Ondas en los anillos de Saturno revelan que el planeta tiene un núcleo gigante y difuso

En lo más recóndito del sistema solar, se ha revelado un secreto inesperado: Saturno tiene un núcleo gigantesco que abarca el 60% por ciento del diámetro del planeta. Según mediciones recientes de las ondas en los anillos de Saturno, el núcleo sería una mezcla de hielo, roca y gases que forma una masa densa e irregular.

"Es enorme", expresa Chris Mankovich del Instituto de Tecnología de California, uno de los autores de un nuevo estudio que describe el núcleo de Saturno en la revista Nature Astronomy. "Definitivamente no esperábamos encontrar algo así".

Al conocer estas características, los científicos ahora están repensando cómo pudo haberse formado el planeta anillado y cómo genera su campo magnético increíblemente estable. "Es más complejo de lo que pensamos", comenta Sabine Stanley de la Universidad Johns Hopkins, que no formó parte del nuevo estudio.

Para estudiar el interior de Saturno, los científicos se concentraron en los anillos del planeta, que actúan como un sismógrafo y registran las vibraciones y pulsaciones internas del gigante gaseoso. Luego de decodificar ondas sutiles en los anillos, descubrieron que el núcleo de Saturno contiene material que equivale a 17 veces la masa de la Tierra, y que no se trata de una mezcla de roca y hierro compacta y uniforme como se esperaba.

"Es muy difícil aprender algo más sobre las partes más internas de un planeta, especialmente si se trata de un planeta gigante. Cualquier dato que podamos obtener amplía nuestro conocimiento previo".

Ahora los científicos tienen que descubrir cómo es posible que planetas gigantes como Saturno puedan desarrollarse teniendo núcleos tan grandes y difusos. Y para complicar las cosas, estas nuevas características del interior de Saturno exigen una nueva explicación acerca de cómo funciona el enigmático campo magnético del planeta.

"Este nuevo hallazgo enigmático se condice con las observaciones del campo magnético de Saturno, un campo magnético muy extraño por varias razones", dice Mankovich. "Tenemos una imagen que no es para nada típica de la estructura interior del planeta".

Un portal al interior del planeta

Lo más conocido de Saturno quizás sean sus anillos brillantes, que orbitan alrededor del planeta y de lejos parecen estructuras sólidas. En realidad, estos anillos están formados por incontables fragmentos de hielo (algunos grandes como una casa, otros más pequeños que guijarros), que se pueden empujar, atraer y esculpir a través de interacciones gravitacionales con el planeta y sus satélites. Algunas de esos satélites ahuecan los anillos, mientras que otros suavizan y emparejan los bordes.

Los anillos también registran el funcionamiento interno de Saturno. Normalmente, los científicos se basan en las fluctuaciones en el campo gravitacional de un planeta para observar el interior, pero esa técnica no sirve para llegar a zonas recónditas de un gigante gaseoso como Saturno. Los anillos, sin embargo, sí constituyen una ventana al interior más insondable del planeta.

A principios de la década de 1990, el científico planetario Mark Marley consideró que los movimientos en el interior de Saturno podrían originar ondas observables en el anillo C del planeta, un anillo ancho pero débil y cercano al planeta. Con las vibraciones internas, el planeta produce ondulaciones. Esas oscilaciones interactúan con las partículas de los anillos y trazan lo que se conoce como ondas de densidad espiral, u ondulaciones dentro del anillo C.

Todas estas hipótesis "resultaron ser 100 por ciento correctas", dice Mankovich. Pero se necesitarían más de dos décadas y una misión espacial multimillonaria para confirmarlas.

En 2013, los científicos que estudiaron los datos de la nave espacial Cassini de la NASA, que orbitó Saturno de 2004 a 2017, leyeron las primeras firmas sísmicas en los anillos y las usaron para observar el interior del planeta. El equipo acuñó el término "kronoseismología" para describir este nuevo campo de estudio, y lograron relacionar la mayoría de las ondas observadas con movimientos en el interior del planeta. En 2019, basándose en la kronoseismología, los científicos determinaron que Saturno gira una vez cada 10 horas y 33 minutos. 

“Esta no es un área para impacientes”, bromea Marley, quien hoy trabaja en la Universidad de Arizona y fue revisor del nuevo estudio. "Pero ahora sabemos que tenemos esas ondas, cerca de dos docenas, y más o menos donde predijimos".

Sin embargo, también existe al menos una onda enigmática que Marley no predijo, y es la que Mankovich y Jim Fuller, también de Caltech, solían mirar para ir directamente al núcleo de Saturno.

“Muestran de manera muy convincente que solo se puede explicar esta onda adicional, junto con todas las demás, si Saturno posee un núcleo difuso y gradual”, dice Marley. "Esta onda en particular es muy sensible a las profundidades del planeta".

El enorme corazón de Saturno

En base a esas ondas del anillo, Mankovich y Fuller descubrieron que Saturno tiene un núcleo enorme que ocupa la mayor parte del planeta. Y a diferencia de lo que se creía, el núcleo del planeta es una mezcla difusa y espesa de hidrógeno, helio, hielo y roca, y no una masa compacta de hierro rocoso. Si cortaras a Saturno por la mitad, no verías capas diferenciadas como las que se encuentran dentro de las cebollas, los caramelos o el planeta Tierra. Más bien, el núcleo tiene un límite difuso, y a más profundidad, más denso se vuelve el material.

A las temperaturas y presiones extremas que existen en el núcleo de Saturno, los gases se comportan más bien como fluidos metálicos, y en conjunto, la mezcla de material enigmática es difícil de replicar en los laboratorios. Mankovich dice que cuando vieron (con Fuller) lo extraña que era la imagen de Saturno, trataron de encontrar otra razón que justificara la firma sísmica en los anillos.

"Estábamos sorprendidos pero la imagen del núcleo de Saturno en el nuevo estudio realmente parecía ser lo que los datos apuntaban", dice.

Si bien resultó inesperado, el modelo del núcleo de Saturno encaja muy bien con la enorme cantidad de datos gravitatorios que los científicos han recopilado de Saturno. También se hace eco de los hallazgos de la nave espacial Juno de la NASA, que sugieren que el núcleo de Júpiter podría ser una mezcla de ingredientes igualmente difusa.

Júpiter, sin embargo, no tiene un sistema de anillos densos para llevar un registro de los movimientos internos. “Necesitamos hacer explotar uno de los pequeños satélites de Júpiter para crear un anillo que registre los pulsos del núcleo de Júpiter”, bromea Marley.

Muchos misterios por resolver

Típicamente, se dice que un planeta gaseoso se origina a partir de pequeños fragmentos de material que se van acumulando y el protoplaneta va creciendo en tamaño hasta que la gravedad atrae a todos los gases circundantes. Pero no está claro si así puede crearse un núcleo como el que observaron Mankovich y Fuller.

Es posible que el núcleo de Saturno haya evolucionado y cambiado a lo largo de sus 4.500 millones de años de vida, y quizás se ha ido disolviendo lentamente en hidrógeno metálico líquido o modificándose por otros procesos desconocidos. “La verdad es que no lo sabemos todavía”, dice Mankovich.

Además, Mankovich y Fuller dedujeron que el núcleo no es convectivo, esto quiere decir que no transporta el calor como se esperaba, algo que podría explicar por qué Saturno brilla tanto en infrarrojo. “El brillo de Júpiter es esperable, después de 4.500 millones de años, pero el de Saturno es muy sorprendente”, dice Marley. "Como este núcleo no requiere convección, ralentiza el enfriamiento y es más brillante de lo que debería ser".

Pero con un núcleo no convectivo es más difícil entender el campo magnético del planeta. Normalmente, los campos magnéticos planetarios se generan por una dínamo, una capa convectiva giratoria de fluido conductor de electricidad en las profundidades del núcleo de un planeta. Pero eso no es posible en el caso de Saturno, donde el 60 por ciento del planeta es no convectivo, según el nuevo estudio. Y ahora los científicos se preguntan si habría una fina capa de hidrógeno metálico líquido agitándose en el interior del núcleo, o quizás fuera de él.

Pero ni siquiera esas ideas pueden explicar del todo el campo magnético extrañamente simétrico de Saturno, muy distinto a los campos irregulares y oblicuos de la Tierra y Júpiter. Una posibilidad es que exista una capa de lluvia de helio que suavice las líneas del campo magnético antes de que lleguen a la superficie del planeta, pero los investigadores no tienen una buena explicación de cómo el núcleo gigante podría afectar este proceso.

“Es muy difícil que pase eso con los campos magnéticos, y menos con una dínamo, y, así y todo, tenemos un planeta gigante que se comporta así”, dice Stanley, quien está trabajando con Mankovich y Fuller para desenredar el rompecabezas magnético. "Por estas cosas la ciencia es tan divertida".

Para responder a estas preguntas sobre Saturno, será necesario estudiar a fondo la gran cantidad de información recopilada por la nave espacial Cassini, realizar simulaciones minuciosas de los núcleos planetarios y elaborar experimentos con telescopios terrestres. En el futuro, estos métodos también podrían servir para examinar los anillos de otros planetas como Urano y Neptuno y descubrir posibles secretos en sus partículas heladas.

"Hay varios misterios en torno a esos anillos, así que estamos viendo si encontramos lo mismo".