Saturno è unico tra i pianeti osservati fino ad oggi in quanto alcune delle sue aurore sono generate da venti vorticosi all'interno della propria atmosfera, e non solo dalla magnetosfera circostante del pianeta. In tutti gli altri pianeti osservati, compresa la Terra, le aurore sono formate solo da potenti correnti che fluiscono nell'atmosfera del pianeta dalla magnetosfera circostante. Questi sono guidati dall'interazione con particelle cariche dal Sole (come sulla Terra) o materiale vulcanico eruttato da una luna in orbita attorno al pianeta (come su Giove e lo stesso Saturno).
Questa scoperta cambia la comprensione degli scienziati delle aurore planetarie e risponde a uno dei primi misteri sollevati dalla sonda Cassini della NASA, che ha raggiunto Saturno nel 2004: perché non possiamo facilmente misurare la lunghezza di un giorno sul pianeta ad anelli? Quando è arrivato per la prima volta su Saturno, Cassini ha cercato di misurare la velocità di rotazione di massa del pianeta, che determina la lunghezza della sua giornata, tracciando gli "impulsi" di emissione radio dall'atmosfera di Saturno.
Con grande sorpresa di coloro che hanno effettuato le misurazioni, hanno scoperto che il tasso sembrava essere cambiato nel corso dei due decenni dall'ultimo veicolo spaziale ad aver sorvolato il pianeta nel 1981, Voyager 2, anch'esso gestito dalla NASA. "La velocità di rotazione interna di Saturno deve essere costante, ma per decenni i ricercatori hanno dimostrato che numerose proprietà periodiche relative al pianeta, le stesse misurazioni che abbiamo usato su altri pianeti per capire la velocità di rotazione interna, come l'emissione radio, tendono a cambiare nel tempo.
Inoltre, ci sono anche caratteristiche periodiche indipendenti viste negli emisferi settentrionale e meridionale che a loro volta variano nel corso di una stagione sul pianeta" ha spiegato il ricercatore di Leicester Nahid Chowdhury che è membro del Planetary Science Group all'interno della School of Physics and Astronomy e autore corrispondente per lo studio, pubblicato su Geophysical Research Letters.
"La nostra comprensione della fisica degli interni planetari ci dice che il vero tasso di rotazione del pianeta non può cambiare così rapidamente, quindi qualcosa di unico e strano deve accadere a Saturno. Diverse teorie sono state propagandate dall'avvento della missione Cassini della NASA cercando di spiegare il meccanismi dietro queste periodicità. Questo studio rappresenta la prima rilevazione del driver fondamentale, situato nell'atmosfera superiore del pianeta, che continua a generare sia le periodicità planetarie osservate che le aurore" ha dichiarato Nahid Chowdhury.
"È assolutamente emozionante essere in grado di fornire una risposta a una delle domande più longeve nel nostro campo. È probabile che questo avvii qualche ripensamento su come gli effetti atmosferici locali su un pianeta influenzino la creazione di aurore, non solo nel nostro Sistema Solare ma anche più lontano".
Gli astronomi e gli scienziati planetari con sede presso l'Università di Leicester hanno condotto lo studio insieme ai colleghi del Jet Propulsion Laboratory (JPL) della NASA, della Japan Aerospace Exploration Agency (JAXA) e delle Università di Wisconsin-Madison, Boston e Lancaster, oltre all'Imperial and University Colleges di Londra, per risolvere la questione vecchia di decenni.
Hanno misurato le emissioni infrarosse dall'atmosfera superiore del gigante gassoso utilizzando l'Osservatorio Keck alle Hawaii e mappato i flussi variabili della ionosfera di Saturno, molto al di sotto della magnetosfera, nel corso di un mese nel 2017.
Questa mappa, quando fissata contro l'impulso noto delle aurore radio di Saturno, ha mostrato che una parte significativa delle aurore del pianeta sono generate dal modello vorticoso del tempo nella sua atmosfera e sono responsabili del tasso variabile di rotazione osservato dal pianeta.
I ricercatori ritengono che il sistema sia guidato dall'energia della termosfera di Saturno, con venti nella ionosfera osservati tra 0,3 e 3,0 chilometri al secondo.
Tom Stallard, professore associato di astronomia planetaria presso l'Università di Leicester, ha aggiunto che "l'Università di Leicester è stata a lungo coinvolta nella misurazione degli effetti di questa nuova scoperta: abbiamo osservato come le aurore pulsanti e le linee di campo magnetico oscillanti che si estendono nello spazio, evidenziano una velocità di rotazione apparentemente mutevole. Per due decenni i nostri ricercatori, insieme alla più ampia comunità scientifica, hanno speculato su ciò che potrebbe guidare queste strane periodicità".
"Nel corso degli anni, le riunioni scientifiche hanno avuto discussioni a tarda notte sul fatto che la luna vulcanica Encelado potesse esserne la causa, o interazioni con la spessa atmosfera della luna Titano, o forse interazioni con gli anelli luminosi di Saturno. Ma recentemente, molti ricercatori si sono concentrati sulla possibilità che sia l'atmosfera superiore di Saturno a causare questa variabilità".
"Questa ricerca di un nuovo tipo di aurora si rifà ad alcune delle prime teorie sull'aurora terrestre. Ora sappiamo che le aurore sulla Terra sono alimentate dalle interazioni con il flusso di particelle cariche guidate dal Sole. Ma mi piace che il nome Aurora Boreale derivi dall'"Alba del Vento del Nord". Queste osservazioni hanno rivelato che Saturno ha una vera aurora boreale, la prima aurora mai guidata dai venti nell'atmosfera di un pianeta" ha spiegato Tom Stallard.
Il dottor Kevin Baines, co-autore dello studio con sede al JPL-Caltech e membro del Cassini Science Team, ha aggiunto: "Il nostro studio, determinando in modo conclusivo l'origine della misteriosa variabilità negli impulsi radio, elimina gran parte della confusione nella velocità di rotazione di massa di Saturno e nella lunghezza del giorno su Saturno".
A causa delle velocità di rotazione variabili osservate su Saturno, agli scienziati è stato impedito di utilizzare l'impulso regolare dell'emissione radio per calcolare la velocità di rotazione interna di massa. Fortunatamente, un nuovo metodo è stato sviluppato dagli scienziati di Cassini utilizzando perturbazioni indotte dalla gravità nel complesso sistema di anelli di Saturno, che ora sembra essere il mezzo più accurato per misurare il periodo di rotazione di massa del pianeta, che è stato determinato nel 2019 in 10 ore, 33 minuti e 38 secondi.