Uma equipa de investigação da Universidade de Northumbria, no Reino Unido, utilizou o mais avançado Telescópio Espacial James Webb (JWST) para fornecer uma resposta chave a um problema que tem intrigado a comunidade científica planetária durante décadas: Porque é que a velocidade de rotação de Saturno parece “mudar” dependendo dos diferentes métodos de medição?

A última pesquisa publicada no "Journal of Geophysical Research: Space Physics" mapeou pela primeira vez imagens detalhadas da temperatura e da distribuição de partículas carregadas nas auroras de Saturno, mostrando que este fenômeno se origina de um sistema de feedback contínuo e autossustentável impulsionado pelas auroras de Saturno, criando assim a ilusão de "mudanças na taxa de rotação" nos dados observacionais.

O comportamento incomum de Saturno intriga os astrônomos há décadas. Dados obtidos pelos detectores representados pela sonda Cassini por volta de 2004 mostraram que o período de rotação de Saturno parece mudar com o tempo. Este resultado entra em conflito com a compreensão física tradicional – a rotação global do planeta deverá permanecer estável ao longo de longas escalas de tempo. Em 2021, um estudo liderado por Tom Stallard, professor de astronomia planetária na Universidade de Northumbria, deu uma pista importante: o que realmente muda não é a velocidade de rotação do planeta em si, mas o campo de vento de alta velocidade na alta atmosfera. Esses ventos geram correntes na alta atmosfera, que por sua vez afetam os sinais aurorais, fazendo com que a “medição de rotação” baseada nas ondas eletromagnéticas aurorais pareça estar mudando.

No entanto, esta explicação em si levanta novas questões: se os ventos de grande altitude impulsionam as correntes, como é que estes ventos são “acesados” e sustentados em primeiro lugar?

As últimas observações do JWST fornecem uma peça que faltava no quebra-cabeça. A equipe de Stallard se uniu a várias instituições no Reino Unido e nos EUA para usar o JWST para monitorar continuamente a zona da aurora no pólo norte de Saturno - semelhante à aurora boreal na Terra - cobrindo um "dia de Saturno" completo e obteve dados observacionais com resolução espacial e temporal sem precedentes. Os pesquisadores se concentraram na análise da radiação infravermelha de uma molécula chamada cátion trihidrogênio (H₃⁺) na atmosfera superior de Saturno. Esta molécula é uma “sonda” natural das mudanças de temperatura e pode ser usada para inverter as condições de aquecimento atmosférico e a distribuição da densidade das partículas.

Observações terrestres e orbitais anteriores mediram temperaturas com uma incerteza de cerca de 50 graus Celsius, que é aproximadamente a mesma que as flutuações de temperatura que os investigadores estão a tentar resolver, e só podem ser calculadas em média através de uma grande variedade de regiões polares. Os dados do JWST melhoram esta precisão em cerca de uma ordem de grandeza, permitindo aos cientistas resolver pela primeira vez estruturas locais detalhadas de aquecimento e arrefecimento na região auroral.

As observações estavam de acordo com um modelo numérico desenvolvido há mais de uma década, mas apenas se a principal fonte de calor fosse colocada com precisão na região onde as auroras afundam na atmosfera, onde as partículas carregadas "esmagam" a atmosfera superior ao longo das linhas do campo magnético. Isto mostra que a aurora de Saturno não é apenas uma cena óptica espetacular, mas também uma poderosa fonte de energia local: as partículas aurorais assentam e depositam energia dentro de uma faixa de altura específica, aumentando as temperaturas atmosféricas locais, impulsionando assim campos de vento em grandes altitudes. Esses ventos estimularão correntes na área de interface entre a magnetosfera do planeta e a atmosfera. As correntes por sua vez fornecem energia para a aurora, permitindo que a aurora mantenha e continue aquecendo a atmosfera por um longo tempo, formando um ciclo fechado de “aurora-aquecimento-vento-corrente-aurora”.

Stallard comparou vividamente este processo a uma “bomba de calor planetária”: a aurora aquece a atmosfera, a atmosfera impulsiona o vento, o vento gera corrente elétrica e a corrente elétrica realimenta a aurora, e o sistema é autossuficiente e opera continuamente. É este sistema de feedback operacional estável que faz com que a “taxa de rotação” calculada com base nos sinais eletromagnéticos da aurora se desloque ao longo do tempo, fazendo parecer que a rotação do próprio Saturno está mudando lentamente.

O significado desta pesquisa vai além de explicar o mistério da “rotação com velocidade variável” de Saturno. Os resultados mostram que existe um forte acoplamento entre a atmosfera de Saturno e a sua magnetosfera: os processos atmosféricos podem impulsionar a corrente e a energia para fora, alterando o ambiente da magnetosfera, enquanto a energia e as partículas na magnetosfera podem assentar novamente, transportando energia de volta para a atmosfera. Este mecanismo bidirecional de troca de energia e impulso pode ser a chave para a estabilidade a longo prazo de sinais anormais como Saturno. Também sugere que noutros planetas com campos magnéticos e atmosferas fortes (incluindo planetas gigantes gasosos e até exoplanetas), também pode haver processos de ligação atmosfera-espaço ambiente que ainda não foram totalmente compreendidos.

Stallard disse que este resultado muda a maneira como entendemos as atmosferas planetárias: se o estado da atmosfera de um planeta pode impulsionar correntes elétricas para fora, alterando assim o ambiente espacial circundante, então, ao estudar as atmosferas superiores e estratosferas de outros planetas e até mesmo exoplanetas, interações até então inesperadas podem ser descobertas. Os resultados relevantes foram publicados no "Journal of Geophysical Research: Space Physics" sob o título "JWST/NIRSpec revela o mecanismo de condução atmosférica da taxa de rotação variável da magnetosfera de Saturno". A pesquisa foi financiada pelo Conselho Britânico de Instalações de Ciência e Tecnologia e outras instituições.