Caratteristiche, origine e dinamica Sistemi Planetari Caratteristiche, origine e dinamica dei “faint rings” di Giove e Saturno Mario Gennaro

Le osservazioni Tra la fine degli anni ’70 e l’inizio degli ’80 le sonde Pioneer 10 e 11 e Voyager 1 e 2 rilevano la presenza di un sistema di anelli (molto tenui) intorno a Giove e confermano l’esistenza di un anello esterno (anello E) di Saturno “centrato” sull’orbita di Enceladus. Successivamente la sonda Galileo e il telescopio Keck distinguono i gossamer rings. Anello Prof. ottica H (km) Halo 5 ∙ E-6 5 E4 (max) Main Ring ≤ 30 Inner Gossamer E-7 ≈ 2300 Outer Gossamer 3 ∙ E-8 ≈ 8500 E Ring 5 ∙ E-7 (max) E3 – E4 Da J.A. Burns et al. (1999)

Le osservazioni Grazie alle osservazioni in situ della luce riflessa a vari angoli di scattering è possibile avere importanti informazioni sulle dimensioni e la composizione delle particelle che costituiscono tali anelli. In particolare si osserva una forte amplificazione della luce in forward scattering rispetto al back scattering. Tale amplificazione sta ad indicare che la diffrazione è dominante e, quindi, che la dimensione tipica dei grani è dell’ordine della lunghezza d’onda della luce (λSUN ~ 0.5 μm).

Le osservazioni Da M. Showalter et al. (1991) L’effettiva interpretazione dei dati è model-dependent, ma i vari autori sono d’accordo nell’indicare una distribuzione di particelle (in raggio) piuttosto stretta e centrata attorno a 1 micron, diversa quindi da quella di gruppi di particelle la cui evoluzione dinamica è di tipo collisionale.

Perturbazioni non gravitazionali Piccole dimensioni → maggior rapporto Superficie / Massa ; bisogna considerare l’evoluzione dinamica sotto le forze e.m e la pressione di radiazione. e anche studiare gli effetti di erosione su queste piccole particelle per stimare i tempi di vita degli anelli e conseguentemente i meccanismi di rigenerazione. Effetto Poynting - Robertson Sputtering Plasma drag Erosione elettrostatica Effetti dovuti al disallinamento di B

Effetto Poynting - Robertson Pressione di radiazione : Parametro perturbativo: Da F. Mignard (1984)

Effetto Poynting - Robertson Da F. Mignard (1984) Espressione completa (fino all’ordine V/c) nel riferimento del Sole: PR drag

Effetto Poynting - Robertson Introduciamo un tempo caratteristico per l’evoluzione di una particella sotto l’influenza del PR drag: In un sistema di riferimento planetocentrico, trascurando la variazione della distanza particella - Sole e considerando l’orbita del pianeta circolare, si ottiene per le perturbazioni secolari: Numericamente si trova che i tempi di collasso dell’orbita per PR drag sono di 5X104 / y per Saturno e di 104 / y per Giove.

Dipende dalla stima dei parametri del plasma Plasma Drag Il plasma magnetosferico è “intrappolato” attorno alle linee di forza e coruota con il pianeta: esiste una Δv tra il plasma e i grani e si verificano pertanto delle collisioni sia dirette che Coulombiane (anche i grani si caricano per la presenza di carica libera). Δv dipende dal raggio dell’orbita dei grani. R < Rsyn → collasso R > Rsyn → espansione Nel caso di Giove Rsyn= 2.29 RJ ; per Saturno Rsyn = 1.82 RS Dipende dalla stima dei parametri del plasma Tempo scala:

Disallineamento del campo magnetico Il campo magnetico di Giove è inclinato di ~10° rispetto all’asse di rotazione → esiste una componenente verticale della forza di Lorentz nel piano equatoriale

Stress elettrostatico; si ha rottura quando: Meccanismi di erosione Grandi incertezze Sputtering (impatti di ioni energetici) : Stress elettrostatico; si ha rottura quando: Materiale Tensile strength (dyne cm-2) Aggregati (fluffy) ~104 Ghiaccio (H2O) 106 - 108 Silicati 107 – 109 Vetro ~7∙109 Metalli ~2∙1010

Meccanismi di generazione Sin dalle prime osservazioni fu suggerita la presenza di satelliti di piccole dimensioni “nascosti” negli anelli di Giove per spiegare alcune caratteristiche osservative. Visti i brevi tempi di vita (max ~105 y) stimati per i grani di polvere si pensò che queste “mooms” potessero essere i progenitori degli anelli e le fonti per rifornirli continuamente del materiale perso. Negli anni, sono stati scoperti vari satelliti associati ai “faint rings” di Giove e Saturno e localizzati sui loro bordi esterni (il caso di Enceladus è più complesso) Anello Satellite associato Main ring Metis, Adrastea Inner gossamer Amalthea Outer gossamer Thebe E ring Enceladus

Meccanismi di generazione Le collisioni dei micrometeoroidi sulla superficie dei satelliti possono generare una quantità di polveri sufficiente a rifornire gli anelli di materiale Rate di produzione: Sperimentalmente si trova che: Quindi, poiché v0 = vesc ~ Ri , alla fine si trova che dMi/dt ~ Ri -1/4

Alcune peculiarità Gossamer rings: profilo rettangolare e bordi più luminosi della zona centrale Adattato da J.A. Burns et al. (1999) Effetto combinato dell’inclinazione dei satelliti e della non sfericità di Giove

Alcune peculiarità Profilo quasi simmetrico rispetto alla posizione di Enceladus: non si può spiegare con un singolo effetto di drag; (osserviamo che Rsyn~ 110 ∙ 103 km). Da M. Showalter et al. (1991) La pressione di radiazione può causare una variazione a breve periodo dell’eccentricità che spiegherebbe, almeno in parte, questo profilo.

Bibliografia J.A. Burns, M.R. Showalter, G.E. Morfill, “Ethereal Rings” in Planetary Rings, eds. R. Greenberg and A. Brahic (Univ.of Arizona Press, Tucson, AZ, 1984) pp.200-272 E. Grün, G.E. Morfill, “Dust – Magnetosphere interactions” in Planetary Rings, eds. R. Greenberg and A. Brahic (Univ.of Arizona Press, Tucson, AZ, 1984) pp.275-332 F.Mignard, “Effects of radiation forces on dust particles in planetary rings” in Planetary Rings, eds. R. Greenberg and A. Brahic (Univ.of Arizona Press, Tucson, AZ, 1984) pp.200-272 J.A. Burns et al., The formatio of Jupiter’s Faint Rings, Science 284, 1146 (1999) M.R. Showalter, J.N. Cuzzi, S.M. Larson, Structure and Particle Properties of Saturn’s E Ring, Icarus 94, 451 (1991)