En el siglo XVII, los astrónomos Christian Huygens y Giovanni Cassini apuntaron algunos de los primeros telescopios a Saturno e hicieron un descubrimiento sorprendente. Las estructuras brillantes alrededor del planeta no eran extensiones sólidas del mundo en sí, sino anillos individuales formados a partir de muchos arcos delgados y anidados.
Siglos más tarde, la misión Cassini-Huygens (Cassini) de la NASA llevó esa búsqueda a la era espacial. A partir de 2005, la nave espacial devolvió una avalancha de imágenes detalladas que remodelaron la visión de los científicos de Saturno y sus lunas. Uno de los descubrimientos más dramáticos proviene de Encelado, una pequeña luna helada donde géiseres gigantes disparan material al espacio, creando un tenue subanillo alrededor de Saturno hecho de escombros expulsados.
Nuevas simulaciones por computadora realizadas en el Centro de Computación Avanzada de Texas (TACC), utilizando datos recopilados por Cassini, proporcionan una estimación refinada de cuánto hielo está perdiendo actualmente Encelado. Las cifras actualizadas son importantes para comprender el funcionamiento interno de la Luna y para planificar futuras misiones robóticas para explorar sus océanos enterrados, que potencialmente podrían albergar vida.
“La tasa de flujo másico de Encelado es entre un 20 y un 40 por ciento menor que lo que se encuentra en la literatura científica”, dijo Arnaud Mahieux, investigador principal del Instituto Real Belga de Aeronomía Espacial y asociado en el Departamento de Ingeniería Aeroespacial e Ingeniería Mecánica de UT Austin.
Supercomputadoras y modelos DSMC revelan la física del penacho
Mahieux es el autor correspondiente de un estudio computacional de Encelado publicado en agosto de 2025 en la revista Geophysical Research: Planets. En este trabajo, él y sus colaboradores utilizaron modelos de Monte Carlo (DSMC) de simulación directa para describir mejor cómo se comportan el vapor de agua y los granos de hielo después de salir de grietas y agujeros en la superficie de Encelado.
El proyecto se basa en investigaciones anteriores dirigidas por Mahieux y publicadas en 2019. Ese estudio anterior fue el primero en utilizar técnicas DSMC para precisar las condiciones iniciales de la columna, incluido el tamaño del respiradero, la proporción de vapor de agua y granos de hielo sólidos, la temperatura del material y la velocidad a la que escapa al espacio.
“La simulación DSMC es muy cara”, afirma Mahieux. “Utilizamos los superordenadores TACC en 2015 para reducir el tiempo de cálculo de 48 horas a sólo unos pocos milisegundos para obtener las parametrizaciones”.
Utilizando estas parametrizaciones matemáticas, el equipo calculó propiedades clave de las columnas criovolcánicas de Encelado, como su densidad y la velocidad a la que se mueven el gas y las partículas. Basaron sus cálculos en mediciones de Cassini recopiladas mientras la nave espacial volaba directamente a través del chorro.
“El principal resultado de nuestro nuevo estudio es que para 100 fuentes criovolcánicas, podemos limitar el caudal másico y otros parámetros que no se habían obtenido antes, como la temperatura a la que salía el material. Este es un gran paso para comprender lo que está sucediendo en Encelado”, dijo Mahieux.
Una pequeña luna con potentes chorros criovolcánicos
Encelado es una luna relativamente pequeña, de sólo 313 millas de diámetro, y su débil gravedad no es lo suficientemente fuerte como para evitar que los chorros explosivos escapen al espacio. Los nuevos modelos DSMC están diseñados para representar con precisión este entorno de baja gravedad. Los modelos anteriores no capturaban la física y la dinámica del gas con tanto detalle como el enfoque actual DSMC.
Mahieux comparó el fenómeno con una erupción volcánica. Lo que hace Encelado es arrojar lava al espacio como un volcán: vapor de agua y hielo helado sin material eyectado.
Las simulaciones rastrean cómo se comportan los gases en la columna a escalas muy pequeñas, donde las partículas individuales se mueven, chocan y transfieren energía de manera similar a como canicas rebotan entre sí. Los modelos siguen cientos de millones de moléculas con pasos de tiempo medidos en microsegundos. Gracias al enfoque DSMC, los científicos ahora pueden simular condiciones a presiones más bajas y más realistas y permitir distancias más largas entre colisiones que los modelos anteriores.
Planet Code y el poder de la supercomputadora TACC
David Goldstein, profesor de UT Austin y coautor del estudio, dirigió el desarrollo del código DSMC conocido como PLANET en 2011. TACC proporcionó a Goldstein tiempo de computación en sus supercomputadoras Lonestar6 y Stampede3 a través del Portal de Infraestructura Cibernética de Investigación de la Universidad de Texas, que proporciona recursos a los investigadores de las 14 instituciones del Sistema UT.
“El sistema TACC tiene una arquitectura excelente que proporciona mucha flexibilidad”, afirma Mahieux. “Si sólo usáramos el código DSMC en un ordenador portátil, sólo podríamos simular dominios diminutos. Gracias a TACC, podemos simular hasta 10 kilómetros sobre la superficie de Encelado, donde las columnas se extienden hacia el espacio”.
Encelado y la familia de mundos oceánicos helados
Saturno orbita más allá de lo que los astrónomos llaman la “línea de nieve”, junto con otros planetas gigantes que albergan lunas de hielo, incluidos Júpiter, Urano y Neptuno.
“Debajo de estas ‘grandes bolas de hielo’ hay un océano de agua líquida”, dijo Mahieux. “Hay muchos otros mundos, además de la Tierra, que tienen un océano líquido. Las columnas de Encelado abren una ventana a las condiciones del subsuelo”.
Debido a que las columnas transportan material desde las profundidades de la superficie hacia el espacio, proporcionan una rara muestra natural de océanos ocultos, sin la necesidad de perforar kilómetros de hielo.
Misiones futuras y búsquedas de vida.
La NASA y la Agencia Espacial Europea están planeando nuevas misiones que regresarán a Encelado con objetivos mucho más ambiciosos que los típicos sobrevuelos. Algunas propuestas prevén aterrizar naves espaciales en la superficie y perforar la corteza hasta llegar al fondo del océano, para buscar signos químicos de vida preservada allí.
Mientras tanto, medir lo que hay dentro de las columnas y cuánto material transportan ofrece a los científicos una poderosa forma indirecta de estudiar el entorno de la superficie. Al analizar los chorros, los investigadores pueden inferir las condiciones del océano sin perforar físicamente la capa de hielo.
“Los superordenadores pueden darnos respuestas a preguntas que ni siquiera podíamos plantearnos hace 10 o 15 años”, afirma Mahieux. “Ahora podemos acercarnos mucho más a imitar lo que hace la naturaleza”.
