Astrónomos y astrofísicos de la Universidad británica de Northumbria han utilizado el telescopio espacial James Webb, el más potente jamás construido, para resolver uno de los enigmas más antiguos de la ciencia planetaria: ¿por qué Saturno parece girar a una velocidad diferente según cómo se mida?
El profesor Tom Stallard, investigador principal de este trabajo observacional que difunde Journal of Geophysical Research Space Physics, detalla que “lo que estamos viendo es esencialmente una bomba de calor planetaria. La aurora de Saturno calienta su atmósfera, la atmósfera genera vientos, los vientos producen corrientes que alimentan la aurora, y así sucesivamente. El sistema se retroalimenta”.
Las mediciones anteriores de su atmósfera superior solo han permitido una visión general de las estructuras de temperatura y densidad iónica dentro de la región auroral. Sin embargo, sus corrientes aurorales incluyen un componente de corriente de período planetario producido por flujos atmosféricos neutros. Para comprender el origen último de la aurora de período planetario de Saturno, los expertos necesitan mediciones mucho más precisas de su región auroral.
Ahora, utilizando las primeras observaciones de Saturno realizadas con el Webb, este equipo revela por primera vez imágenes de su región auroral con una resolución espacial increíblemente alta (<500 km/píxel).
“Esto supone -detallan- una mejora de al menos un orden de magnitud en nuestra medición de la estructura de temperatura y densidad de columna dentro de la región auroral de Saturno. Revela una región auroral en el momento de la observación altamente controlada por las corrientes de período planetario, lo que da como resultado una serie de corrientes ascendentes y descendentes desde el polo hasta debajo de la región auroral principal. Estas se combinan con regiones reflejadas e invertidas de calentamiento y enfriamiento a través de la región auroral”.
La aurora de Saturno
A renglón seguido añaden que “estos patrones coinciden sorprendentemente bien con las predicciones de modelos anteriores, lo que sugiere que tanto los cambios en la densidad de columna como en la temperatura son el resultado directo del calentamiento localizado sobre la región de mayor precipitación de partículas. Esto indica claramente que las corrientes del período planetario se producen mediante un mecanismo de retroalimentación, impulsado por la energía de la aurora generada magnetosféricamente, que calienta preferentemente un lado de la región auroral”.
En otras palabras, estos hallazgos revelan por primera vez los complejos patrones de calor y partículas cargadas eléctricamente en la aurora de Saturno, y demuestran que todo el sistema se impulsa por un ciclo de retroalimentación autosostenible alimentado por las propias auroras boreales del planeta.
Durante muchos años, Saturno ha desconcertado a los científicos. Las mediciones realizadas por la sonda Cassini de la NASA, en 2004, sugerían que la velocidad de rotación del planeta cambiaba lentamente con el tiempo; sin embargo, esto no parece posible, ya que un planeta no puede simplemente acelerar o desacelerar su giro.
En 2021, un estudio dirigido por Tom Stallard, profesor de Astronomía Planetaria en la Universidad de Northumbria, demostró que el misterio no tenía nada que ver con la rotación de Saturno. Sin embargo, los cambios aparentes se impulsaban por los vientos en la atmósfera superior del planeta, que producían corrientes eléctricas que creaban la señal auroral engañosa.
Con todo, los hallazgos plantearon una pregunta adicional para los investigadores: si los vientos atmosféricos eran los responsables del efecto, ¿qué era lo que causaba esos vientos? Ahora, este nuevo trabajo del profesor Stallard, en el Reino Unido y Estados Unidos, ha proporcionado la primera evidencia directa de la respuesta.
Calentamiento localizado
Como se indica líneas arriba, utilizando el telescopio espacial James Webb (JWST), este equipo observó la región auroral del norte de Saturno, el equivalente a las auroras boreales de la Tierra, de forma continua durante un día saturniano completo, capturando mediciones detalladas que simplemente no eran posibles con ningún instrumento anterior.
Mediante el análisis del brillo infrarrojo de una molécula llamada catión trihidrógeno, que se forma en la atmósfera superior de Saturno y actúa como un termómetro natural, los investigadores pudieron producir los primeros mapas de alta resolución tanto de la temperatura como de la densidad de partículas en la región auroral de Saturno.
El nivel de detalle fue extraordinario. Las mediciones anteriores presentaban errores de alrededor de 50 grados Celsius, aproximadamente iguales a las diferencias que los científicos intentaban detectar, y se obtenían combinando amplias regiones de la aurora polar caliente.
Los nuevos datos del JWST fueron 10 veces más precisos que las mediciones anteriores, lo que permitió al equipo mapear por primera vez detalles precisos del calentamiento y enfriamiento en la región auroral de Saturno.
Lo que ha descubierto este grupo de astrónomos y astrofísicos fue que estos patrones de temperatura y densidad coinciden sorprendentemente bien con las predicciones realizadas por modelos informáticos hace más de una década, pero solo si la fuente de calor se sitúa exactamente donde las principales emisiones aurorales entran en la atmósfera.
Esto significa que la aurora de Saturno no es solo un espectáculo visual, sino que calienta activamente la atmósfera en un lugar específico. Este calentamiento localizado genera vientos que, a su vez, producen las corrientes eléctricas responsables de la aurora. La aurora, entonces, vuelve a calentar la atmósfera, manteniendo así todo el ciclo.
Atmósfera y magnetosfera de Saturno
Así las cosas y como explica el profesor Tom Stallard, “lo que estamos viendo es esencialmente una bomba de calor planetaria. La aurora de Saturno calienta su atmósfera, la atmósfera genera vientos, los vientos producen corrientes que alimentan la aurora, y así sucesivamente. El sistema se retroalimenta”.
“Durante décadas -recuerda- supimos que algo extraño ocurría con la velocidad de rotación aparente de Saturno, pero no podíamos explicarlo. Luego demostramos que estaba impulsada por vientos atmosféricos, pero aún desconocíamos la razón de su existencia. Estas nuevas observaciones, posibles gracias al JWST, finalmente nos brindan la evidencia que necesitábamos para resolver este enigma”.
Los hallazgos también tienen implicaciones más amplias. La investigación sugiere que lo que ocurre en la atmósfera de Saturno influye directamente en las condiciones de su magnetosfera circundante -la vasta región del espacio moldeada por el campo magnético del planeta-, la cual, a su vez, devuelve energía al sistema. Esta relación bidireccional entre la atmósfera y la magnetosfera podría ayudar a explicar por qué el efecto es tan estable y duradero.
El profesor Stallard añade que “este resultado cambia nuestra forma de concebir las atmósferas planetarias en general. Si las condiciones atmosféricas de un planeta pueden generar corrientes hacia el espacio circundante, comprender lo que ocurre en las estratosferas de otros mundos podría revelar interacciones que aún no hemos imaginado”.
El Telescopio Espacial James Webb es el principal observatorio de ciencia espacial del mundo. Webb está resolviendo misterios de nuestro sistema solar, explorando mundos distantes alrededor de otras estrellas e investigando las misteriosas estructuras y orígenes de nuestro universo y nuestro lugar en él.
Webb es un programa internacional liderado por la NASA junto con sus socios, la ESA (Agencia Espacial Europea) y la CSA (Agencia Espacial Canadiense).