Después de 350 años, los astrónomos aún no pueden explicar la luna más extraña del Sistema Solar

Jápeto (Iapetus en Inglés) de dos tonos es la luna más extraña conocida en todo el Sistema Solar. 
La combinación de su color, forma, cresta ecuatorial y parámetros orbitales elude una explicación coherente y convincente unos 350 años después de su descubrimiento original. 
Crédito: NASA / JPL-Caltech / Space Science Institute / Cassini.

Jápeto de Saturno, descubierta allá por 1671, tiene tres características extrañas que la ciencia aún no puede explicar por completo.

Después de no tener herramientas superiores a nuestros ojos para explorar el universo, el siglo XVII marcó el comienzo de una revolución con la adopción del telescopio. Con aperturas más grandes y el poder de recolectar más luz a la vez, los objetos más allá de los límites de la visibilidad humana, tanto en términos de resolución como de brillo, se transformaron repentinamente de ser inobservables a ser observables a voluntad. Casi de inmediato, se abrieron a nuestros ojos nuevos objetos y características, incluidas las cuatro lunas principales de Júpiter, las fases de Venus, los anillos de Saturno con muchas características en su interior y mucho más.

Luego, en 1671, el astrónomo italiano Giovanni Cassini estaba observando Saturno, ya conocido por poseer una luna gigante, Titán, y descubrió otra luna: Jápeto (Iapetus en Inglés). Si bien Cassini haría muchos otros descubrimientos sobre Saturno, incluidas muchas otras lunas, Jápeto era una de las cosas más extrañas que alguien había visto en el cielo. Cassini descubrió a Jápeto en el lado occidental de Saturno, pero cuando lo buscó más tarde en su órbita, en el lado oriental de Saturno, no estaba allí en absoluto. Esto se mantuvo así durante décadas, hasta que, con un telescopio significativamente mejorado, Cassini finalmente lo vio, dos magnitudes más débiles de lo que parece en el lado occidental de Saturno, en 1705. Tan notable observación, fue solo el comienzo para comprender el misterio de Jápeto: la luna más extraña de nuestro Sistema Solar.

Comparada con la Tierra, o incluso con la luna de la Tierra, la luna Jápeto de Saturno parece pequeña e insignificante. 
Sin embargo, sigue siendo uno de los pocos cuerpos del Sistema Solar de más de 1.000 kilómetros de diámetro, la tercera luna más grande de Saturno y quizás la luna menos conocida de todo el Sistema Solar. 

Crédito : Tom.Reding y Ppong.it, Wikimedia Commons.

Hoy, tenemos el lujo de cientos de años de avances científicos a nuestra disposición. Tenemos telescopios con los que el propio Cassini solo podría haber soñado: con cientos de veces el poder de captación de luz de los mayores telescopios de su época, con vistas que nos llevan a longitudes de onda que el ojo humano no puede observar, con numerosos observatorios ubicados en el espacio, y con algunos de ellos, como la nave espacial Voyager 1 o la misión Cassini de la NASA, viajando y tomando imágenes de estos mundos distantes in situ .

Saturno, como todos los mundos gigantes gaseosos de nuestro Sistema Solar, tiene su propio y rico sistema de satélites: en gran parte en forma de lunas y anillos. Los anillos principales son, con mucho, la característica más destacada, con lunas pequeñas y jóvenes en su interior. Fuera de los anillos principales, Saturno posee ocho lunas importantes y prominentes:

  • Mimas,
  • Encelado,
  • Tetis,
  • Dione,
  • Rea,
  • Titán,
  • Hiperión,
  • y finalmente Jápeto.

De estas ocho lunas, Jápeto no solo es la más externa, sino que también posee tres características específicas que la hacen única.

La órbita de Jápeto se extiende por más del doble del diámetro de cualquiera de las otras grandes lunas de Saturno. 
Tanto una vista de arriba hacia abajo como una vista lateral muestran la extensión de la órbita de Jápeto en relación con las otras lunas, mientras que solo la vista lateral ilustra la inclinación orbital de Jápeto alrededor del ecuador de Saturno. 
Créditos :
 Usuario de Wikipedia en Inglés The Singing Badger.

1.) Jápeto no orbita en el mismo plano que el resto del sistema de Saturno. De todos los planetas del Sistema Solar, Saturno es el segundo más rápido, completando una rotación completa sobre su eje en tan solo 10,7 horas. Los anillos de Saturno orbitan en ese mismo plano, compuestos casi exclusivamente de hielo de agua. Y de sus ocho lunas antes mencionadas, siete de ellas orbitan dentro de 1.6 ° de ese mismo plano, y solo Mimas tiene una inclinación superior a medio grado.

Excepto, es decir, para Jápeto. Al orbitar Saturno a más del doble de la distancia de Titán o Hiperión, Jápeto tiene una inclinación de 15,5 ° con respecto al resto del sistema de Saturno: una propiedad difícil de explicar. Por lo general, solo hay tres formas de hacer una luna: desde un disco circumplanetario, desde una colisión que levanta grandes cantidades de escombros o desde una captura gravitacional. Dado que Jápeto es la tercera luna más grande de Saturno, que parece tener una composición similar a las otras lunas prominentes de Saturno y que casi no tiene excentricidad orbital, incluso los encuentros gravitacionales más inteligentes luchan por migrar a Jápeto fuera del plano de Saturno, si es que de hecho, ahí es donde se formó originalmente.

La cresta ecuatorial gigante que corre a lo largo de Jápeto es única en el Sistema Solar. 
Esta característica similar a una cresta traza algunas de las montañas más altas del Sistema Solar, aunque la naturaleza y el origen de la cresta siguen siendo preguntas abiertas. 
 Crédito : NASA / JPL-Caltech / Space Science Institute / Cassini

2.) Jápeto tiene un ecuador de forma anormal . Al igual que la Tierra, la Luna o el Sol, Jápeto no es una esfera perfecta. Sin embargo, mientras que la Tierra y el Sol sobresalen ligeramente en el ecuador y parecen comprimidos en sus polos debido al equilibrio entre la gravitación y el momento angular causado por su rotación, una condición conocida como equilibrio hidrostático, las propiedades de Jápeto son todas incorrectas para su movimiento. Su ecuador tiene un diámetro de 1492 kilómetros en comparación con su diámetro de polo a polo de solo 1424 kilómetros, lo que representaría el equilibrio hidrostático si Jápeto girara 360 ° completos cada ~ 16 horas. Pero no es así; Jápeto está bloqueado por mareas con Saturno, lo que significa que solo gira una vez cada 79 días.

Además, la visita de la misión Cassini a Jápeto mostró algo completamente nuevo e inesperado: una enorme cresta ecuatorial que se extiende por 1300 kilómetros, o casi todo el diámetro del planeta. La cresta tiene unos 20 kilómetros de ancho, 13 kilómetros de alto y sigue el ecuador casi a la perfección. Hay múltiples segmentos desconectados además de la cresta principal, numerosos picos aislados y secciones donde la única cresta parece romperse en tres crestas paralelas. Es el único mundo en el Sistema Solar con una característica como esta, y todas las teorías luchan por explicar cómo este mundo llegó a tener estas propiedades ecuatoriales.

La sorprendente diferencia de color en Jápeto es más claramente visible si se divide Jápeto en sus hemisferios delantero (imagen derecha) y trasero (izquierda), donde el hemisferio delantero se parece mucho a un enorme vehículo que se abalanza sobre un enjambre de insectos que se aproximan. 
Crédito : NASA / JPL-Caltech / Space Science Institute / Lunar and Planetary Institute

3.) Japeto tiene un color distintivo de dos tonos. Lo crea o no, cuando Jápeto fue descubierto por primera vez, esta fue precisamente la explicación presentada por el propio Cassini para lo que estaba viendo. Al darse cuenta de que el mismo telescopio que vio a Jápeto sobre el extremo occidental de Saturno debería haber sido capaz de revelarlo sobre el extremo oriental, Cassini planteó la hipótesis de que:

  • un hemisferio de Jápeto debe ser intrínsecamente mucho más oscuro (y más tenue) que el otro,
  • Jápeto debe estar bloqueado por las mareas con Saturno, de modo que el mismo hemisferio nos enfrente en el mismo punto de su órbita,
  • y que esta diferencia debe ser detectable cuando se disponga de telescopios más grandes.

Cassini no solo hizo estas predicciones para sus observaciones de la era de 1670, sino que él mismo fue quien hizo la primera detección crítica de Jápeto en el borde oriental de Saturno cuando obtuvo un equipo de perfomance superior en 1705.

Sin embargo, a diferencia de los otros dos acertijos, este acertijo finalmente se ha resuelto, algo que habría sido una tarea prácticamente imposible para la época de Cassini. Como puede ver en un mapa a todo color de Jápeto, el hemisferio «delantero» (el que mira en la dirección del movimiento) es extremadamente oscuro, como si fuera de color marrón rojizo, mientras que el hemisferio «trasero» es blanco como la nieve: cubierto de varios hielos volátiles.

Un mapa global de 3 colores de Jápeto muestra la extraordinaria diferencia entre las regiones claras y oscuras. 
Las regiones más brillantes son entre 10 y 20 veces más reflectantes que las regiones más oscuras de Jápeto. 
Crédito : NASA / JPL-Caltech / Space Science Institute / Lunar and Planetary Institute

Si alguna vez condujo su automóvil en una carretera a través de un enjambre de insectos, estas vistas de Jápeto pueden traerle algunos recuerdos viscerales. Debido a que solo el hemisferio «delantero», o el que es análogo al parabrisas de su automóvil, es el que se adentra en la materia directamente frente a él, solo un lado se cubre de «insectos».

Por supuesto, no hay insectos en el espacio, pero más allá de los anillos principales de Saturno, hay algo que funciona como una fuente de materia oscura: una enorme y difusa nube de materia. Esta materia no es visible en el rango óptico, sino que solo fue detectable gracias a nuestros telescopios espaciales infrarrojos que podían detectar la radiación emitida por el polvo calentado por el Sol.

Resulta que hay un anillo de materia extremadamente grande pero de baja masa, inclinado tanto respecto de la dirección de rotación de Saturno como de la órbita de Jápeto, que se extiende a una distancia de casi 100 millones de kilómetros: apenas por debajo de la distancia Tierra-Sol.

Al orbitar en la dirección opuesta a cómo orbitan las partículas en el anillo de Febe (Phoebe en Inglés), Jápeto acumula material algo más oscuro, preferentemente, solo en un lado. A medida que los hielos volátiles de ese lado se subliman preferentemente, dejan atrás los depósitos más oscuros, mientras que el lado rico en hielo se vuelve más grueso y reflectante. 
Crédito : NASA / JPL-Caltech / Cassini Science Team

La razón de este anillo de polvo difuso externo es simple, directa y completamente contradictoria. Proviene de la única otra luna grande en el sistema de Saturno: el cuerpo capturado Febe (Phoebe en Inglés), que orbita casi completamente en dirección opuesta a la dirección de rotación de Saturno. Este cuerpo helado capturado emite volátiles cuando se expone al Sol, y ahora se cree que es la causa última del color de dos tonos de Jápeto, aunque la historia es un poco más compleja que la simple historia que podrías haber inventado.

Simple pero incorrecto : Febe emite partículas, aterrizan en un lado de Jápeto, y por eso es de dos colores diferentes.

Más complejo pero correcto : Febe emite partículas y Jápeto penetra en esa corriente de partículas. Cuando se expone a la luz solar directa, el lado de Jápeto sin esas partículas de Febe retiene cantidades más pequeñas de calor que el lado con esas partículas, por lo que es más probable que los hielos de la parte «más caliente» se sublimen, y pueden aterrizar en el «lado más frío”. Con el tiempo, los volátiles helados se acumulan en el lado «más frío», mientras que los volátiles helados se evaporan del hemisferio «más caliente», dejando solo las partículas no volátiles que absorben mejor el calor.

La apariencia de piedra pómez y la contrarrotación de Febe (Phoebe en Inglés)) solo se pueden explicar si se originó en el Sistema Solar exterior: más allá de donde se encuentran los gigantes gaseosos. Jápeto, sin embargo, es más consistente con un origen similar al de las otras grandes lunas de Saturno. 
Crédito : NASA / JPL / Space Science Institute

Esa es la explicación principal y generalmente aceptada de por qué Jápeto tiene esta naturaleza de dos tonos. Al observar el resto de Jápeto, hay algunas otras características que son notables, aunque no son exactamente infrecuentes en el Sistema Solar. Incluyen:

  • una superficie llena de cráteres por todas partes,
  • donde una pequeña cantidad de cráteres grandes y antiguos se encuentran debajo de una historia reciente con más cráteres,
  • donde el material más oscuro se encuentra en las regiones bajas pero los hielos volátiles cubren el área muy inclinada,
  • y el hecho de que el lado «que mira a Saturno» tiene una cresta ecuatorial continua, mientras que el lado «alejado de Saturno» tiene sólo unas pocas montañas parcialmente brillantes separadas por regiones más tipo llanuras.

Cuando miramos todos estos hechos juntos, junto con las propiedades generales de Jápeto, como su densidad y composición, podemos construir un escenario que no es necesariamente 100% correcto (y ciertamente no es generalmente aceptado), pero eso proporciona una explicación plausible de cómo llegó a existir Jápeto.

Estas dos imágenes globales de Jápeto muestran la dicotomía de brillo extremo en la superficie de esta peculiar luna de Saturno. El panel de la izquierda muestra el hemisferio delantero de la luna y el panel de la derecha muestra el lado posterior de la luna. 
Crédito : NASA / JPL-Caltech / Space Science Institute

En los primeros días del Sistema Solar, el proto-Sol se estaba calentando mientras se formaban inestabilidades en el disco protoplanetario circundante. Las dos inestabilidades más grandes y tempranas se convertirían en los mundos verdaderamente gigantes, Júpiter y Saturno, mientras que todos los gigantes gaseosos desarrollaron discos circumplanetarios. Cada uno de estos discos se fragmentaría, formando una serie de lunas, todas en el mismo plano. Una de ellas fue Jápeto, que puede haberse formado a partir de una colisión masiva temprana en el joven sistema de Saturno o haber sido perturbada fuera del plano de Saturno a través de interacciones gravitacionales. De las 8 lunas principales de Saturno, Jápeto se convierte en la única desde la que es visible el sistema de anillos.

En los primeros días de este sistema, Jápeto giraba rápidamente, lo que la abultaba. Se solidificó rápidamente, mientras que los impactos importantes crearon sus cinco cráteres más grandes y levantaron escombros. Algunos de esos escombros pueden haber formado un anillo o una luna que se rompió por marea en un disco de escombros, que luego cayó sobre la superficie de Jápeto, formando la cresta ecuatorial, mientras que la protuberancia se congeló. Con el tiempo, una vez que Febe (Phoebe) se convirtió en luna capturada, una pequeña cantidad de sus volátiles ricos en polvo aterrizó en el hemisferio principal de Jápeto, lo que provocó que los hielos se sublimasen y depositaran material oscurecido. Durante el resto de la historia del Sistema Solar, los hielos se agrupan en el hemisferio posterior, dejando que el material oscurecido se acumule en el lado delantero. En la actualidad, tiene casi un pie (alrededor de 25 a 30 cm) de grosor.

Una vista generada por computadora de Saturno visto desde Jápeto, basada en imágenes de Cassini y técnicas de reconstrucción física. 
Crédito : NASA / JPL-Caltech / Cassini

Y sin embargo, a pesar de lo prometedor que es este escenario, actualmente no tenemos suficiente información a nuestra disposición para validarlo o descartar alternativas. La cresta ecuatorial y la protuberancia podrían haberse formado si la corteza de Jápeto se “congelara” y se volviese sólida en las primeras etapas de formación de la luna, con la cresta proveniente de material helado que subió y se solidificó. Alternativamente, una gran cantidad de aluminio-26 podría haber quedado atrapada en el interior de la luna, calentando a Jápeto y creando estas características. Y basado en el hecho de que no hay cuerpos en el plano más alejados que Jápeto, es posible, aunque no favorecido, que este sea de hecho un cuerpo capturado, como la luna Tritón de Neptuno, que expulsó cualquier sistema primigenio que el cuerpo planetario principal alguna vez poseyó en su camino hacia la captura gravitacional.

En ciencia, es importante mantener dos procesos de pensamiento en conflicto simultáneamente. Por un lado, debe considerar el conjunto completo de fenómenos y propiedades observados sobre todo el sistema que está investigando, y adoptar la posición que explique de manera más completa todo lo que se ve sin ningún conflicto de ruptura de acuerdos. Por otro lado, debe considerar cada explicación concebible que no esté definitivamente descartada, dejando su mente abierta a revisar todos y cada uno de los aspectos si los datos más nuevos y mejores lo obligan a hacerlo. Aquí estamos en 2021, 350 años completos después del descubrimiento de Jápeto, y todavía no podemos explicarlo todo de manera decisiva. Tal es la naturaleza – y tales son las limitaciones – del proceso científico.

Fuente: Starts With A Bang / Medium.

Artículo original:After 350 years, astronomers still can’t explain the Solar System’s strangest moon‘. Ethan Siegel. Oct 12, 2021.

Material relacionado

Vaya detrás del escenario mientras los científicos observan en tiempo real cómo las imágenes más cercanas de la misteriosa luna Jápeto de Saturno son transmitidas por la nave espacial Cassini de la NASA.
Crédito: NASA Jet Propulsion Laboratory – Calthec.

Jápeto: una luna de Saturno congelada repentinamente

Crédito: NASA / JPL / Space Science Institute 
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Jápeto, la luna de Saturno, nos ha dado algo nunca antes disponible: una historia de su rotación y los efectos de esa rotación en su desarrollo. Ninguna otra luna del Sistema Solar es como ésta, ya que Jápeto mantiene la forma que tenía cuando solo tenía unos pocos cientos de millones de años. Cassini nos mostró esa forma en un sobrevuelo en 2005, revelando un bulto en la sección media de la luna y una cadena de montañas a lo largo de su ecuador.

¿Cómo se formó el bulto?

El siguiente artículo lo expone:

Jápeto: recubierta de polvo de otro mundo

Imágenes de la nave espacial Cassini-Huygens del lado oscuro y delantero de Jápeto y su lado brillante y posterior. Las imágenes de alta resolución arrojan nueva luz sobre el antiguo rompecabezas de cómo Jápeto obtuvo su coloración inusual. 
Crédito: Equipo de Imágenes de Cassini / NASA / JPL-Caltech / Space Science Institute

Jápeto, la luna de Saturno, siempre ha tenido un aspecto inusual, uno que se notó por primera vez se remonta a los días de Giovanni Cassini (1625-1712), por quien recibe el nombre de nuestro orbitador Saturno. El descubridor de la luna, Cassini, señaló correctamente que Jápeto tenía un hemisferio brillante y uno oscuro, cada uno visible (debido al bloqueo de las mareas) en un solo lado del planeta visto desde la Tierra. Ahora llamamos al hemisferio oscuro Cassini Regio en honor al astrónomo nacido en Italia. Entonces, ¿qué hace que Cassini Regio sea tan oscura?

Jápeto: Creciendo en un barrio difícil

Fig. 1: Mapa de cráteres simulados de Monte Carlo en Jápeto después de un bombardeo utilizando parámetros del modelo de Nice. 
Menos del 1% de la cresta sobreviviría a este nivel de bombardeo.

Crédito: Edgard G. Rivera-Valentin, Amy C. Barr et al.

La luna de Saturno, Jápeto, ha sido bombardeada con bastante fuerza por los escombros del Sistema Solar exterior. Pero no está DEMASIADO destrozado: su extraña cresta ecuatorial de 20 km de altura todavía está en pie. Los autores de este artículo simulan el bombardeo de Jápeto para averiguar cuánta masa podría haber chocado con la luna sin destruir la cresta.

¿Tenía Jápeto su propia mini luna?

Un primer plano de la cresta de Jápeto. 
En 2007, Cassini voló a unos pocos miles de kilómetros de la superficie de Jápeto para tomar esta espectacular imagen. 
Crédito: NASA / JPL / SSI.

Existe una nueva teoría de por qué Iapetus, la luna de Saturno, parece una nuez. La luna tiene una gran cresta misteriosa que cubre más del 75 por ciento de su ecuador. Averiguar el motivo de la cresta, dicen los investigadores de la Universidad de Washington en St. Louis, ha sido un hueso duro de roer. Pero proponen que en un momento Jápeto tuvo su propia luna. La órbita de esta mini-luna alrededor de Jápeto se habría descompuesto debido a las interacciones de las mareas con Jápeto. Esas fuerzas habrían desgarrado el sub-satélite, formando un anillo de escombros alrededor de Jápeto que eventualmente golpearía la luna cerca de su ecuador.

Esta no es la propuesta más loca de la historia …

La cresta de Jápeto tiene 100 kilómetros (62 millas) de ancho y alcanza, 20 kilómetros (12 millas) de altura. (El pico del Monte Everest, en comparación, está a 8,8 km (5,5 millas) sobre el nivel del mar). Jápeto en sí tiene 1.470 km de ancho y es la undécima luna más grande del Sistema Solar.

El profesor William McKinnon y su ex estudiante de doctorado, Andrew Dombard, ahora en la Universidad de Illinois en Chicago, tuvieron esta idea.

El artículo siguiente lo desarrolla:

La Cresta de Jápeto: ¿es el resultado de muchos pequeños impactos?

Pan no es la única luna de Saturno con una cresta. Antes de que los científicos vieran la franja ecuatorial en forma de tutú de Pan, conocían la de Jápeto, la tercera luna más grande de Saturno.

Con un diámetro de 1400 kilómetros, Jápeto se parece a cualquier luna antigua, de forma casi esférica, hecha de roca y hielo, excepto por la cresta en forma de costura alrededor de su medio ligeramente abultado. A diferencia de la cresta de Pan, la cresta de Jápeto puede no recordar imágenes de pasta o delicias rellenas de carne. Pero los científicos están igualmente intrigados porque no tienen idea de cómo se formó.

Aunque la formación de la cresta de Pan es bastante sencilla ( la luna ha desviado lentamente el material del anillo de Saturno durante muchos años), la cresta de Jápeto no ofrece una historia de origen obvia.

Sin embargo, Stickle, que estudia la dinámica del impacto en todo el sistema solar, y sus colegas han ideado un escenario. Ella piensa que millones de pequeños impactos podrían explicar la cresta. 

¿Por qué Jápeto no se inclina a ser excéntrico?

El siguiente artículo aborda un aspecto problemático de la dinámica orbital de Jápeto: su inclinación es alta, a diferencia de las otras grandes lunas de Saturno, pero su excentricidad es baja. Las teorías reinantes sobre la formación de Jápeto y otros grandes satélites de Saturno predicen inicialmente una inclinación y excentricidad cero. Nesvorny y col. sugieren que las interacciones cercanas entre Saturno y un planeta gigante de hielo durante la caótica historia temprana del Sistema Solar pueden haber llevado la inclinación de Jápeto a su valor actual.

Este artículo no solo aclara un aspecto interesante de Jápeto, sino que refuerza el punto general de que las propiedades de los satélites planetarios son claves para conocer la formación y evolución de los planetas mismos.

Curiosidades

Pan, la luna de Saturno con forma de nuez

 Imágenes en bruto de la luna Pan de Saturno en ángulo, con su ecuador abultado. La cresta es material a lo largo del ecuador de Pan. Las imágenes tienen una resolución de 150 metros; Pan en sí tiene 35 kilómetros de ancho. 
Crédito
: NASA / JPL-Caltech / Space Science Institute.

¡Es un platillo volador! ¡No, una empanada celestial ! ¿O ravioles espaciales ? No, las extrañas imágenes en bruto del Laboratorio de Propulsión a Chorro de la NASA esta semana muestran a la diminuta luna Pan de Saturno y su franja ecuatorial con un detalle sin precedentes. La publicación a continuación lo presenta:

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