El Gran Final de Cassini
Los grandes hitos científicos europeos de la sonda Cassini
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| Imagen del autor de la sonda Cassini entre los anillos de Saturno. Crédito: NASA/JPL-Caltech. |
La misión internacional Cassini-Huygens ha explorado Saturno y sus anillos y lunas durante 13 años, y concluirá sumergiéndose en la atmósfera del planeta la próxima semana. Este artículo destaca algunos de los emocionantes descubrimientos de la misión dirigidos por equipos europeos.
Cassini es un programa internacional: una colaboración entre la NASA, la ESA y la agencia espacial ASI de Italia, además de varios contribuyentes académicos e industriales europeos. Diecinueve naciones contribuyeron a la construcción de la nave espacial, y los equipos científicos internacionales en todo el mundo han logrado una mejor comprensión de Saturno y su entorno a través de la misión de 12 instrumentos científicos. Dos de los instrumentos, el Analizador de Polvo Cósmico y el Magnetómetro, están dirigidos por equipos investigadores europeos principales, pero todos los equipos son verdaderamente internacionales. En total, 27 naciones han participado en la misión.
Se han generado miles de publicaciones académicas revisadas por pares, y alrededor de un tercio están dirigidas por un primer autor de un Estado miembro de la ESA, estado cooperador o establecimiento de la ESA, algunas de las cuales se destacan en este artículo. Además, la ESA brinda apoyo a través de sus dos antenas de seguimiento de espacio profundo sensibles en New Norcia, Australia Occidental y Malargüe, Argentina, que jugaron un papel importante durante los últimos meses de Cassini en órbita.
La sonda Huygens de la ESA
Cassini llevó la sonda Huygens de la ESA a Saturno, donde la sonda se desprendió y se asentó durante 20 días antes de descender a Titán, la luna más grande del planeta. Huygens aterrizó en Titán el 14 de enero de 2005, convirtiéndose en la primera sonda en aterrizar en un mundo en el Sistema Solar exterior.
Se equipó con seis instrumentos, cuatro conducidos por investigadores principales europeos y dos EEUU. La sonda reveló el sorprendente paisaje similar a la Tierra bajo la densa y nebulosa atmósfera rica en nitrógeno de la luna, sus líneas de costa y canales de río aparentemente tallados con metano líquido, en lugar de agua, dadas las temperaturas de la superficie de -180ºC.
Durante su descenso de dos horas y media, Huygens perfiló la atmósfera de la luna en términos de presión, temperatura y densidad, midió vientos súper giratorios y realizó mediciones in situ de la composición química de las partículas de turbidez. Huygens transmitió desde la superficie de Titán otros 72 minutos hasta que Cassini desapareció en el horizonte, pero los datos siguen manteniendo a los científicos ocupados hoy.
Siga el enlace en inglés para más información sobre Huygens.
Cassini en Titán
Cassini siguió realizando descubrimientos en Titán durante sus 127 vuelos directos, que también abarcaban todos los aspectos de la Luna, desde su estructura interna hasta su superficie rica en hidrocarburos, su atmósfera nebulosa y más allá hasta su interacción con el viento solar .
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| Lagos y mares en Titán. Crédito: Imagen central: NASA/JPL-Caltech/ASI/USGS; izquierda y derecha: NASA/ESA. Agradecimiento: T. Cornet, ESA |
Procesos de superficie
Utilizando el radar y el sistema de ciencias de la radio, que incluye la antena de alta ganancia construida por ASI, Cassini reveló que más de 1,6 millones de kilómetros cuadrados de Titán, casi el 2%, están cubiertos de líquido, incluyendo varios grandes mares y numerosos lagos pequeños.
Un estudio, dirigido por Alice Le Gall en el Laboratoire Atmosphères, Milieux en Francia, encontró que uno de los mares más grandes, Ligeia Mare, está lleno de metano puro. Un equipo dirigido por Marco Mastrogiuseppe de la Università La Sapienza, de Roma, Italia, utilizó un radio sonoro para determinar que la profundidad del mar era de hasta 160 m en algunos lugares, la primera detección del fondo de un mar extraterrestre. Al observar la emisión térmica, también determinaron que el lecho marino está cubierto por una capa de lodo rico en compuestos orgánicos. Mientras que la precipitación de metano fresca probablemente contribuye a la reposición del mar, moléculas más pesadas insolubles como nitrilos y benceno se cree que se hunden en el suelo para crear el lodo.
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| Imagen de autor de la sonda Cassini. Crédito: NASA/JPL-Caltech. |
Mientras tanto, Thomas Cornet y sus colegas de la Universidad de Nantes, Francia, detectaron los lagos efímeros, depresiones grandes y poco profundas que a veces se llenan de líquido, similares a las vistas en la Tierra. Ontario Lacus es el lago más grande del hemisferio sur de Titán y se piensa que sus características cambiantes se deben a fluidos de hidrocarburos subterráneos que ocasionalmente crecen e inundan la depresión, antes de secarse parcialmente de nuevo. Los sedimentos alrededor de Ontario Lacus también indicaron que el nivel de líquido ha sido mayor en el pasado.
El radar también se ha utilizado para analizar las dunas cambiantes de Titán, que cubren aproximadamente el 13% de su superficie, extendiéndose sobre 10 millones de kilómetros cuadrados. Las dunas de Titán, hechas de hidrocarburos sólidos que precipitan fuera de la atmósfera, son gigantescas según los estándares terrenales: tienen un promedio de 1-2 km de ancho, cientos de kilómetros de largo y alrededor de 100 m de altura.
El equipo de Alice Le Gall encontró que su tamaño y espaciamiento varían a través de la superficie, aparentemente controlados por la altitud y la latitud. Los principales campos de dunas se encuentran en las zonas de las tierras bajas en las regiones ecuatoriales, mientras que los de mayor altura son más estrechos y más ampliamente separados, lo que indica una cubierta de arena más delgada.
Además, las regiones del norte, hogar de los muchos lagos, probablemente tiene un mayor contenido de humedad del suelo, lo que hace que las partículas de arena sean menos móviles. En general, los granos son desplazados por los vientos de baja velocidad que se desplazan sobre la superficie de la luna en diferentes direcciones a lo largo del año, que en Titán es equivalente a 30 años de la Tierra, lo que los acumula en ciertos lugares a lo largo del tiempo.
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| El interior de Titan. Crédito: Angelo Tavani. |
Océano subsuperficial
Los indicios de que Titán se jactó de un océano sub superficial ya provenían de Huygens basado en detecciones de corrientes eléctricas en la atmósfera superior de la luna. El patrón único de señales de radio sugirió un océano enterrado alrededor de 55-80 km de profundidad, bajo una corteza helada.
Utilizando el sistema de radio ciencia de Cassini, el equipo de Luciano Iess en la Università La Sapienza de Roma estudió la estructura interna de Titán por el modo en que la nave espacial fue sacada de rumbo por la luna mientras pasaba. Las desviaciones en la velocidad son detectables en las señales de radio de la nave espacial recibidas por las estaciones terrestres, y proporcionan una medida de las variaciones de la gravedad a lo largo de la órbita. Esto se puede traducir en la distribución de la masa dentro de la luna, y por lo tanto proporcionan restricciones en su estructura interna. Utilizando esta técnica, el equipo también encontró mareas en Titán que distorsionan la superficie en más de 10 m. La observación apunta a un océano líquido, probablemente agua, remolino por debajo de la superficie. Los modelos sugieren que puede ser de hasta 250 km de profundidad debajo de una capa de hielo de unos 50 km de espesor.
La presencia de un océano también ayudaría a explicar algunos aspectos de la atmósfera de Titán, es decir, por qué tiene tanto metano, que dada su vida natural de corta duración debe ser reabastecido de alguna manera. Dado que los depósitos de metano en los lagos de hidrocarburos de superficie de Titán no son suficientes para explicar las grandes cantidades en la atmósfera, un océano podría actuar como un depósito profundo. Entender el ciclo de hidrocarburos de Titán y cómo los procesos atmosféricos estacionales están vinculados a la producción de neblina orgánica ha proporcionado un enfoque para muchos equipos de instrumentos.
Neblina orgánica
Científicos que utilizan el espectrómetro de plasma de Cassini, CAPS, que es liderado por el investigador principal Hunter Waite en el Instituto de Investigación del Suroeste de Estados Unidos y con numerosos co-investigadores en Europa, han ido afilando gradualmente los bloques de construcción de las partículas de turbidez orgánica en la atmósfera de Titán.
El co-investigador Andrew Coates y su equipo en el Laboratorio de Ciencias Espaciales Mullard de la University College de Londres en Reino Unido, que proporcionó el espectrómetro de electrones del instrumento, hicieron la sorprendente observación de grandes moléculas cargadas negativamente en la atmósfera superior de Titán. Átomos y moléculas son ionizados por la radiación ultravioleta solar y por impactos de partículas energéticas que se originan principalmente de la magnetosfera de Saturno, rompiendo el nitrógeno y el metano. Se esperaba una abundancia de moléculas cargadas positivamente, pero no cargadas negativamente, que son altamente reactivas y no duran mucho en la atmósfera de Titán antes de combinarse con otros materiales.
El descubrimiento inicial indicó que los procesos complejos estaban implicados en la producción de las partículas de turbidez, con los iones negativos aparentemente desempeñando un papel clave. De hecho, un estudio reciente, unos 10 años después de la detección inicial de Cassini, encontró moléculas lineales de cadena de carbono alrededor de 1000 km por encima de la superficie lunar que sembraron las moléculas orgánicas más grandes más abajo.
Aunque no se ha detectado ninguna vida en Titán, se cree que su atmósfera es similar a la de la Tierra antes de que se desarrollara la vida y, por lo tanto, puede ser visto como un laboratorio a escala planetaria para comprender las reacciones químicas que pueden haber llevado a la vida en la Tierra.
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| Vortex en Titan. Crédito: NASA/JPL–Caltech/Space Science Institute |
Cambiando temporadas
Con el espectrómetro infrarrojo compuesto de Cassini, científicos liderados por Nick Teanby de la Universidad de Bristol, Reino Unido, estudiaron el cambio rápido en las estaciones de la luna Titán de Saturno, después del equinoccio en agosto de 2009, que vio la formación de un vórtice giratorio y una acumulación de gases exóticos a alturas inesperadamente altas de unos 400 km sobre el polo sur de la luna.
La formación del vórtice indica el efecto de las estaciones cambiantes en el patrón de la circulación en la atmósfera de Titán, específicamente con el aire más fresco que se hunde abajo de altitudes más calientes, altas. Los cambios ocurrieron durante un período de tiempo sorprendentemente corto: alrededor de seis meses, rápido para un mundo con más de siete años de largas temporadas.
Los científicos liderados por Remco de Kok del Observatorio de Leiden y el Instituto Holandés de Investigación Espacial de SRON utilizaron los datos del Espectrómetro Visual e Infrarrojo de Cassini para determinar que este gigantesco vórtice polar contiene partículas congeladas del compuesto tóxico cianuro de hidrógeno, HCN. fría como -148ºC, consistente con la atmósfera de enfriamiento rápido a medida que cambiaban las estaciones.
Más allá de la atmósfera de Titán
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| Mirando a través de la bruma de Titán. Crédito: NASA/JPL/Universidad de Arizona/Universidad de Idaho. |
Utilizando CAPS, y también la sonda de Langmuir de Cassini, que fue proporcionada por el Instituto Sueco de Física Espacial y es parte del paquete de la Radio Cassini y la Ciencia de las Ondas de Plasma (o RPWS), los científicos podrían estudiar las capas atmosféricas más ionizadas de Titán: su ionosfera. La ionización de las moléculas por la luz ultravioleta solar y los impactos de las partículas energéticas de la magnetosfera de Saturno no sólo conducen a la producción de la compleja química orgánica, sino que también crean una pérdida de componentes atmosféricos.
Desde los primeros pilotos, la sonda de Langmuir pudo ver que las condiciones en la magnetosfera de Saturno afectan la estructura y dinámica de la ionosfera de Titán. Saturno y su magnetosfera giran junto con un período de casi 11 horas, como se deduce de las mediciones de radio. A la distancia de Titán, unos 20 radios de Saturno, la luna pasa alrededor del 95% de su tiempo dentro de la magnetosfera, una situación que causa un flujo de plasma que barre por Titán, erosionando las capas superiores de su atmósfera. Alrededor de siete toneladas por día de la atmósfera de Titán se encontró que se escapa en promedio dominado por iones pesados - una pérdida significativa durante miles de millones de años.
El magnetómetro Cassini, dirigido por el investigador principal Michele Dougherty en el Imperial College de Londres, determinó que Titán no tiene su propio campo magnético intrínseco, y también contribuyó a los estudios de la interacción de Titán con las franjas exteriores de la magnetosfera de Saturno.
El análisis combinado de los datos del magnetómetro con los del espectrómetro de plasma Cassini y el espectrómetro de ondas de radio y plasma mostró que cuando Titán está temporalmente fuera de la magnetosfera de Saturno, su atmósfera retiene una memoria del campo magnético del plasma que rodea a Saturno. Cuando Titán fue directamente expuesto al viento solar, el equipo del magnetómetro encontró que Titán se comporta como otros cuerpos nomagnetizados, como Venus o Marte, con el viento solar envuelto alrededor de la atmósfera de la Luna. El estudio de este efecto nos ayuda a comprender los procesos asociados con la pérdida atmosférica a lo largo del tiempo.
Encelado
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| Imagen de Encelado. Crédito: NASA/JPL-Caltech/Space Intitute. |
El magnetómetro también hizo importantes descubrimientos en las lunas heladas de Saturno, incluyendo una primera pista de uno de los mayores hallazgos de toda la misión, que Encelado escondía un océano de agua líquida bajo la superficie de su corteza helada.
Durante el primer sobrevuelo de Encelado, el magnetómetro vio el campo magnético de Saturno curvado alrededor del polo sur de Encelado en una forma que no era simétrica. Esto resultó ser la primera detección de la pluma que rocía del océano interno de la luna, con otros instrumentos que posteriormente confirmaron con imágenes espectaculares y con la composición de los granos siendo eyectados en la pluma.
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| Plumas de Encelado. Crédito: NASA/JPL/Space Science Institute |
El Analizador de Polvo Cósmico (CDA), dirigido por Ralf Srama de la Universidad de Stuttgart en Alemania, tomó muestras directas de las partículas expulsadas por Encelado. Las partículas en el anillo E de Saturno, que es alimentado por Encelado, se encontró que muestran una alta abundancia de sales y minerales que podrían originarse de un reservorio de agua líquida.
Las investigaciones de la ciencia de la radio de Luciano Iess confirmaron de hecho la presencia de un mar subterráneo, con la cáscara del hielo prensada al agua excesivamente líquida a una profundidad de alrededor 30-40 kilómetros en el hemisferio meridional. Mientras que los datos de gravedad no podían descartar un océano global, un mar regional que se extiende desde el polo sur hasta la latitud 50ºS parecía más consistente con la topografía de la luna y altas temperaturas locales observadas alrededor de las fracturas (llamadas "rayas de tigre"), se consideran originarios.
Además, las mediciones in situ de los penachos y las detecciones de pequeñas partículas ricas en silicato demostraron que probablemente había actividad hidrotérmica en el fondo marino. Se cree que las partículas ricas en silicato se originan donde el agua caliente disuelve los minerales del interior rocoso de la luna, lo que podría ocurrir en los respiraderos hidrotermales.
Un análisis más reciente de los datos recogidos con el Espectrómetro de Masa de Ion Neutral de Cassini reveló gas hidrógeno en el penacho, señalando nuevamente la reacción de las rocas con agua caliente, continuando con el argumento de la potencial habitabilidad del océano subterráneo de Encelado.
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| División de los anillos de Saturno, se nombran en orden de descubrimiento empezando por la letra A. Crédito: NASA/JPL-Caltech. |
Imágenes imponentes de los anillos de Saturno han maravillado a muchos espectadores por su belleza. Para un equipo liderado por Carl Murray en la Universidad de Londres, el anillo F y sus muchas características desconcertantes ha sido su foco. El estrecho y contorsionado anillo está íntimamente unido a las lunas Prometeo y Pandora, que se tejen hacia y lejos del anillo, extrayendo estructuras en el material del anillo. El equipo también descubrió que algunos de los pequeños fragmentos de pícaro accidentalmente se estrellan a través del núcleo del anillo F, arrastrando partículas de hielo con ellos para formar serpentinas largas.
El anillo F no es el único anillo controlado por una luna. Encelado alimenta el amplio anillo difuso E de Saturno con partículas de agua helada, que se extiende desde la órbita de la luna Mimas hasta más allá de Titán, según datos de Cosmic Dust Analyzer. Encelado es también una fuente importante de material ionizado que llena la enorme burbuja magnética alrededor de Saturno la magnetosfera. Expulsa alrededor de 100 kg de agua en el espacio cada segundo. Uno de los principales descubrimientos del espectrómetro de plasma fue que la mayoría de los iones en el sistema de Saturno provienen del agua eyectada por la luna Encelado de Saturno. Cuando se exponen a la magnetosfera ya la luz solar ultravioleta en el espacio, las partículas eyectadas se ionizan, lo que significa que adquieren una carga eléctrica. Pero, ¿dónde van todos los iones de agua? Utilizando el Espectrómetro de Plasma Cassini y el magnetómetro, Chris Arridge y sus colegas de la Universidad de Lancaster, Reino Unido, encontraron la primera evidencia directa de liberaciones explosivas de energía en la magnetosfera, de tal manera que este proceso de "reconexión magnética" permite que el plasma escape. Durante las grandes órbitas finales, el espectrómetro de Cassini intentará determinar si parte de este plasma se pierde en la atmósfera superior de Saturno.
El sensor de electrones del espectrómetro de plasma también reveló que Encelado está unido a Saturno por poderosas corrientes eléctricas. El movimiento de Encelado y su ionosfera a través de la magnetosfera de Saturno actúa como un dínamo, estableciendo una corriente eléctrica y creando una huella auroral en Saturno. El mismo proceso ya se había visto entre Júpiter y tres de sus lunas.
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| Hexágono y anillos de Saturno. Crédito: NASA/JPL-Caltech/Space Science Institute |
Mientras tanto, las pequeñas lunas Methone y Anthe, ambas descubiertas en las imágenes de Cassini entre las órbitas de Mimas y Encelado, se encontraron ligadas a dos peculiares interrupciones en la lluvia casi constante de electrones de alta energía que bombardean a Cassini cuando está cerca de Saturno. Utilizando el Sistema de Medición Magnetosférica de Baja Energía de Cassini, parte del Instrumento Magnetosférico de Imagen, Elias Roussos del Instituto Max Planck para la Investigación del Sistema Solar en Alemania informó que los agujeros abiertos cayeron a lo largo de las órbitas de las entonces recién descubiertas lunas.
No sólo se piensa que las superficies polvorientas de las lunas absorben una proporción de las partículas de alta energía, pero sus superficies también están perdiendo polvo a través de impactos de micrometeoritos, acumulando arcos significativos de material a lo largo de sus órbitas, creando anillos parciales casi invisibles.
Roussos y sus colegas también descubrieron un cinturón de radiación transitoria en Saturno con el mismo instrumento, cerca de la órbita de las lunas Dione y Tethys. Fue observado como aumentos repentinos en la intensidad de las partículas cargadas de alta energía en la parte interna de la magnetosfera de Saturno, y probablemente fue causado por un cambio en las intensidades de los rayos cósmicos en Saturno que surgen de las tormentas solares que alcanzan el planeta. El cinturón fue detectado sólo unas pocas semanas después de cada una de sus apariciones, lo que sugiere que las partículas cargadas fueron absorbidas por las lunas. Al mismo tiempo, los cinturones de radiación interna estaban claramente separados por un espacio de radiación permanente a lo largo de la órbita de la luna Tethys, que aparentemente protege estas correas de las influencias del viento solar. En cambio, estos cinturones de radiación probablemente surgen de la interacción de los anillos principales del planeta y la atmósfera con partículas de rayos cósmicos galácticos que, a diferencia del viento solar, tienen las energías muy altas necesarias para penetrar la más profunda magnetosfera de Saturno.
Más allá de Saturno
Estudiar cómo la inmensa magnetosfera de Saturno interactúa con el viento solar fue un aspecto importante de los estudios de Cassini. Durante un encuentro casual con una ráfaga inusualmente fuerte de viento solar que llegó a Saturno, el Espectrómetro de Plasma Cassini y el Instrumento Magnetosférico de Imágenes detectaron partículas siendo aceleradas a energías ultra-altas, y una de las descargas más fuertes jamás encontradas en Saturno. El escenario imitaba los tipos de aceleraciones que se producen en los restos de supernova, los gritos de muerte de las estrellas moribundas, dando a los científicos la capacidad de estudiar la naturaleza de un choque de supernova in situ en nuestro propio Sistema Solar y salvar la distancia a los fenómenos astrofísicos de alta energía lejanos que por lo general sólo se estudian a distancia.
El Instrumento Magnetosférico de Imagen también se usó para determinar la forma de la heliosfera de nuestro Sistema Solar - la burbuja magnética creada por el viento solar. Anteriormente se pensaba que era en forma de cometa, con una cabeza apuntando hacia la corriente del medio interestelar y una cola que fluía hacia abajo, pero los datos de Cassini sugirieron que era más esférica, controlada por el campo magnético interestelar por el que pasa.
Un equipo dirigido por el científico del proyecto Cassini de la ESA, Nicolas Altobelli, utilizó el Analizador de Polvo Cósmico (CDA) para muestrear los granos de polvo interestelar procedentes de fuera de nuestro Sistema Solar. Aunque la mayoría de las partículas recogidas por el CDA provenían de Enceladus, un puñado se destacó en su alta velocidad y dirección de impacto. Podrían remontarse a la nube interestelar local: una burbuja casi vacía de gas y polvo que atraviesa nuestro Sistema Solar con una dirección y velocidad distintas.
El CDA también midió partículas rápidas ricas en silicato escapando del entorno de Saturno. Se descubrió una corriente de partículas de silicato de tamaño nanométrico, originarias de Saturno y que viajaban a muy alta velocidad (cientos de km / s) cuando Cassini llegaba a Saturno. Esta población de partículas y el mecanismo de aceleración, vinculados al campo magnético giratorio del planeta, se sabía que existían en Júpiter - Cassini mostró que la misma física está en juego en Saturno.
Ciencia hasta el final
Los instrumentos científicos de Cassini seguirán devolviendo datos únicos hasta el final. Desde el 22 de abril de 2017, Cassini ha estado haciendo inmersiones semanales entre la atmósfera superior de Saturno y sus anillos más internos, recolectando datos sin precedentes en esta región previamente inexplorada, incluyendo las primeras mediciones in situ en este ambiente.
Mientras se cruza el plano anular, el CDA ha estado muestreando directamente la composición de partículas de polvo de diferentes partes del sistema de anillos. Con su investigación de la ciencia de la radio, Cassini puede medir el campo gravitacional de Saturno tan cerca como 3000 kilómetros de las capas superiores de la nube, mejorando grandemente los modelos actuales de la estructura interna del planeta, su rotación, y vientos en su atmósfera.
Saturno en verde
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| Después de Cassini, evaluando el legado de la misión de Cassini a Saturno. Los descubrimientos de Cassini están alimentando futuras exploraciones en el Sistema Solar. Crédito: NASA/JPL-Caltech/Space Science Institute. |
Los científicos esperan que los nuevos datos también les permitan desentrañar la gravedad del planeta de la tirada minúscula ejercida en la nave espacial por los anillos, estimando la masa total de los anillos con una exactitud sin precedente. Las estaciones terrestres de la ESA en Argentina y Australia ayudaron a recibir los datos de la ciencia de la radio de Cassini, proporcionando una serie de 22 pases de seguimiento durante la gran final.
Las grandes órbitas finales también están probando el campo magnético del planeta a corta distancia. Observaciones anteriores han demostrado que el campo magnético es más débil de lo esperado, con el eje magnético sorprendentemente bien alineado con la rotación del planeta. Nuevos datos que serán recopilados por el magnetómetro Cassini proporcionarán información para entender por qué esto es así y dónde están ubicadas las fuentes del campo magnético, o si algo en la atmósfera de Saturno que ha estado oscureciendo el verdadero campo magnético de Cassini hasta ahora.
Durante las últimas cinco semanas, las órbitas de Cassini la han sumergido en la atmósfera superior del planeta. Un último vuelo lejano de Titán el 11 de septiembre pondrá la nave espacial en su trayectoria final, ajustando su órbita para enviarla a sumergirse en la atmósfera del planeta. Ocho instrumentos (CDA, CIRS, INMS, MAG, MIMI, RPWS, RSS y UVIS) recopilarán datos durante la inmersión final, transmitiéndolos a la Tierra en tiempo casi real. Cassini sin duda sorprenderá a los científicos con más de los secretos ocultos de Saturn hasta el final de su pionera misión.
