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¿Cómo se mide cuánto dura un día en Saturno si el planeta no tiene suelo?

Categoría: Espacio y astronomía

Dos sondas espaciales midieron el día de Saturno usando el mismo tipo de ondas de radio y obtuvieron resultados distintos: unas 10 horas y 39 minutos con la sonda Voyager, y 10 horas y 47 minutos con la Cassini[1]. Casi ocho minutos de diferencia en algo tan básico como la duración de un día. Saturno es una enorme bola de gas, sin suelo ni montañas que sirvan de punto de referencia, así que hubo que buscar otras formas de medirlo. Hoy varios métodos independientes apuntan a unas 10 horas y 33 minutos. Aquí verás cómo se llegó a ese valor, y por qué todavía no se puede dar un número exacto.

1. En un planeta de gas no hay suelo que seguir: ¿qué se usó como reloj?

En la Tierra, o en Marte, se podría medir la rotación siguiendo un punto del suelo, como una montaña o un cráter, hasta que vuelva al mismo lugar. Saturno es un planeta gaseoso y no tiene nada parecido. Por eso se buscó una señal que se repitiera con el giro del planeta, y la candidata fueron las ondas de radio.

Saturno emite ondas de radio muy intensas cerca de sus polos, llamadas radiación quilométrica de Saturno (SKR, por sus siglas en inglés). La emisión se hace más fuerte y más débil de forma periódica. La idea era sencilla: si esas ondas están ligadas al campo magnético del planeta y el campo gira junto con el interior, el ritmo de la señal sería el ritmo de la rotación. En 1981, a partir de los datos de la sonda Voyager 1, se calculó un periodo de 10 h 39 min 24 s (con un margen de ±7 s), y más tarde se adoptó el valor de 10 h 39 min 22,4 s como periodo de rotación interna de Saturno[2].

Había una complicación. Según los autores de un estudio posterior, el eje del campo magnético de Saturno apunta en la misma dirección que su eje de rotación[1]. Cuando el campo está alineado así, no hay una «antena» inclinada que dé una vuelta completa y marque el compás, y medir la rotación con él resulta mucho más difícil. La pregunta de este artículo es entonces si ese reloj de radio marcaba realmente el giro del interior de Saturno. La respuesta corta es que no del todo, y a continuación se explica por qué.

2. ¿Por qué el reloj de radio de Saturno se retrasaba y se adelantaba?

Cuando la sonda Cassini llegó a Saturno y volvió a medir la señal de radio, obtuvo un periodo de 10 h 47 min 6 s. Además, ese valor cambiaba de una medición a otra[1]. La diferencia con el valor de la Voyager es de 7 min 44 s, es decir, alrededor de un 1,2 % (es un cálculo propio con las dos cifras citadas).

Más datos mostraron que el problema no era un error aislado. Un estudio de 2014 explica que la señal de radio de Saturno tenía dos periodos distintos durante los primeros cinco años de la misión Cassini, y se atribuyeron a las emisiones de los hemisferios norte y sur. Esos periodos cambiaban con el tiempo[2]. Un equipo europeo que analizó varios años de datos de Cassini encontró que el «reloj» fluctuaba entre un 1 % y un 2 % a lo largo de semanas o meses, y que la causa probable era la variación de la velocidad del viento solar cerca de Saturno[3]. Es decir, el ritmo de la señal dependía en parte de lo que ocurría fuera del planeta, no solo de cómo giraba su interior.

Parece lógico (es una deducción de este artículo) que un planeta tan enorme no cambie su giro interior en cuestión de semanas, así que una señal tan variable no puede ser un buen reloj para el planeta entero. Los autores del estudio de 2015 llegaron a una conclusión parecida: el periodo de radio no sirve para determinar la rotación del conjunto del planeta[1]. Entonces hacía falta un método que no dependiera de la radio.

3. Primer método nuevo: calcular el día a partir de la forma y la gravedad de Saturno

Un planeta que gira rápido se ensancha por el ecuador, igual que una masa de pizza se aplana y se estira al hacerla girar en el aire. Cuanto más deprisa gira, más abultado queda. Además, la forma del planeta se refleja en su campo gravitatorio, que las sondas pueden medir al pasar cerca.

Un equipo liderado por Ravit Helled usó justo esa combinación: el campo gravitatorio medido y los límites de la forma observada y de las distintas maneras posibles de repartir la materia (la densidad) dentro de Saturno. El resultado, publicado en la revista Nature en 2015, fue un periodo de 10 h 32 min 45 s con una incertidumbre de ±46 s[1]. Para comprobar que el método funcionaba, lo aplicaron también a Júpiter y recuperaron correctamente su periodo, que ya se conocía bien[1].

Ese valor es unos 6 min 37 s más corto que el de la Voyager (también un cálculo propio con las cifras citadas), una diferencia mucho mayor que la incertidumbre de ±46 s. Pero conviene no pasarse de optimista: el método necesita suponer qué formas y densidades son posibles dentro de Saturno, así que no es un resultado «sin ninguna hipótesis». De hecho, el propio resumen indica que solo con la gravedad la precisión es de varios minutos[1]. Por eso fue importante que apareciera un segundo método, totalmente distinto.

4. Segundo método: los anillos de Saturno como sismógrafo

Un sismógrafo registra las vibraciones de la Tierra durante un terremoto. Saturno también vibra por dentro, y sus anillos pueden «anotar» esas vibraciones. Una forma sencilla de imaginarlo, y es solo una imagen, no una descripción exacta, es pensar que las vibraciones del interior cambian muy poco la gravedad a su alrededor, y las partículas de los anillos responden con ondas en ciertos lugares del anillo.

Un equipo liderado por Christopher Mankovich estudió más de veinte ondas del llamado anillo C, detectadas con la sonda Cassini. Las asociaron con las formas principales en que vibra el planeta (sus modos fundamentales de vibración) y, a partir de la velocidad de esas ondas y del número de brazos que tienen, estimaron el periodo de rotación del interior: 10 h 33 min 38 s, con un margen que va de unos −1 min 19 s a +1 min 52 s (valores del 5 % y el 95 %)[4]. El resumen señala que es «significativamente más rápido» que los periodos de radio de las sondas Voyager y Cassini[4].

Dos precisiones: los anillos no muestran por sí mismos la rotación, sino las vibraciones del interior, que luego se comparan con modelos del planeta. Y el margen es de varios minutos en total, así que el resultado no permite dar los segundos con seguridad.

5. Los métodos coinciden en unas 10 h 33 min, pero ¿está ya resuelto?

El método de la gravedad dio 10 h 32 min 45 s ± 46 s, y el de los anillos, 10 h 33 min 38 s (con el margen indicado). Los dos márgenes de error se solapan, y eso es notable porque los métodos no se parecen en nada. Una revisión publicada en 2023 sobre el interior de Saturno, tras el final de la misión Cassini, resume que, a profundidad suficiente, varias investigaciones distintas apuntan ahora a una rotación profunda de 10 horas y 33 minutos[5].

La revisión añade un detalle que explica una parte de la diferencia restante: la rotación diferencial, es decir, que no todo el planeta gira a la misma velocidad. Los modelos que reproducen el campo gravitatorio indican que ese tipo de rotación, visible en la atmósfera, se extiende hasta una profundidad de al menos 10 000 km, alrededor de un sexto del radio del planeta[5]. Por eso el número final depende de cómo se trate esa capa exterior.

Así que la respuesta a la pregunta del título tiene dos partes. Se mide con métodos indirectos, y no con un solo reloj. Y el valor más sólido hoy, unas 10 h 33 min, es el de la rotación profunda, no el de la señal de radio. Si miras la ficha de datos de algún libro o sitio web con 10 h 39 min, probablemente use el valor antiguo de la época de la Voyager. Aun así, la cifra final sigue siendo objeto de estudio.

6. Comprueba tú mismo por qué un solo reloj puede dar valores distintos

Coloca una pegatina en el borde de un plato de papel y hazlo girar despacio con la mano. Con un cronómetro, mide cinco veces lo que tarda en dar una vuelta. Después mide cinco vueltas seguidas y divide el tiempo entre cinco. Compara cuánto varían los valores sueltos con el resultado del conjunto. Los dos métodos miden lo mismo, pero uno de ellos tiene menos «ruido». Ojo con los dedos en el borde del plato. Es un experimento sobre medir, no una réplica de lo que ocurre en Saturno.

Si tienes ocasión, ve a un observatorio o a un museo de ciencia y mira los anillos de Saturno con un telescopio. Y si quieres leer el original, los resúmenes de los artículos de Helled, Mankovich y la revisión de 2023 están abiertos en la web arXiv, y se leen sin entender cada ecuación. Fíjate en qué datos usa cada uno y qué supone para obtener su número.

Fuentes

  1. R. Helled, E. Galanti y Y. Kaspi, «Saturn's fast spin determined from its gravitational field and oblateness», Nature (2015), arXiv:1504.02561. https://arxiv.org/abs/1504.02561 (Solo se ha leído el resumen: eje magnético alineado con el de rotación, 10 h 39 min 22,4 s con la Voyager, 10 h 47 min 6 s con la Cassini, el valor de 10 h 32 min 45 s ± 46 s y la comprobación con Júpiter. Las diferencias de 7 min 44 s, 1,2 % y 6 min 37 s son cálculos propios.)
  2. Estudio sobre los periodos de la radiación quilométrica de Saturno, Annales Geophysicae 32, 1463 (2014). https://angeo.copernicus.org/articles/32/1463/2014/angeo-32-1463-2014.xml (Se han leído el resumen y el inicio de la introducción: los valores de 1981 y de 10 h 39 min 22,4 s, y los dos periodos norte y sur. No se ha leído el texto completo.)
  3. Agencia Espacial Europea (ESA), «Saturn's radio rotation». https://www.esa.int/ESA_Multimedia/Images/2007/12/Saturn_s_radio_rotation (Pie de imagen breve, leído completo: fluctuaciones de 1 a 2 % en semanas o meses y viento solar como causa probable.)
  4. C. Mankovich, M. S. Marley, J. J. Fortney y N. Movshovitz, «Cassini Ring Seismology as a Probe of Saturn's Interior I: Rigid Rotation», The Astrophysical Journal (2019), arXiv:1805.10286. https://arxiv.org/abs/1805.10286 (Solo se ha leído el resumen: más de veinte ondas del anillo C, 10 h 33 min 38 s con el margen indicado.)
  5. J. J. Fortney y otros, «Saturn's Interior After the Cassini Grand Finale», revisión invitada para «Saturn: The Grand Finale» (Cambridge University Press), arXiv:2304.09215. https://arxiv.org/abs/2304.09215 (Solo se ha leído el resumen: rotación profunda de 10 h 33 min y rotación diferencial hasta al menos 10 000 km.)