Un equipo de investigación de la Universidad de Northumbria en el Reino Unido utilizó el telescopio espacial James Webb (JWST) más avanzado para proporcionar una respuesta clave a un problema que ha desconcertado a la comunidad científica planetaria durante décadas: ¿Por qué la velocidad de rotación de Saturno parece "cambiar" dependiendo de diferentes métodos de medición?

La última investigación publicada en el "Journal of Geophysical Research: Space Physics" ha mapeado imágenes detalladas de la temperatura y la distribución de partículas cargadas en las auroras de Saturno por primera vez, mostrando que este fenómeno se origina a partir de un sistema de retroalimentación continuo y autosostenible impulsado por las auroras de Saturno, creando así la ilusión de "cambios en la velocidad de rotación" en los datos de observación.

El comportamiento inusual de Saturno ha desconcertado a los astrónomos durante décadas. Los datos obtenidos por los detectores representados por la nave espacial Cassini alrededor de 2004 han demostrado que el período de rotación de Saturno parece cambiar con el tiempo. Este resultado entra en conflicto con la comprensión física tradicional: la rotación general del planeta debería permanecer estable durante largas escalas de tiempo. En 2021, un estudio dirigido por Tom Stallard, profesor de astronomía planetaria en la Universidad de Northumbria, dio una pista importante: lo que realmente cambia no es la velocidad de rotación del planeta en sí, sino el campo de vientos de alta velocidad en la atmósfera superior. Estos vientos generan corrientes en la atmósfera superior, lo que a su vez afecta las señales aurorales, haciendo que la "medición de rotación" basada en ondas electromagnéticas aurorales parezca estar cambiando.

Sin embargo, esta explicación en sí misma plantea nuevas preguntas: si los vientos de gran altitud impulsan las corrientes, ¿cómo se "encenden" y se mantienen estos vientos en primer lugar?

Las últimas observaciones del JWST proporcionan una pieza faltante del rompecabezas. El equipo de Stallard se asoció con múltiples instituciones en el Reino Unido y los EE. UU. para utilizar JWST para monitorear continuamente la zona de auroras en el polo norte de Saturno, similar a la aurora boreal en la Tierra, que cubre un "día de Saturno" completo y obtuvo datos de observación con una resolución espacial y temporal sin precedentes. Los investigadores se centraron en analizar la radiación infrarroja de una molécula llamada catión trihidrógeno (H₃⁺) en la atmósfera superior de Saturno. Esta molécula es una "sonda" natural de los cambios de temperatura y puede usarse para invertir las condiciones de calentamiento atmosférico y la distribución de la densidad de las partículas.

Observaciones orbitales y terrestres anteriores han medido temperaturas con una incertidumbre de aproximadamente 50 grados Celsius, que es aproximadamente la misma que las fluctuaciones de temperatura que los investigadores están tratando de resolver, y solo se puede promediar en una amplia gama de regiones polares. Los datos del JWST mejoran esta precisión en aproximadamente un orden de magnitud, lo que permite a los científicos resolver detalladamente las estructuras locales de calentamiento y enfriamiento en la región auroral por primera vez.

Las observaciones concordaban con un modelo numérico desarrollado hace más de una década, pero sólo si la principal fuente de calor se ubicaba con precisión en la región donde las auroras se hunden en la atmósfera, donde las partículas cargadas "chocan" en la atmósfera superior a lo largo de las líneas del campo magnético. Esto muestra que la aurora de Saturno no es sólo un escenario óptico espectacular, sino también una poderosa fuente de energía local: las partículas aurorales se asientan y depositan energía dentro de un rango de altura específico, aumentando las temperaturas atmosféricas locales, impulsando así campos de viento a gran altitud. Estos vientos estimularán corrientes en el área de interfaz entre la magnetosfera del planeta y la atmósfera. Las corrientes a su vez proporcionan energía a la aurora, permitiendo que ésta mantenga y siga calentando la atmósfera durante mucho tiempo, formando un ciclo cerrado de "aurora-calentamiento-viento-corriente-aurora".

Stallard comparó vívidamente este proceso con una "bomba de calor planetaria": la aurora calienta la atmósfera, la atmósfera impulsa el viento, el viento genera corriente eléctrica y la corriente eléctrica retroalimenta la aurora, y el sistema es autosuficiente y funciona una y otra vez. Es este sistema de retroalimentación que funciona de manera estable el que hace que la "tasa de rotación" calculada en base a las señales electromagnéticas de las auroras se desvíe con el tiempo, haciendo que parezca que la rotación del propio Saturno está cambiando lentamente.

La importancia de esta investigación va más allá de explicar el misterio de la "rotación de velocidad variable" de Saturno. Los resultados muestran que existe un estrecho acoplamiento entre la atmósfera de Saturno y su magnetosfera: los procesos atmosféricos pueden expulsar corriente y energía hacia afuera, cambiando el entorno de la magnetosfera, mientras que la energía y las partículas en la magnetosfera pueden sedimentarse nuevamente, transportando energía de regreso a la atmósfera. Este mecanismo bidireccional de intercambio de energía e impulso puede ser la clave para la estabilidad a largo plazo de señales anormales como las de Saturno. También sugiere que en otros planetas con fuertes campos magnéticos y atmósferas (incluidos planetas gigantes gaseosos e incluso exoplanetas), también pueden existir procesos de vinculación entre la atmósfera y el espacio que aún no se han comprendido completamente.

Stallard dijo que este resultado cambia la forma en que entendemos las atmósferas planetarias: si el estado de la atmósfera de un planeta puede impulsar corrientes eléctricas hacia afuera, cambiando así el entorno espacial circundante, entonces al estudiar las atmósferas superiores y la estratosfera de otros planetas e incluso exoplanetas, se pueden descubrir interacciones hasta ahora inesperadas. Los resultados relevantes se publicaron en el "Journal of Geophysical Research: Space Physics" bajo el título "JWST/NIRSpec revela el mecanismo de conducción atmosférica de la velocidad de rotación variable de la magnetosfera de Saturno". La investigación fue financiada por el Consejo Británico de Instalaciones Científicas y Tecnológicas y otras instituciones.