I signori degli Anelli

Se chiediamo ad una persona quale pianeta ci riferiamo quando parliamo del “Signore con gli anelli”, molto probabilmente otterremo una sola risposta: Saturno, ma grazie alle scoperte dalle sonde Voyager oggi sappiamo che non è l’unico pianeta a condividere questa caratteristica; tutti i giganti gassosi del nostro Sistema Solare possiedono un sistema di anelli che li avvolge.

La presenza degli anelli era stata osservata da Galileo (1610) e da Huygens (1675); Maxwell studiò il problema dal punto di vista della meccanica celeste e dimostrò che gli anelli di Saturno non potevano essere costituiti da un unico corpo rigido, altrimenti sarebbe venuta a mancare la stabilità strutturale. Essi sono costituiti infatti da una miriade di particelle di ghiaccio, roccia e polveri dal diametro di pochi millimetri al metro che orbitano intorno al pianeta in maniera indipendente uno dall’altro; la loro orientazione varia durante l’anno e la loro struttura è molto sottile: lo spessore medio degli anelli è di 300 metri nonostante si estendano fino a una distanza di circa 483000 Km.

Se guardiamo gli anelli all’oculare di un telescopio, ci accorgiamo che esistono separazioni all’interno della struttura: ogni sezione ha un nome, una caratteristica ed una densità variabile.

Struttura degli anelli di Saturno
Struttura degli anelli di Saturno

Nel sistema ad anelli di Saturno si distinguono ben sette sezioni (fasce) chiamate con le lettere maiuscole: procedendo dall’interno verso l’esterno le sezioni sono le seguenti:

  • Anello D (molto debole)
  • Anello C interno
  • Divisione di Maxwell
  • Anello C esterno
  • Anello B (il più denso)
  • Divisione di Cassini
  • Anello A interno
  • Divisione di Enke
  • Pastori: Pan
  • Divisione di Keeler
  • Anello A esterno
  • Pastori: Prometeo
  • Anello F
  • Pastori: Atlas, Pandora, Epimetheus e Janus
  • Anello G
  • Anello E

Una caratteristica che accumuna gli anelli di tutti i giganti gassosi è che essi non si estendono oltre il limite di Roche: esso rappresenta un limite entro il quale le forze mareali del pianeta sono superiori alle forze di coesione del satellite stesso. All’interno del limite di Roche pertanto possono esistere solo piccoli satelliti (lune e pastori) in grado di resistere a stress gravitazionali le quali sono corresponsabili del confinamento e della stabilità dell’intero sistema.

Nell’interazione fra pastore e anello entrano in gioco forze gravitazionali, in particolare la risonanza orbitale: che è anche corresponsabile della creazione di lacune, come la divisione fra la fascia A e B (divisione di Cassini). La risonanza è presenta nell’intera struttura degli anelli; le particelle esterne dell’anello B, per esempio, sono in risonanza 2:1 con Mimas, le particelle della divisione di Enke sono in risonanza 5:3 sempre con Mimas, mentre il confine esterno della divisione di Keeler è in risonanza 7:6 con Janus. In generale, maggiore è il rapporto m:n, più intenso sono gli effetti dell’interazione fra anello e satellite.

Un terzo effetto dei pastori è di modellare i bordi degli anelli; quando le particelle interne/esterne dell’anello superano (o si fanno superare) dal satellite pastore, quest’ultimo modifica le loro orbite deviandole dalla traiettoria originaria; l’effetto risultante è quello di frastagliare il bordo dell’anello. Le forze che agiscono portano alla creazione di moti localmente sinusoidali periodiche con un periodo proporzionale alla distanza fra il satellite e le particelle che costituiscono l’anello.

Struttura degli anelli di Giove
Struttura degli anelli di Giove

Le correlazioni fra anelli e pastori sono presenti anche nel sistema di anelli degli altri giganti gassosi: Giove possiede un sistema di anelli molto debole costituito da polveri la cui origine è molto incerta; si suppone che sia il risultato d’impatti cometari il cui materiale espulso sia andato a costituire l’attuale configurazione.  A differenza di Saturno, però le particelle che compongono gli anelli di Giove, sono molto più distanziate rispetto a quelle che caratterizzano Saturno e quindi collidono più raramente.

Il sistema è composto di un anello principale di materiale roccioso il cui moto è influenzato dal campo magnetico gioviano. Nella parte più esterna dell’alone si distinguono due anelli:

  • Anello interno di Gossamer: si trova a una fascia compresa fra 129000 Km e 182000 Km.
  • Anello esterno di Gossamer: si trova a una fascia compresa fra 182000 Km e 225000 Km.

Come per Saturno, al loro interno si trovano piccole lune: Adrastea e Metis nell’anello interno di Gossamer, vicino all’alone principale, mentre nella regione esterna di Gossamer si trovano Amalthea ed Thebe. Si pensa che la fonte delle particelle che costituiscono il sistema di anelli di Giove arrivi proprio dai satelliti stessi, in particolare dalle lune Adrastea e Metis che hanno un diametro di 10 – 20 Km.

Struttura degli anelli di Urano
Struttura degli anelli di Urano

Anche per Urano e Nettuno, la presenza di piccole lune contribuisce alla spiegazione di fenomeni di confinamento e forma degli anelli.

Urano è circondato da una serie di anelli molto deboli e stretti con un’elevata eccentricità definiti da lettere greche e (per i più recenti) da numeri. La certezza della loro presenza avvenne grazie al lavoro della Voyager 2, sebbene grazie a osservazioni terrestri, basate su occultazioni stellari, avessero fatto ipotizzare che Urano possedesse un debole sistema ad anelli. La conferma avvenne nel marzo 1977: gli astronomi attrezzarono un aereo (il Kuiper) per misurare il diametro del pianeta, la stella di test prima di essere occultata e poi scoperta da Urano lampeggiò più volte; questo comportamento indusse gli astronomi a pensare alla presenza di anelli.

Oltre ai cinque scoperti dall’osservatorio volante, la Voyager ne scoprì altri e portò il conto totale degli anelli undici; essa confermò anche la presenza a cavallo dell’anello ε due piccoli pastori: Cordelia e Ofelia il cui loro moto agisce come un processo di confinamento dell’anello. La risonanza è presente anche qui, in particolare i satelliti Ariel e Umbriel si trovano in risonanza 5:3

Struttura degli archi di Nettuno
Struttura degli archi di Nettuno

Nettuno possiede tre anelli, di cui due molto stretti, che portano i nomi dei tre astronomi che contribuirono alla sua scoperta: Galle, Le Verrier e Adams. Come per Urano, anche per Nettuno fu ipotizzata la loro presenza grazie a un processo di occultazione stellare da parte del pianeta, ma a differenza del precedente, l’occultazione rilevò un’asimmetria nella curva di luce. La spiegazione ci venne fornita dalla Voyager 2, la quale evidenziò un sistema di tre archi (Libertè, Egalitè e Fraternitè) sistemati sull’anello più esterno, quello a maggior concentrazione di materiale. La sonda rilevò un sistema di lune intrappolate all’interno degli anelli, in particolare Galatea (situata fra anello centrale ed il più esterno) che si trova in risonanza di moto medio 42:43 con l’anello Adams ed è responsabile della dinamica dei tre archi dell’anello più esterno.

Anche Nettuno possiede pastori, tra i quali citiamo: Naiad, Thalassa, Despina e Larissa.

Visto la somiglianza di tutte queste strutture, cosa possiamo dire dell’origine degli anelli che caratterizza questi giganti del Sistema Solare? Gli astronomi hanno formulato due ipotesi: la prima si rifà ai primi momenti di formazione del Sistema Solare, secondo la quale durante la formazione del pianeta la nube di polveri/gas si sarebbe appiattita dando origine ai satelliti, ma all’interno del limite di Roche, le forze di marea ebbero il sopravvento e si formarono gli anelli.

La seconda ipotesi implica una formazione molto più recente e si basa sulla cattura dal campo gravitazionale del pianeta di corpi celesti esterni e in seguito spezzati in mille frammenti quando hanno oltrepassato il limite di Roche. Tutti gli anelli hanno una struttura dinamica; continuamente materiale viene perso con gli urti fra particelle dell’anello ed al tempo stesso i satelliti pastori provvedono al recupero e riciclaggio del materiale.

Lo studio di queste magnifiche strutture è risultato molto importante perché oggi gli astronomi pensano che il modello che sta alla base del loro funzionamento possa essere studiato come analogia per spiegare la formazione del Sistema Solare quando la nube di gas/polveri che circondava il Sole ha iniziato a collassare per dar luogo ai suoi pianeti.

Fotografie

  • NASA/JPL
  • Voyager 2