NASA Cassini: i segreti dei 101 geyser di Encelado

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Credit: NASA/JPL-Caltech/Space Science Institute

Sembra un numero incredibile ma analizzando i dati rilevati dalla sonda della NASA Cassini, gli scienziati hanno contato oltre 101 geyser attivi sulla luna di Saturno Encelado.

L'esistenza di un oceano sotterraneo era stata a lungo ipotizzata e confermata lo scorso aprile ma i getti sono sempre stati considerati un ulteriore elemento intrigante, una possibile prova che l'acqua liquida del mare fosse in grado di risalire in superficie.

In un periodo di circa 7 anni, sui 10 di missione compiuti lo scorso 30 giugno, le telecamere della Cassini hanno esaminato il polo sud della luna, caratterizzato da quattro fratture chiamate "tiger stripes" ("graffi di tigre") e geyser di minuscole particelle di ghiaccio e vapore acqueo.

Una mappatura della regione ha permesso di contare oltre 101 geyser provenienti da queste fratture, ciascuno coincidente con piccoli punti caldi.

Dopo il primo avvistamento dei geyser nel 2005, gli scienziati hanno sospettato che, le ripetute flessioni di Encelado dovute agli effetti gravitazionali di Saturno esercitati quando la luna orbita intorno al pianeta, avessero qualcosa a che fare con tale comportamento.

Tra le ipotesi, si sospettava che lo sfregamento avanti ed indietro delle pareti opposte delle fratture, generasse calore per attrito, sciogliendo il ghiaccio e formando vapore e liquidi; oppure, l'apertura e la chiusura delle fratture consentiva al vapore acqueo di raggiungere la superficie.
In pratica, però, prima di questo nuovo studio, pubblicato sulla rivista Astronomical Journal, non era chiaro quale fosse il meccanismo principale, né era certo che ogni eccesso di calore emesso da Encelado fosse correlato all'attività dei geyser.

Per determinare le posizioni dei geyser sulla superficie della luna, i ricercatori hanno impiegato lo stesso processo di triangolazione utilizzato per rilevare le caratteristiche geologiche sulla Terra, come le montagne.
Tale tecnica permette di calcolare le distanze fra punti sfruttando le proprietà dei triangoli ed in topografia consiste nel collegare idealmente una serie di punti nel terreno formando una rete di triangoli adiacenti, per determinare le coordinate planimetriche.

Enceladus - in memory of 2010 flyby
Credit: NASA/JPL/Space Science Institute - Processing: 2di7 & titanio44

Ma stato solo sovrapponendo i dati, che sono emerse incredibili corrispondenze: tra la posizione dei geyser e la mappa termica a bassa risoluzione e tra la mappa dei geyser e quella delle forze di marea.

Tuttavia, pur avendo scovato questi rapporti c'era ancora da capire quale fosse il punto di partenza del meccanismo.

Enceladus 2011 gen 31
Credit: NASA/JPL/Space Science Institute - Processing: 2di7 & titanio44

La risposta al quesito è arrivata dall'analisi dei dati sul calore ad alta risoluzione raccolti dalla Cassini nel 2010.
Lo studio ha evidenziato che ciascun geyser coincide con piccoli punti caldi, aventi un diametro di solo poche decine di metri, troppo piccoli per essere il prodotto di riscaldamento per attrito ma della dimensione giusta per essere il risultato della condensazione del vapore sulla superficie in prossimità delle fratture.

Dunque, sarebbero proprio i punti caldi la prima firma del processo.

"Una volta che abbiamo avuto questi risultati in mano, abbiamo capito subito che il calore non era la causa dei geyser, ma viceversa", ha detto Carolyn Porco, leader del team di imaging della Cassini presso lo Space Science Institute di Boulder, Colorado, autore principale del primo articolo. "Tali dati ci hanno anche detto che i geyser non sono un fenomeno in prossimità della superficie ma hanno radici molto più profonde".

HOW THE GEYSERS, TIDAL STRESSES, AND THERMAL EMISSION ACROSS THE SOUTH POLAR TERRAIN OF ENCELADUS ARE RELATED [abstract]

We present the first comprehensive examination of the geysering, tidal stresses, and anomalous thermal emission across the south pole of Enceladus and discuss the implications for the moon's thermal history and interior structure. A 6.5 yr survey of the moon's south polar terrain (SPT) by the Cassini imaging experiment has located ~100 jets or geysers erupting from four prominent fractures crossing the region. Comparing these results with predictions of diurnally varying tidal stresses and with Cassini low resolution thermal maps shows that all three phenomena are spatially correlated. The coincidence of individual jets with very small (~10 m) hot spots detected in high resolution Cassini VIMS data strongly suggests that the heat accompanying the geysers is not produced by shearing in the upper brittle layer but rather is transported, in the form of latent heat, from a sub-ice-shell sea of liquid water, with vapor condensing on the near-surface walls of the fractures. Normal stresses modulate the geysering activity, as shown in the accompanying paper; we demonstrate here they are capable of opening water-filled cracks all the way down to the sea. If Enceladus' eccentricity and heat production are in steady state today, the currently erupting material and anomalous heat must have been produced in an earlier epoch. If regional tidal heating is occurring today, it may be responsible for some of the erupting water and heat. Future Cassini observations may settle the question.

Un studio complementare è stato pubblicato da Francis Nimmo, professore del Dipartimento di Scienze della Terra e Planetarie dell'Università della California a Santa Cruz:

TIDALLY MODULATED ERUPTIONS ON ENCELADUS: CASSINI ISS OBSERVATIONS AND MODELS [abstract]

We use images acquired by the Cassini Imaging Science Subsystem (ISS) to investigate the temporal variation of the brightness and height of the south polar plume of Enceladus. The plume's brightness peaks around the moon's apoapse, but with no systematic variation in scale height with either plume brightness or Enceladus' orbital position. We compare our results, both alone and supplemented with Cassini near-infrared observations, with predictions obtained from models in which tidal stresses are the principal control of the eruptive behavior. There are three main ways of explaining the observations: (1) the activity is controlled by right-lateral strike slip motion; (2) the activity is driven by eccentricity tides with an apparent time delay of about 5 hr; (3) the activity is driven by eccentricity tides plus a 1:1 physical libration with an amplitude of about 0.8 (3.5 km). The second hypothesis might imply either a delayed eruptive response, or a dissipative, viscoelastic interior. The third hypothesis requires a libration amplitude an order of magnitude larger than predicted for a solid Enceladus. While we cannot currently exclude any of these hypotheses, the third, which is plausible for an Enceladus with a subsurface ocean, is testable by using repeat imaging of the moon's surface. A dissipative interior suggests that a regional background heat source should be detectable. The lack of a systematic variation in plume scale height, despite the large variations in plume brightness, is plausibly the result of supersonic flow; the details of the eruption process are yet to be understood.

Grazie alle recenti analisi sui dati di gravità di Encelado rilevati dalla Cassini, gli scienziati hanno concluso che l'unica fonte plausibile del materiale rilasciato nei geyser è proprio l'oceano sotterraneo della luna.
Le tiger stripes, se riempite di acqua liquida, potrebbero rimanere aperte dal guscio ghiacciato fino al mare profondo, formando dei veri e propri percorsi.

Un secondo documento, sempre pubblicato sulla rivista Astronomical Journal, ha studiato la luminosità dei gheyser a seconda della posizione della luna durante la sua orbita.

In base alle simulazioni, la luminosità cambierebbe a seconda di come le forze di marea modellano l'apertura e la chiusura delle fratture ma, a quanto pare, non riusciamo ancora a prevedere il momento in cui il pennacchio inizia ad illuminarsi. Dietro tale meccanismo devono esserci altri elementi che ancora da scoprire.