certo un anello intrecciato non potremmo mai ammirarlo da terra: con un telescopio amatoriale riusciremo solo a distinguere i tre anelli principali, ma si tratta comunque di uno spettacolo unico e Saturno resta sempre uno degli oggetti più suggestivi da osservare.

LA STRUTTURA DEGLI ANELLI
Il microsolco cosmico.
Ecco come apparve la struttura degli anelli alle telecamere dei Voyager.
All'esterno dell'anello A si rivelarono poi ulteriori anelli molto sottili: F, G ed E (Foto N.A.S.A.).