Questo articolo è stato inserito in Meccanica Celeste e nell'articolo dedicato al trasferimento orbitale di un satellite, al quale si rimanda per una trattazione più approfondita dell'argomento.

Ne abbiamo già parlato in vecchi articoli, ma non è mai male ripetere certi concetti, soprattutto dopo che ne abbiamo dato una visione fisica e matematica. Accenniamo quindi al meccanismo di confinamento che permette di sopravvivere all’anello f e descriviamo brevemente le ultime scoperte a riguardo che sembrano definire la tempistica della sua formazione.

Come detto ripetute volte, l’anello F di Saturno non dovrebbe esistere. Esso è troppo stretto e l’unica possibilità perché lo si sia osservato così ai tempi dei Voyager sembrava, in un primo tempo, essere dovuta a una sua nascita molto recente. E’, però, troppo difficile avere una tale fortuna osservando l’Universo e i suoi tempi ben più lunghi dei nostri e, quindi, ne seguiva che doveva esserci una soluzione diversa, legata a qualche processo di meccanica celeste non ancora conosciuto.

Il problema di fondo è che un anello può anche nascere molto stretto a seguito della frammentazione di qualcosa, ma in breve tempo esso tende ad allargarsi rapidamente, come capita nel sistema ben più noto degli anelli principali di Saturno. Ciò dipende da molti fattori, non ultimo quello delle collisioni mutue tra gli stessi frammenti. La soluzione che venne proposta sembrava alquanto macchinosa e puramente teorica: era necessario che qualcosa facesse da pastore a quel gregge di pecorelle-frammenti e riuscisse a mantenerle quasi perfettamente in fila, senza lasciarle vagare nei “campi” circostanti in cerca di erba più verde e saporita.

I due pastori non potevano che essere due satelliti, uno esterno e uno interno, tali che fornissero e togliessero energia alle pecorelle più agitate e le rimettessero nel gregge. Qualcosa di simile a quello che abbiamo visto nel trasferimento orbitale, dove era necessario frenare o accelerare un satellite per fargli cambiare orbita: regalo o furto di energia (o alternativamente, ma è la stessa cosa, di momento angolare).

I frammenti dell’anello f, però, non hanno motori né razzi e quindi l’energia richiesta deve provenire dai due satelliti pastore. Anch’essi non hanno molte possibilità per agire sulle pecorelle a distanza, ma gli basta e avanza la forza di gravità. Esssi sono ben più massicci dei frammenti dell’anello e quindi possono competere con Saturno quando si trovano molto vicini alle pecorelle vagabonde. Il gioco meccanico si riferisce alla legge di Newton (o -se preferite- alle leggi di Keplero) che ci dice che chi orbita più vicino al pianeta dominante è costretto a viaggiare a velocità maggiore di chi sta a distanza maggiore.

Ne segue una situazione abbastanza semplice: arrivando da Saturno, prima troviamo il satellite-pastore interno, poi l’anello e infine il satellite esterno. Il primo satellite ha velocità orbitale maggiore di quella delle pecore che , a loro volta, hanno velocità maggiore di quella del satellite esterno.

A cosa porta questa configurazione? Semplice: un frammento dell’anello viene raggiunto e superato dal satellite interno, mentre raggiunge e supera il satellite esterno. Prendiamo allora due pecore che si sono spinte verso l’interno e verso l’esterno e tendono a disperdere il gregge. Quella più interna tende ad allontanarsi verso Saturno, finché non sopraggiunge il pastore interno e la sua forza di gravità. All’inizio tende a tirare verso di lui la pecorella (ossia la rallenta), ma poi la supera e la lascia dietro, sempre più. Questa è la fase fondamentale e anche l’ultima ad accadere prima dell’allontanamento di pecora e pastore. Il satellite trascina verso di sé il frammento e gli impartisce un’energia supplementare (come faceva il razzo del satellite). Maggiore energia vuol dire allontanamento da Saturno e trasferimento su un’orbita più distante, ossia proprio quella delle pecorelle più tranquille allineate.

Analogamente, potremmo dire che viene ceduto momento angolare al frammento che, quindi, tende ad allontanarsi da Saturno. Il succo è lo stesso. Tralasciamo il processo matematico e fisico più accurato che necessita di passaggi intermedi (anche se non proprio orbite alla Hohmann) e concludiamo con la configurazione finale: la pecorella agitata viene rimessa rapidamente in gruppo.

Un sistema uguale e opposto viene utilizzato dal satellite esterno. Esso viene superato dal frammento. All’inizio la pecorella viene trascinata, ma dopo poco (al momento del sorpasso) comincia a essere rallentata nel suo moto a causa della gravità del satellite che tende a trattenerla. Il frammento perde, quindi, energia e si trasferisce su un’orbita più interna, tornando anch’esso nel gruppo. Il sistema di “controllo” del gregge viene ripetuto ogni rivoluzione dei pastori e quindi continua implacabile. L’anello f rimane stretto!

Come dicevo prima, sembrava un processo troppo elaborato e poco naturale, ma il sistema di Urano con tutti i suoi anelli sottili e pastori vari ha dimostrato che la Natura voleva proprio divertirsi con queste configurazioni quasi “magiche”.

La figura che segue illustra il meccanismo in modo estremamente semplice.

Veniamo adesso alla formazione di un sistema così apparentemente bizzarro. La prima cosa molto importante è la distanza da Saturno. Essa è “circa” quella del limite di Roche, ossia il punto di non ritorno di un oggetto piuttosto grande. Al suo interno le forze di marea potrebbero facilmente disintegrarlo, mentre al suo esterno potrebbe rimanere intatto. Le condizioni sono, perciò, decisamente particolari, ma sufficienti per creare satelliti abbastanza massicci. Essi si sarebbero formati ai limiti esterni dell’anello principale di Saturno e sarebbero poi migrati verso posizioni più tranquille esterne. A quel punto vi sarebbero state collisioni tra loro (e i loro antichi progenitori) capaci di creare attraverso i residui l’anello F, tenuto “in riga” proprio da coloro che lo hanno formato.

In conclusione, un problema simile a quello dell’uovo e della gallina (è nato prima l’anello o i satelliti) si risolve con la vittoria della gallina (anzi delle galline): prima si sarebbero formati satelliti che poi scontrandosi avrebbero prodotto l’anello  e infine sarebbero rimasti solo in due a fargli la guardia. Il nucleo abbastanza denso dei satelliti è pienamente d'accordo con le previsioni teoriche e con il  modello elaborato.

Insomma, il Sistema Solare sa fare magie eccezionali e riesce a farle con il poco materiale (e le leggi fisiche) a disposizione!

Articolo originario QUI

Il filmato che segue ci mostra spettacolari immagini di Metis e Adastrea (satelliti pastore dei flebili anelli di Giove), riprese da New Horizons nel 2007 durante il suo viaggio verso Plutone e la Kuiper Belt

QUI trovate la spiegazione del meccanismo fisico su cui si basa la sopravvivenza dell’anello F

QUI potete osservare il risultato del colloquio gravitazionale tra uno dei pastori (Prometeo) e le sue pecorelle