Un nuevo modelo explica la situación de las pequeñas lunas de Saturno

Un equipo de investigadores ha desarrollado un modelo para seguir la expansión de los anillos de Saturno y otro para ver la evolución de las órbitas de sus satélites. La unión de los dos modelos consigue explicar la formación de las más jóvenes y pequeñas lunas de Saturno, algo que hasta ahora no estaba al alcance de la capacidad de cálculo de los ordenadores.

Epimeteo, una de las lunas de Saturno.

Los científicos consideran que las principales lunas que orbitan los planetas gigantes se formaron cuando lo hicieron sus planetas, hace unos 4.500 millones de años. A pesar de ello, algunas de las pequeñas lunas de Saturno son demasiado jóvenes (menos de 10 millones de años) para que sea su caso.

Una posibilidad es que las lunas se formaran en el borde de los anillos de Saturno, donde se acumulan agregados de partículas de hielo junto a restos rocosos y de polvo. Pero hasta ahora el poder de computación de los ordenadores era insuficiente y ha hecho imposible modelar cómo podría haber ocurrido este proceso.

Esta semana un equipo de investigadores, liderados por Sébastien Charnoz de la Universidad París Diderot-CNRS (Francia), proponen en Nature un modelo hidrodinámico (unidimensional) para seguir la evolución de los anillos, y otro orbital (analítico) para rastrear el nacimiento de las pequeñas lunas y evaluar cómo su formación se ve afectada por los anillos y por Saturno en sí mismo.

"Estamos familiarizados con las simulaciones por ordenador en 3D, y los modelos que tenemos son muy precisos en periodos cortos de tiempo (se puede simular la evolución de las galaxias con pocas órbitas, o los anillos de Saturno para 1 o 2 órbitas), pero no se puede simular la evolución en escalas de tiempo largas debido a las limitaciones de los ordenadores, incluso con los más caros", explica Sébastien Charnoz a SINC.

"Con los satélites de Saturno necesitamos calcular la evolución de cerca de un billón de órbitas, y los mejores equipos sólo pueden abordar unas 100 como mucho, así que la idea era dividir el problema en dos más simples, tratando cada uno con un programa especial (modelo hidrodinámico para la difusión de los anillos y programa para ver la evolución orbital de satélites), y acoplarlos en un modelo único", aclara el investigador.

En cada punto de tiempo los anillos 'dicen' a los satélites cómo se propagan, y los satélites, a su vez, 'dicen' al anillo donde están. El resultado es una simple descripción del problema, pero que puede usarse en miles de millones de órbitas.

A través de esta simulación híbrida, el grupo muestra cómo la "propagación viscosa" de los anillos de Saturno más allá del límite de Roche (la distancia del planeta a partir de la cual los anillos llegan a ser gravitacionalmente inestables) podría haber dado lugar a las pequeñas lunas.

Sébastien Charnoz explica en qué consiste la propagación viscosa: "En astrofísica los discos son como 'crepes' que de forma natural tienden a propagarse hacia el exterior. Es el caso de las galaxias, el disco alrededor de un agujero negro, los discos gaseosos que rodean las estrellas... o los anillos de Saturno. Esto se debe a las colisiones que se producen entre las partículas dentro del disco, que tienden a ir en todas direcciones. El resultado es una expansión del sistema, como lo hace una mancha de petróleo, por ejemplo".

El modelo logra reproducir la distribución de las masas de las pequeñas lunas y la arquitectura orbital. El confinamiento actual de los anillos principales y la existencia del denominado "anillo F" de polvo parece ser consecuencia directa de la suma de la evolución viscosa y la formación de satélites.

Los anillos de Saturno, como un mini disco protoplanetario, puede ser el último lugar donde se produjo acreción activa en el Sistema Solar, hace entre un millón y diez millones de años.

"Nuestro modelo es muy adecuado para calcular cualquier disco 'astrofísico' en la interacción con un cuerpo. Esto incluye (al menos) los anillos y discos protoplanetarios, y también el disco protolunar (el disco que originó a la Luna)", comenta Charnoz.

Los investigadores planean adaptar el código desarrollado en discos protoplanetarios para calcular la evolución paralela de estos discos bajo la acción de los planetas jóvenes.

"Otra posibilidad muy interesante es computar la formación de la Luna de los discos protolunares. Las primeras pruebas han demostrado que nuestro modelo reproduce la acreción de los discos de la luna protolunar en unos 5 minutos de tiempo de computadora", apunta el científico.

"Queremos calcular la composición química de la proto-Luna mientras se estaba formando. Este es un problema sin resolver desde hace tiempo en astronomía ya que aún no se comprende plenamente porqué parece tener la misma composición de oxígeno que la Tierra y al mismo tiempo, tan poca agua y tan poco hierro".

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