Il sistema di anelli

Gli anelli di Urano sono stati i primi ad essere trovati intorno ad un pianeta diverso da Saturno. L’astronomo americano James L. Elliot e colleghi scoprirono il sistema di anelli dalla Terra nel 1977, nove anni prima dell’incontro con la Voyager 2, durante un’occultazione stellare di Urano, cioè quando il pianeta passava tra una stella e la Terra, bloccando temporaneamente la luce della stella. Inaspettatamente, hanno osservato la stella diminuire brevemente cinque volte a una distanza considerevole sopra l’atmosfera di Urano sia prima che dopo che il pianeta ha occultato la stella. I cali di luminosità indicavano che il pianeta era circondato da cinque stretti anelli. Osservazioni successive sulla Terra rivelarono altri quattro anelli. La Voyager 2 rilevò un decimo anello e trovò indicazioni di altri. Verso l’esterno di Urano, i 10 sono chiamati 6, 5, 4, Alpha, Beta, Eta, Gamma, Delta, Lambda ed Epsilon. La nomenclatura ingombrante è nata perché i nuovi anelli sono stati trovati in luoghi che non si adattavano alla nomenclatura originale. Le caratteristiche degli anelli sono riportate nella tabella.

Gli anelli sono stretti e abbastanza opachi. Le larghezze osservate sono semplicemente le distanze radiali tra l’inizio e la fine dei singoli eventi di oscuramento. Le larghezze equivalenti sono il prodotto (più precisamente, l’integrale) della distanza radiale e la frazione di luce stellare bloccata. Il fatto che le larghezze equivalenti siano generalmente inferiori a quelle osservate indica che gli anelli non sono completamente opachi. Combinando la luminosità degli anelli osservati nelle immagini del Voyager con le larghezze equivalenti dalle occultazioni, si vede che le particelle degli anelli riflettono meno del 5% della luce solare incidente. Il loro spettro di riflessione quasi piatto significa che le particelle sono fondamentalmente di colore grigio. La fuliggine ordinaria, che è principalmente carbonio, è l’analogo terrestre più vicino. Non si sa se il carbonio derivi dall’oscuramento del metano da parte del bombardamento di particelle o sia intrinseco alle particelle dell’anello.

Gli effetti di dispersione sul segnale radio della Voyager propagato attraverso gli anelli verso la Terra hanno rivelato che gli anelli sono costituiti per lo più da particelle di grandi dimensioni, oggetti di dimensioni superiori a 140 cm. Lo scattering della luce solare quando la Voyager si trovava sul lato più lontano degli anelli e puntava la sua telecamera verso il Sole ha rivelato anche piccole particelle di polvere di dimensioni micrometriche. Solo una piccola quantità di polvere è stata trovata negli anelli principali. La maggior parte delle particelle microscopiche erano invece distribuite negli spazi tra gli anelli principali, il che suggerisce che gli anelli stanno perdendo massa a causa delle collisioni. La vita della polvere in orbita attorno a Urano è limitata dalla resistenza esercitata dall’estesa atmosfera del pianeta e dalla pressione delle radiazioni della luce solare; le particelle di polvere sono spinte verso orbite più basse e alla fine cadono nell’atmosfera uraniana. Le vite orbitali calcolate sono così brevi – 1.000 anni – che la polvere deve essere creata rapidamente e continuamente. La resistenza atmosferica di Urano sembra essere così grande che gli attuali anelli stessi potrebbero avere vita breve. Se è così, gli anelli non si sono formati con Urano, e la loro origine e la loro storia sono sconosciute.

Le collisioni tra le particelle degli anelli strettamente imballate porterebbero naturalmente ad un aumento della larghezza radiale degli anelli. Lune più massicce degli anelli possono arrestare questa diffusione in un processo chiamato shepherding. Alcune orbite che si trovano all’interno o all’esterno dell’orbita di un dato anello sono al raggio appropriato per una luna in tale orbita per stabilire una risonanza dinamica stabile con le particelle dell’anello. La condizione per la risonanza è che i periodi orbitali della luna e delle particelle dell’anello siano in relazione tra loro nel rapporto di piccoli numeri interi. In questo tipo di relazione, quando la luna e le particelle si incrociano periodicamente, interagiscono gravitazionalmente in un modo che tende a mantenere la regolarità degli incontri. La luna esercita una coppia netta sull’anello e, mentre la luna e l’anello si scambiano il momento angolare, l’energia viene dissipata dalle collisioni tra le particelle dell’anello. Il risultato è che le particelle della luna e dell’anello si respingono a vicenda. Qualunque corpo si trovi nell’orbita esterna si muove verso l’esterno, mentre quello nell’orbita interna si muove verso l’interno. Poiché la luna è molto più massiccia dell’anello, impedisce all’anello di diffondersi nel raggio in cui si verifica la risonanza. Una coppia di lune pastore, una su ogni lato di un anello, può mantenere la sua stretta larghezza.

Voyager 2 ha trovato che le due lune più interne, Cordelia e Ophelia, orbitano su entrambi i lati dell’anello Epsilon esattamente ai giusti raggi richiesti per il pastore. I pastori per gli altri anelli non sono stati osservati, forse perché le lune sono troppo piccole per essere viste nelle immagini del Voyager. Le lune piccole possono anche essere serbatoi che forniscono la polvere che lascia il sistema di anelli.