Apakah cincin Phoebe memerah bulan?

Cincin paling misterius Saturnus mungkin telah memainkan peran kunci dalam mengubah permukaan Iapetus dan Hyperion.

Iapetus, bulan dua-nada Saturnus, seperti yang terlihat oleh Cassini pada tahun 2015. Dua bagian bulan jelas terlihat. Kredit gambar: NASA / JPL-Caltech / Space Science Institute.

Iapetus, bulan terbesar ketiga Saturnus, memiliki salah satu permukaan paling aneh di Tata Surya. Satu belahan, bernama Cassini Regio, gelap dengan sedikit kemerahan, sedangkan belahan yang berlawanan adalah putih pucat. Selain itu, sisi lain memiliki albedo yang jauh lebih tinggi, yang berarti memantulkan lebih banyak cahaya daripada sisi kemerahan gelap. Perbedaan aneh ini pertama kali diperhatikan tiga abad yang lalu oleh Giovanni Cassini, dan difoto secara rinci pada tahun 2007 oleh probe yang dinamai menurut namanya.

Teori terkemuka untuk perbedaan kecerahan menyatakan bahwa lama-kelamaan air es disublimasikan dari satu sisi bulan. Ini menyebabkan loop umpan balik termal dengan mengubah albedo belahan bumi dan karenanya meningkatkan suhu permukaannya, yang mengarah ke lebih banyak sublimasi. Pengamatan terbaru oleh pesawat ruang angkasa Cassini mendukung hipotesis ini. Namun, teori tersebut kehilangan satu hal: cara untuk memulai umpan balik ini.

Proyeksi silindris Iapetus dibuat dari mosaik gambar Cassini. Kredit gambar: NASA / JPL-Caltech / Institut Sains Luar Angkasa / Lunar dan Planetary Institute.

Satu penjelasan yang mungkin muncul: mungkin partikel kemerahan gelap yang bertanggung jawab untuk memulai proses berasal dari beberapa badan astronomi lain, mungkin bulan Saturnus lainnya. Namun, ini tetap merupakan dugaan, hingga 2009, ketika Teleskop Ruang Angkasa Spitzer inframerah membuat penemuan yang mengejutkan: piringan material yang sangat besar 25 kali lebih besar dari cincin Saturnus lainnya. Baca terus untuk mengetahui apa yang Spitzer temukan, dari mana asalnya, dan mengapa itu sangat penting.

Bagaimana Anda membuat cincin dengan lebar 11 juta kilometer?

Sistem cincin Saturnus adalah yang terbesar di Tata Surya dan mudah yang paling kompleks. Ini terdiri dari serangkaian band yang berbeda dari batu dan es yang dipisahkan oleh celah kosong yang dipelihara oleh bulan gembala. Sementara cincin A terang berakhir 137.000 km dari planet ini, ada cincin lebih tipis dan lebih redup di luarnya, termasuk cincin E lemah yang memanjang hingga 480.000 km, atau 8,25 Saturnus jari-jari.

Gambar terakhir Saturnus Cassini, diambil pada 2017. Beberapa bulan diberi label, meskipun sangat redup. Kredit gambar: NASA / JPL-Caltech / Space Science Institute.

Cincin utama diperkirakan telah terbentuk sekitar 100 juta tahun yang lalu, kemungkinan dari bulan yang terkoyak oleh kekuatan pasang surut. Namun, beberapa cincin yang lebih kecil tampaknya diisi ulang secara aktif. Misalnya, flyby Cassini menunjukkan bahwa air mancur panas es dari Enceladus mengeluarkan partikel kecil yang membentuk cincin E. Pada tahun 2009, bulan lain ditargetkan sebagai sumber material cincin yang mungkin: Phoebe, yang bergerak dalam orbit retrograde yang eksentrik dengan sumbu semi-mayor 215 Saturn radius.

Spitzer Space Telescope mencitrakan Saturnus pada 24 dan 70 μm, panjang gelombang di mana debu dingin harus paling terlihat. Pengamatan tidak mengecewakan. Mosaik gambar menunjukkan cincin besar debu yang memanjang antara 128 dan 215 jari-jari Saturnus, dan tebal 40 jari-jari Saturnus yang menakjubkan. Itu jelas berpusat di sekitar bulan, dan meluas ke dalam cukup jauh untuk hanya menyapu orbit Iapetus. Model menunjukkan bahwa sebagian besar materi, tidak tinggal begitu dekat dengan planet ini. Untuk mencapai orbit Iapetus, ia harus menempuh jarak sekitar 8,7 juta kilometer. Lalu, bagaimana ini bisa terjadi - dan mengapa hanya setengah dari Iapetus yang terpengaruh?

Gambar 1, Verbischer et al. 2009. Cincin Phoebe paling jelas terlihat di mosaik berlabel MIPSON, antara 128 dan 180 jari Saturnus. Garis-garis diagonal yang besar hanyalah artefak observasional.

Proses pengusiran tampak cukup jelas: dampak mikrometeoroid. Ketika potongan-potongan kecil batu menghantam permukaan Phoebe, mereka mengeluarkan partikel-partikel kecil es dan silikat dari kerak bumi, yang lepas dari bulan dan membentuk cincin berdebu di sekitarnya. Ejecta menyebar dengan cepat, melalui sesuatu yang disebut efek Poynting-Robertson. Partikel-partikel kecil menyerap radiasi matahari dan kemudian memancarkannya kembali secara asimetris, yang menyebabkan penurunan momentum sudut orbital. Selama puluhan juta tahun, partikel-partikel ini jatuh ke dalam orbit yang lebih rendah berkat radiasi ulang ini. Efek Poynting-Robertson adalah faktor penting dalam evolusi disk protoplanet - dan, sepertinya, sistem cincin.

Bahan inspiratif ini akan mencakup Iapetus secara seragam jika itu bukan karena beberapa karakteristik yang tidak biasa dari orbit bulan. Pertama, Iapetus terkunci secara rapi ke Saturnus, sehingga satu belahan bumi selalu merupakan sisi “terdepan” dan yang lain selalu merupakan sisi “tertinggal”. Kedua, Phoebe memiliki orbit retrograde, yang berarti ia bergerak ke arah sebaliknya dari sebagian besar bulan Saturnus - dan, karenanya, juga berdebu. Ini berarti bahwa ketika partikel cincin bertabrakan dengan Iapetus, mereka melakukannya hanya di sisi terdepan, mengubah satu belahan bumi menjadi gelap dan mengurangi albedo-nya.

Gambar 4, Verbischer et al. 2009. Simulasi numerik dari gerakan partikel selama 2000 tahun menunjukkan bagaimana cincin itu dapat tumbuh untuk mencapai orbit Iapetus dan bahkan Titan, yang diwakili oleh cincin biru tipis di sekitar Saturnus.

Spektroskopi: masalah dan solusi

Teorinya bukan tanpa masalah. Masalah utama ditemukan melalui pengamatan spektroskopi Phoebe, Iapetus, dan Hyperion - bulan Saturnus kecil yang tidak beraturan yang memerah dengan cara yang sama seperti Iapetus. Phoebe dan Iapetus memang menunjukkan kesamaan spektral, termasuk fitur penyerapan yang menonjol pada 3 μm yang telah dikaitkan dengan hidrokarbon yang ditemukan di kedua tubuh, bukti dari masa lalu yang umum (Cruikshank et al. 2008).

Gambar 3 dan 8, Cruikshank et al. 2008. Pita serapan yang berpusat pada 3 μm terlihat jelas dalam spektrum inframerah kedua bulan. Hidrokarbon aromatik polisiklik (PAH) diyakini bertanggung jawab.

Kehadiran materi yang sama dalam dua bulan tidak berarti bahwa materi dari satu diangkut ke yang lain. Penjelasan sederhana bisa jadi mereka terbentuk di lingkungan yang sama - sebuah ide yang didukung oleh fakta bahwa Iapetus adalah tetangga terdekat Phoebe. Namun, Phoebe dan Iapetus diperkirakan berasal dari tempat yang berbeda; Phoebe kemungkinan adalah asteroid yang ditangkap yang terbentuk di Sabuk Kuiper, sementara Iapetus terbentuk di situ di sekitar Saturnus. Ini memberikan lebih banyak dukungan pada gagasan bahwa pemindahan material terjadi setelah bulan terbentuk.

Gambar 1, Buratti et al. 2002.

Sementara fitur spektral dari hidrokarbon dan molekul lain tampak seperti kabar baik, tidak semua data spektroskopi mendukung teori bahwa bulan saling berhubungan. Misalnya, analisis spektral dari awal 2000-an (Buratti et al. 2002) dari tiga bulan dan sejumlah bulan dan asteroid yang lebih kecil menunjukkan perbedaan nyata antara Phoebe dan dua bulan lainnya pada panjang gelombang dari 0,4-1,0 μm. Daerah gelap Hyperion dan Iapetus sangat mirip; Permukaan Phoebe tidak. Pada pandangan pertama, ini tampaknya menjadi bukti jelas terhadap keseluruhan teori, tetapi kesulitan dihindari jika kita mengasumsikan bahwa sebagian besar perubahan warna yang kita lihat sekarang tidak secara langsung karena pengendapan dari cincin Phoebe.

Pada awalnya, saya menyebutkan loop umpan balik termal semacam yang dimulai dengan transfer bahan dari Phoebe. Bahan yang awalnya disimpan ke belahan terkemuka Iapetus jatuh ke banyak permukaan esnya. Debu memiliki albedo rendah, yang berarti ia menyerap sebagian besar cahaya yang mengenai itu. Ini memanaskannya. Panas itu kemudian akan ditransfer ke es yang ditutupi oleh debu, dan es itu akan menyublim, yang semakin mengurangi albedo bulan (lihat Spencer & Denk 2010).

Proses serupa dapat terjadi pada Hyperion. Namun, Hyperion tidak terkunci secara diam-diam ke Saturnus - faktanya, perputarannya sangat kacau sehingga jatuh melalui ruang. Ini berarti bahwa itu seharusnya telah mengumpulkan debu di permukaannya, membuatnya gelap secara merata. Umpan balik yang sama dapat terjadi, tetapi tidak akan menghasilkan distribusi warna dan albedo yang asimetris.

Gambar 3, Verbischer et al. 2009. Grafik ini menunjukkan intensitas emisi pada berbagai ketinggian di atas ring. Titik terang adalah galaksi latar belakang.

Ada bukti untuk gagasan bahwa cincin Phoebe bertanggung jawab atas permukaan aneh Iapetus dan Hyperion, dan ada juga bukti bahwa siklus itu dimulai oleh beberapa sumber bahan lain. Cincin itu sendiri masih sedang dipelajari, baik pada panjang gelombang inframerah maupun optik, untuk mencoba membedakan ukuran dan massanya menjadi lebih presisi. Tidak peduli apakah itu mekanisme di balik perubahan warna, ia tetap - untuk saat ini - cincin terbesar Saturnus.