No século XVII, os astrónomos Christian Huygens e Giovanni Cassini apontaram alguns dos primeiros telescópios para Saturno e fizeram descobertas surpreendentes. As estruturas brilhantes ao redor do planeta não são extensões físicas do próprio mundo, mas anéis individuais formados por muitos arcos pequenos e aninhados.
Séculos mais tarde, a missão Cassini-Huygens da NASA trouxe esta exploração para a era espacial. A partir de 2005, a sonda enviou uma riqueza de imagens detalhadas que remodelaram a visão que os cientistas tinham de Saturno e das suas luas. Uma das descobertas mais impressionantes vem de Encélado, uma lua pequena e gelada cujos imponentes gêiseres ejetam material para o espaço, criando um tênue sub-anel de detritos ejetados ao redor de Saturno.
Novas simulações computacionais realizadas pelo Texas Advanced Computing Center (TACC) usando dados coletados pela Cassini podem agora fornecer uma estimativa precisa de quanto gelo Enceladus está perdendo para o espaço. Os números atualizados são importantes para a compreensão da atividade interna da Lua e para o planeamento de futuras missões robóticas que possam explorar o seu oceano enterrado, que poderá sustentar vida.
“A taxa de fluxo de massa em Encélado é 20 a 40 por cento menor do que o relatado na literatura científica”, disse Arnaud Mahieux, pesquisador sênior do Instituto Real de Aeronáutica e Astronáutica da Bélgica e afiliado ao Departamento de Engenharia Aeroespacial e Engenharia Mecânica da Universidade do Texas em Austin.
Modelos de supercomputadores e DSMC revelam física de plumas
Mahieux é o autor correspondente do estudo computacional de Encélado, publicado em agosto de 2025 no Journal of Geophysical Research: Planets. Neste trabalho, ele e os seus colaboradores usaram um modelo de simulação direta de Monte Carlo (DSMC) para descrever melhor o comportamento de plumas gigantes de vapor de água e partículas de gelo depois de saírem de fendas e aberturas na superfície de Encélado.
O projeto baseia-se em pesquisas anteriores lideradas por Mahieux e publicadas em 2019. Pesquisas anteriores foram as primeiras a usar a tecnologia DSMC para determinar as condições iniciais da pluma, incluindo o tamanho das aberturas, a proporção entre vapor de água e partículas sólidas de gelo, a temperatura do material e a rapidez com que ele escapa para o espaço.
“A simulação DSMC é muito cara”, disse Mahieux. “Usamos o supercomputador TACC para obter parametrizações em 2015, reduzindo os tempos de cálculo de 48 horas para milissegundos agora.”
Usando estes parâmetros matemáticos, a equipa calculou as principais propriedades das plumas vulcânicas criogénicas de Encélado, tais como a sua densidade e a rapidez com que os gases e as partículas se movem. Os seus cálculos baseiam-se em medições recolhidas pela sonda Cassini enquanto esta passava directamente pelo jacto.
“A principal descoberta do nosso novo estudo é que, para 100 fontes criogénicas de vulcões, podemos restringir o fluxo de massa e outros parâmetros anteriormente não derivados, como a temperatura a que o material sai. Este é um grande passo em frente na compreensão do que está a acontecer em Encélado,” disse Mathieux.
Lua pequena com poderosas erupções criovulcânicas
Encélado é uma lua relativamente pequena, com apenas cerca de 500 quilómetros de diâmetro, e a sua fraca gravidade não é suficientemente forte para impedir que jatos em erupção escapem para o espaço. O novo modelo DSMC visa representar com precisão este ambiente de baixa gravidade. Os primeiros modelos não capturaram a física e a dinâmica dos gases com tantos detalhes quanto os métodos DSMC atuais.
Mahieux comparou o fenômeno a uma erupção vulcânica. Encélado age de forma semelhante a um vulcão que ejeta lava para o espaço, exceto que as ejeções são plumas de vapor d’água e gelo.
Estas simulações rastreiam o comportamento do gás em plumas em escalas muito pequenas, com partículas individuais movendo-se, colidindo e transferindo energia de uma maneira semelhante a bolinhas de gude ricocheteando umas nas outras. Esses modelos rastreiam milhões de moléculas em intervalos de tempo medidos em microssegundos. Com o método DSMC, os cientistas podem agora simular condições com pressões mais baixas e mais realistas e permitir distâncias maiores entre colisões do que os modelos anteriores eram capazes de suportar.
Planet Code e o poder dos supercomputadores TACC
David Goldstein, professor da Universidade do Texas em Austin e coautor do estudo, liderou o desenvolvimento do código DSMC chamado Planet em 2011. A TACC concedeu tempo de computação a Goldstein em seus supercomputadores Lonestar6 e Stampede3 por meio do Portal de Infraestrutura de Rede de Pesquisa da Universidade do Texas, que fornece recursos para pesquisadores em todas as 14 instituições do Sistema UT.
“O sistema TACC possui uma arquitetura excelente que oferece muita flexibilidade”, disse Mahieux. “Se usássemos apenas o código DSMC num portátil, só poderíamos simular domínios minúsculos. Com o TACC, podemos simular até 10 quilómetros da superfície de Encélado, onde as plumas se expandem para o espaço.”
Encélado e a família dos mundos oceânicos gelados
A órbita de Saturno se estende além do que os astrônomos chamam de “linha de neve” do sistema solar, e outros planetas gigantes com luas geladas incluem Júpiter, Urano e Netuno.
“Há um oceano de água líquida embaixo dessas ‘grandes bolas de gelo’”, disse Mahieux. “Além da Terra, existem muitos outros mundos com oceanos líquidos. As plumas de Encélado abrem uma janela para o que está acontecendo no subsolo.”
Como as plumas transportam material das profundezas da superfície para o espaço, elas fornecem amostras naturais raras de oceanos ocultos sem a necessidade de perfurar quilômetros de gelo.
Missão futura e exploração da vida
A NASA e a Agência Espacial Europeia estão a planear novas missões que regressarão a Encélado com objectivos mais ambiciosos do que um simples sobrevôo. Algumas propostas prevêem a aterragem de naves espaciais na superfície e a perfuração através da crosta até ao oceano abaixo, em busca de sinais químicos de vida que possam ser preservados ali.
Ao mesmo tempo, medir o que está dentro das plumas e o quanto elas carregam dá aos cientistas uma poderosa forma indireta de estudar ambientes subterrâneos. Ao analisar os jatos, os pesquisadores podem inferir as condições do oceano sem realmente perfurar a camada de gelo.
“Os supercomputadores podem nos dar respostas a perguntas que não poderíamos imaginar há 10 ou 15 anos”, disse Mahieux. “Agora podemos simular mais de perto o comportamento da natureza.”
