Saturno

È il pianeta più distante conosciuto dagli antichi, il sesto in ordine di distanza dal Sole, il secondo per dimensioni del Sistema Solare e il più facilmente riconoscibile al telescopio per l'esteso e luminoso sistema di anelli che lo circonda. Come Giove, ha un'atmosfera formata da nubi che avvolge una struttura interna di idrogeno liquido ed elio. La sua famiglia di satelliti è la più numerosa, ben 82 lune. Tra queste, Titano è la maggiore ed anche l'unica luna del sistema solare ad avere un'atmosfera significativa.
Con un raggio medio 9,5 volte quello della Terra e una massa 95 volte superiore a quella terrestre Saturno, con Giove, Urano e Nettuno, è classificato come gigante gassoso. Saturno è schiacciato ai poli, con i suoi diametri equatoriale e polare (120.536 km e 108.728 km rispettivamente) che differiscono di quasi il 10%, per la sua rapida rotazione e la sua composizione, con la densità più bassa del sistema solare, facile a deformarsi.
Il nome deriva dall'omonimo dio della mitologia romana, corrispondente al titano greco Crono, dio dell'agricoltura e dello scorrere del tempo.
Saturno è noto anche ai non addetti per il complesso e ben visibile sistema di anelli che consistono principalmente in particelle di ghiaccio e polveri di silicati.
Il primo astronomo a osservare Saturno fu Galileo, ma nel 1610 non riuscì a comprendere completamente la forma del pianeta circondato dai suoi anelli, come invece riuscì nel 1649 a Eustachio Divini, un costruttore di telescopi marchigiano.
Nel 1655 l'astronomo olandese Christiaan Huygens intuì la natura anulare dei corpi visti da Galileo attorno al pianeta e scoprì anche il satellite Titano. Giovanni Cassini nel 1675 fu il primo a ipotizzare la natura degli anelli e vi individuò la prima suddivisione, o lacuna, che ancora oggi porta il suo nome. Inoltre scoprì altre quattro lune saturniane: Rea, Giapeto, Dione e Teti.
Nel 1899 William Henry Pickering scoprì Febe, il primo satellite scoperto in un'orbita retrograda. Nel corso del XX secolo studi su Titano portarono alla conferma che esso era circondato da una spessa atmosfera, caratteristica unica tra i satelliti naturali del sistema solare.
Il Pioneer 11 fu la prima sonda spaziale a effettuare un sorvolo ravvicinato di Saturno nel settembre 1979, mandò immagini a scarsa risoluzione, ma scoprì il sottile anello F e misurò la temperatura di Titano.
La sonda Voyager 1 visitò il sistema di Saturno nel novembre 1980, inviando immagini ad alta risoluzione del pianeta, dei suoi anelli e delle principali lune. Nell'agosto 1981 la Voyager 2 acquisì diverse altre immagini ravvicinate delle lune di Saturno documentando i cambiamenti dell'atmosfera e degli anelli. La gravità di Saturno fu poi usata per dirigere la sonda verso Urano. Le sonde scoprirono alcuni nuovi satelliti in orbita nei pressi o all'interno degli anelli del pianeta, così come scoprirono alcuni spazi vuoti tra gli anelli stessi.
La sonda spaziale Cassini-Huygens entrò in orbita attorno a Saturno il 1º luglio 2004, con lo scopo di studiare il sistema saturniano e inviare successivamente un lander sulla misteriosa superficie di Titano, fino ad allora sconosciuta a causa della spessa coltre atmosferica che avvolge la principale luna di Saturno.
Cassini rivelò fulmini nell'atmosfera di Saturno, circa 1.000 volte più potenti di quelli terrestri, provò la presenza di acqua liquida su Encelado, che fuoriuscita dalla superficie ghiacciata tramite geyser con getti di particelle che finivano ghiacciate in orbita attorno a Saturno, scoprì laghi e mari di idrocarburi su Titano, il più grande dei quali ha le dimensioni del Mar Caspio, fotografò otto nuovi satelliti e un enorme uragano sul polo nord del pianeta, decine di volte più grande di quelli che si osservano sulla Terra.
Saturno orbita attorno al Sole a una distanza media di 1,427 miliardi di km, percorrendo una rivoluzione completa in 29,458 anni terrestri. Alla sua distanza la luce del Sole appare 100 volte meno intensa della luce sulla Terra. L'asse di rotazione è inclinato di 26,731°, dando al pianeta un ciclo di stagioni più o meno analogo a quello terrestre e marziano, ma assai più lungo. Il periodo di rotazione di Saturno sul proprio asse varia a seconda della quota; gli strati superiori, nelle regioni equatoriali, impiegano 10,2 ore a compiere un giro completo, mentre nucleo e mantello ruotano in 10,6 ore. Tuttavia è stato osservato che il vapore acqueo emesso in orbita attorno a Saturno da Encelado crea un ostacolo al campo magnetico del pianeta, rallentando la sua rotazione rispetto alla rotazione del pianeta.

Struttura

Come Giove Saturno possiede una struttura interna affine a quella del Sole, essendo costituito per il 75% di idrogeno e il 25% di elio, con tracce d'acqua, metano e ammoniaca.
Al centro di Saturno dovrebbe trovarsi un piccolo nucleo roccioso simile nella composizione al nucleo terrestre, ma più denso, fino a 9-22 volte la massa terrestre, che corrisponde a un diametro di circa 25.000 chilometri, alla pressione di 10 milioni di atmosfere ed alla temperatura di circa 12.000 °C. Venendo in superficie il nucleo è circondato prima da uno spesso strato di idrogeno liquido metallico, poi da uno strato liquido di idrogeno molecolare ed elio, che passano allo stato gassoso all'aumentare dell'altitudine, costituendo un'atmosfera di circa 1.000 km, dove si alternano fasce chiare e scure parallele all'equatore con perturbazioni cicloniche e formazioni di nubi.
Saturno, al pari di Giove, irradia radiazione infrarossa energeticamente più che doppia rispetto a quella che riceve dal Sole, in parte attribuibile al meccanismo di Kelvin-Helmholtz, in parte per moti convettivi dei componenti.

Atmosfera e clima

Saturno è composto per il 96% da idrogeno e per oltre il 3% da elio a cui seguono gli altri elementi quali ammoniaca, acetilene, etano, propano, fosfina e metano. Le nubi superiori sono costituite da cristalli di ammoniaca, di tipico colore giallognolo, mentre quelle degli strati inferiori sembrano essere composte da idrosolfuro di ammonio (NH4SH) o acqua.
I venti nell'atmosfera di Saturno possono raggiungere i 1.800 km/h in prossimità dell'equatore, quindi molto più veloci di quelli su Giove, ma meno veloci di quelli che spirano nell'atmosfera di Nettuno.
Negli anni ottanta Le due sonde Voyager fotografarono una struttura esagonale presente nei pressi del polo nord del pianeta, che ruota in un periodo di 10 ore 39 minuti e 23 secondi, all'unisono con la rotazione del campo di emissioni radio, mentre la Cassini ha fotografato un uragano centrato nel polo sud, con un occhio del ciclone ben definito e venti che soffiano fino a 550 km/h.

Osservazione

A occhio nudo, Saturno si mostra come una luminosa stella giallastra. Già il binocolo rivela un piccolo disco, leggermente ellittico a causa degli anelli. Con un piccolo telescopio sono facilmente individuabili gli anelli, larghi due volte il pianeta. Fra i cinque pianeti visibili a occhio nudo, Saturno ha il minore spostamento angolare in cielo, tanto che la sua opposizione si verifica ogni anno e due settimane ed è il momento migliore per osservare il pianeta che si trova dalla parte opposta rispetto al Sole. Il suo disco è avvolto da bande nuvolose, molto meno evidenti di quelle di Giove, ed è altresì privo di strutture simili alla Grande Macchia Rossa.
Tuttavia nella zona equatoriale del pianeta, ogni trent'anni circa, durante l'estate dell'emisfero nord, appaiono estese macchie bianche, mentre ogni 15 anni circa, quando si trova in determinati punti della sua orbita, gli anelli, molto sottili, scompaiono brevemente dalla vista poiché vengono visti perfettamente di taglio dalla Terra.

Anelli

Saturno possiede un sistema di anelli, costituiti da acqua pura sotto forma di innumerevoli frammenti ghiacciati, della grandezza che varia dalla polvere più fine, particelle di un milionesimo di metro, al metro, ruotanti attorno al pianeta sul suo piano equatoriale, e organizzati in un anello piatto di minimo spessore, da una decina di metri ad un chilometro. Alcuni agglomerati di ghiaccio più massicci possono alterare lievemente l'uniformità dell'anello. Agglomerati dell'ordine di centinaia di metri vengono definiti "minilune" (moonlet) e non sono visibili nè dai telescopi nè dalle sonde che finora hanno visitato il pianeta, ma creano delle perturbazioni che generano dei giochi di luce e ombra visibili solo in determinati periodi dell'anno saturniano. La NASA stima che gli anelli potrebbero "nascondere" milioni di minilune.
Gli anelli sono formati da sette fasce, separate da divisioni quasi vuote. Nell'organizzazione in fasce giocano sicuramente un ruolo i cosiddetti satelliti pastori, lune di Saturno che orbitano all'interno o subito fuori dell'anello.
Non si sa se siano il risultato della distruzione di un satellite di Saturno, provocata da una collisione con una cometa o con un altro satellite, oppure i resti del materiale da cui si formò Saturno che non è riuscito ad assemblarsi in un corpo unico. Parte del ghiaccio della parte centrale degli anelli proviene certamente dalle eruzioni del criovulcanismo di Encelado. Studi più recenti sembrano suggerire che l'età degli anelli sia probabilmente solo di un centinaio di milioni di anni e destinati a ridursi o scomparire in trecento milioni di anni, andando a depositarsi sul pianeta.

• L’anello D è quello più vicino al pianeta. Si trova a una distanza dal pianeta compresa tra 66.970 e 74.490 km con una larghezza di circa 7.500 km.
• L’anello C inizia dopo 74.490 km per una larghezza di 17.500 km.
• L’anello B parte dai 91.980 km ed ha una larghezza 25.500 km.
• Successivamente la Divisione Cassini, da una distanza di 117.500 con larghezza 4.700 km.
• Finalmente l’anello A, da una distanza di 122.050 Km per una larghezza di 14.600 km.
• Inizia quindi la Divisione Roche tra i 136.770 e 139.380 km con una larghezza di 2.600 km.
• L’anello F inizia a una distanza di 140.224 km per una larghezza modesta, tra 30 e 500 km.
• L’anello G si trova a una distanza tra 166.000 e 174.000 km con una larghezza di 8.000 km.
• L’anello E si trova a una distanza tra 180.000 e 480.000 km con una larghezza enorme, pari a 300.000 km.
• L'anello di Phoebe tra i 6 e gli 11.9 milioni di km.

Satelliti

Saturno possiede 82 lune, di cui solo una cinquantina hanno un nome ufficiale. Molte delle lune sono piuttosto piccole: 34 di esse hanno un diametro minore di 10 km, mentre 14 hanno diametro inferiore ai 50 km. Tradizionalmente, la maggior parte delle lune di Saturno portano i nomi dei Titani della mitologia greca. Quando i nomi dei Titani furono esauriti, le lune presero il nome da personaggi della mitologia greca e romana o da giganti di mitologia inuit, celtica e norrena.
Il satellite saturniano più interessante è Titano, l'unico satellite del sistema solare a possedere una densa atmosfera e che da solo costituisce oltre il 95% della massa orbitante attorno a Saturno, scoperto, nel 1655, da Christiaan Huygens.
Altri satelli furono scoperti da Giovanni Cassini: Teti, Dione, Rea e Giapeto. Mimas ed Encelado furono aggiunti da William Herschel, Iperione fu scoperto nel 1848, Febe, fu documentato nel 1899 dmediante l'uso di lastre fotografiche a lunga esposizione. Solo nel 1966 venne scoperto Giano e nel 1980 la sonda Voyager 1 dimostrò l'esistenza di Epimeteo nella stessa orbita di Giano, unico caso nel sistema solare di due satelliti che condividono la stessa orbita, e che spiegava le caratteristiche orbitali di Giano.

Gruppi orbitali

Le lune di Saturno sono distinte in vari gruppi in base alle loro caratteristiche orbitali.

1. Piccole lune degli anelli. Nello spessore degli anelli sono presenti agglomerati di dimensioni variabili. Le due lune più grandi all'interno delle lacune dell'anello A sono Pan e Dafni, di dimensioni tali da spazzare il materiale lasciando così delle lacune vuote nell'anello. Con la sonda Cassini, nel 2006, furono scoperte altre quattro lune nell'Anello A, quindi almeno altre 150 lune, con un diametro che va da 40 a 500 metri, di massa talmente ridotta da ripulire solo parzialmente un'orbita di una decina di km, creando vortici a forma di elica di aeroplano. Le lune si formarono probabilmente a seguito della disintegrazione di un satellite più grande. La loro sopravvivenza dipende probabilmente da fenomeni di risonanza con gli altri satelliti più massivi, così Egeone, scoperto di recente all'interno dell'arco luminoso dell'anello G, è bloccato in una risonanza di moto medio 7:6 con Mimas, ovvero fa esattamente sette giri attorno a Saturno mentre Mimas ne fa esattamente sei. Le immagini di Pan riprese dalla sonda Cassini, mostrano una struttura curiosa. Gli scienziati pensano che Pan si sia formato all'interno degli anelli di Saturno, e che la caratteristica e sottile cresta intorno all'equatore di Pan si sia accumulato successivamente. Alla fine del processo, quel materiale pioveva sulla luna solo nella sua regione equatoriale (o vicino a essa). Così, il materiale in caduta formava un'alta e stretta cresta di materiale. Su un corpo più grande e massiccio, la cresta si sarebbe appiattita per la gravità, ma quella di Pan è così debole che il materiale dell'anello si deposita semplicemente su Pan e si accumula senza rimodellarsi.

2. Pastori degli anelli. I satelliti "pastore" sono piccole lune che orbitano all'interno, o appena oltre, del sistema di anelli con l'effetto di modellare gli anelli, rendendo i loro bordi affilati, e di creare tra loro delle lacune. Le lune pastore di Saturno sono Pan (Divisione di Encke), Dafni (Divisione di Keeler), Atlante (anello A), Prometeo (anello F) e Pandora (anello F).

3. Co-orbitali. Giano ed Epimeteo, di dimensioni quasi uguali, con Giano solo leggermente più grande di Epimeteo hanno orbite con semiassi maggiori che differiscono solo di pochi chilometri, così vicine che da rischiare di collidere, ma legate da una interazione gravitazionale che li forza a scambiarsi le orbite ogni quattro anni. La superficie ingrandita di Epimeteo appare coperta di crateri.

4. Grandi lune interne. Orbitano all'interno del suo tenue anello E, insieme con tre lune più piccole del gruppo Alcionidi.
   Mimas è la più piccola e meno massiccia delle quattro, anche se la sua massa è sufficiente a perturbare l'orbita di Metone. Ha una marcata forma ovoidale, essendo schiacciata ai poli e rigonfia all'equatore per effetto della gravità di Saturno. Mimas ha il cratere da impatto Herschel, largo 396 km. Mimas non ha attività geologica nel presente o nel passato, e la sua superficie, piena di crateri da impatto, presenta fossae arcuate e lineari, che probabilmente si formarono quando Mimas subì l'impatto di Herschel.
   Encelado è la seconda luna più piccola di Saturno di forma sferica, dotata di attività endogena, è il più piccolo corpo conosciuto nel Sistema Solare geologicamente attivo oggi. Cassini ha scoperto che la zona intorno al polo sud è stranamente calda e tagliata da un sistema di fratture di 130 km circa di lunghezza chiamato "strisce di tigre", alcune delle quali emettono getti di vapore acqueo e polvere che formano un esteso pennacchio sopra al polo sud, che inonda l'anello E di Saturno e costituisce la principale fonte di ioni della magnetosfera di Saturno. L'energia che alimenta questo criovulcanismo risiede probabilmente in una risonanza di moto medio 2:1 con Dione. Il ghiaccio puro sulla superficie rende Encelado uno degli oggetti più brillanti del sistema solare.
   Teti è la terza luna più grande delle lune interne di Saturno, caratterizzata pure da un grande cratere da impatto, il cratere Ulisse (450 km di diametro), e un vasto sistema di canyon denominato Ithaca Chasma concentrico a Ulisse. Teti non sembra avere in corso alcuna attività geologica. Un terreno collinare craterizzato occupa la maggior parte della sua superficie, mentre una regione più piccola e più liscia formata da pianure si trova nell'emisfero opposto a quello di Ulisse. Le pianure contengono meno crateri e sono apparentemente più giovani. Vi è anche un sistema di fossae estese che si irradiano da Ulisse. La densità di Teti è inferiore a quella dell'acqua, 0,97, ad indicare che è fatto principalmente di ghiaccio d'acqua con soltanto una piccola frazione di roccia.
   Dione è la seconda luna interna più grande di Saturno. La maggior parte della superficie di Dione è occupata da antico terreno craterizzato, ma una vasta rete di depressioni e di lineamenti sta ad indicare che in passato vi è stata un'attività tettonica globale. Le depressioni e i lineamenti sono notevoli soprattutto nell'emisfero posteriore, con diversi gruppi di fratture che si intersecano. Nelle pianure ci sono alcuni crateri da impatto che raggiungono i 250 km di diametro. Dione potrebbe essere geologicamente attiva anche oggi, sebbene in misura nettamente minore rispetto al criovulcanismo di Encelado. Ciò emerge da misurazioni magnetiche di Cassini che mostrano che Dione è una fonte di plasma nella magnetosfera di Saturno, molto simile a Encelado. La sua densità suggerisce che circa un terzo della luna è costituito da un nucleo denso (probabilmente roccia silicata) con il resto del suo materiale che è ghiaccio d'acqua. Alla temperatura media di Dione di -186 gradi Celsius, il ghiaccio è così duro che si comporta come una roccia.

5. Alcionidi. Metone, Antea e Pallene sono tra le più piccole orbitanti attorno a Saturno tra Mimas e Encelado. La loro caratteristica è che Antea e Metone possiedono archi d'anello molto deboli lungo le loro orbite, mentre Pallene possiede un tenue anello completo. Solo Metone è stato fotografato dalle sonde ed appare ovaliforme e liscio, senza crateri.

6. Lune troiane. Sono satelliti in orbita di Saturno, posizionati nel punto di Lagrange anteriore L₄ o posteriore L₅ di una grande luna, ed è una carattaristica vista solo per Saturno. Teti ha due lune troiane, Telesto (anteriore) e Calipso (posteriore); Dione ha Elena (anteriore) e Polluce (posteriore). Elena è di gran lunga la più grande luna troiana, mentre Polluce è la più piccola con l'orbita più complessa.

7. Grandi lune esterne. Orbitano tutte all'esterno dell'anello E:

   • Rea è la seconda luna più grande di Saturno. Presenta una superficie fortemente craterizzata, con l'eccezione di alcune fratture di grandi dimensioni sull'emisfero posteriore simili a quelle di Dione e di una tenue "riga" di materiale all'equatore che potrebbe essere stato depositato da materiale proveniente da anelli attuali o del passato. Rea ha anche due ampi bacini da impatto sull'emisfero opposto a Saturno, larghi 400 and 500 km chilometri circa, il primo dei quali, Tirawa, è simile al cratere Odisseo su Teti. C'è anche un cratere da impatto di 48 km di diametro, Inktomi, reso più visibile da un esteso sistema di raggi luminosi. Sulla superficie di Rea non sono state trovate tracce di attività endogene. Nell'immagine raccolta dalla sonda Cassini della NASA la luna ghiacciata Rea passa davanti a Titano come visto dalla sonda Cassini. Mentre Rea è fortemente craterizzata e senza aria, l'atmosfera ricca di azoto di Titano è ancora più spessa di quella terrestre ed impedisce la vista della superficie, se non con metodi particolari, come l'infrarosso.

   • Titano è la luna più grande di Saturno e la seconda del Sistema Solare e l'unica con un'atmosfera densa (pressione superficiale di 1,5 atm) e fredda, fatta principalmente di azoto con una piccola frazione di metano. La densa atmosfera produce nubi bianche e luminose, soprattutto al polo sud ed una foschia atmosferica che rende difficile l'osservazione della superficie, che presenta solo pochi crateri da impatto recenti. La superficie presenta zone chiare e scure, canali naturali e probabilmente criovulcani. Alcune zone scure sono ricoperte di dune longitudinali di acqua congelata e idrocarburi, modellate da venti. Titano è l'unica luna con estese masse liquide alla sua superficie sotto forma di laghi di metano/etano ai due poli. Il lago più grande, Kraken Mare, è più esteso del Mar Caspio. Si ritiene che Titano, come Europa e Ganimede, abbia sotto la sua superficie un oceano composto di acqua mescolata con ammoniaca, che potrebbe eruttare in superficie e portare al criovulcanismo. Nel 2013 sono stati rilevati idrocarburi aromatici policiclici, tipo il benezene, nell'alta atmosfera di Titano.

   • Iperione è la luna più vicina a Titano, in una risonanza di moto medio 4:3, quattro orbite attorno a Saturno di Titano e tre di Iperione. Iperione è più piccola e meno massiva di Mimas. Ha una forma estremamente irregolare, con una superficie ghiacciata di colore beige simile a una spugna; anche il sottosuolo potrebbe essere poroso al 40% o più in quanto la densità media di circa 0,55 g/cm³ è troppo bassa anche per l'ipotesi di una costituzione di ghiaccio puro. La sua superficie è ricoperta da numerosi crateri da impatto. L'asse di rotazione di Iperione (270 chilometri di diametro) ha un orientamento caotico nel tempo, il che significa che è essenzialmente impossibile prevedere come la luna ruoterà in futuro.

   • Giapeto è la terza luna più grande di Saturno e la più lontana con la maggiore inclinazione orbitale, 15,47°. Giapeto è nota da tempo per la sua insolita superficie bicolore: il suo emisfero anteriore è nero come la pece, mentre quello posteriore è brillante quasi come la neve fresca. Le immagini di Cassini hanno mostrato che il materiale scuro è limitato a una vasta area prossima all'equatore nell'emisfero anteriore chiamata Cassini Regio, che si estende approssimativamente da 40° N a 40° S mentre le regioni polari di Giapeto sono brillanti come il suo emisfero posteriore. La scoperta nel 2009 del disco scuro riferibile all'anello di Phoebe, orbitante in senso opposto a Giapeto, fa pensare alla raccolta di polvere scura dell'anello attraversato da Giapeto.

8. Lune irregolari. Sono piccoli satelliti con ampio raggio con orbite fortemente inclinate e spesso con moto retrogrado, probabilmente corpi celesti catturati da Saturno al loro passaggio in prossimità, oppure frammenti, frutto di collisioni. Sono di colore neutro o rossiccio, simili agli asteroidi di tipo C, P o D, ma decisamente meno rosse degli oggetti della fascia di Kuiper.

   • Gruppo Inuit. Comprende cinque lune esterne con moto diretto; si possono considerare un gruppo perché hanno di abbastanza simile la distanza dal pianeta (186-297 raggi di Saturno), l'inclinazione orbitale (45-50°), e il colore. Sono Ijiraq, Kiviuq, Paaliaq, Siarnaq e Tarqeq. La più grande tra loro è Siarnaq, con una dimensione stimata di 40 km circa.

   • Gruppo Gallico. Albiorix, Bebhionn, Erriapo e Tarvos sono quattro lune apparentate dalla distanze dal pianeta (207-302 raggi di Saturno), dalle inclinazioni orbitali (35-40°) e dai colori. Tarvos è la luna più lontana da Saturno mentre il più grande tra questi satelliti è Albiorix con una dimensione stimata di 32 km circa.

   • Gruppo Nordico. È costituito da almeno 29 lune esterne con moto retrogrado di cui Ymir è la più grande del gruppo, con un diametro stimato di soli 18 km.
     

   • Febe. Con 219x204 km di diametro, è il più grande dei satelliti irregolari di Saturno. Ha un'orbita retrograda e ruota sul suo asse ogni 9,3 ore. Febe è stata la prima luna di Saturno ad essere studiata in dettaglio da Cassini nel giugno 2004. Febe ha una forma pprossimativamente sferica e una densità relativamente elevata di circa 1,6 g/cm³. Le immagini di Cassini hanno rivelato una superficie scura segnata da numerosi impatti. Misurazioni spettroscopiche hanno mostrato che la superficie è fatta di ghiaccio d'acqua, fillosilicati, sostanze organiche e probabilmente minerali ferrosi. Si ritiene che Febe sia un oggetto catturato proveniente dalla fascia di Kuiper. Potrebbe quindi essere un cugino minore del più grande oggetto della Fascia di Kuiper, Plutone.