Supercomputadores decodificam o estranho comportamento das plumas de Encélado

Séculos mais tarde, a missão Cassini-Huygens (Cassini) da NASA levou essa exploração para a era espacial. A partir de 2005, a sonda enviou uma enxurrada de imagens detalhadas que remodelaram a visão que os cientistas tinham de Saturno e das suas luas. Uma das descobertas mais dramáticas veio de Encélado, uma pequena lua gelada onde imponentes gêiseres lançaram material para o espaço, criando um tênue sub-anel ao redor de Saturno feito de detritos ejetados.

Novas simulações computacionais executadas no Texas Advanced Computing Center (TACC), usando dados recolhidos pela Cassini, fornecem agora estimativas refinadas de quanto gelo Enceladus está a perder 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 potencialmente sustentar vida.

“As taxas de fluxo de massa de Encélado são entre 20 a 40 por cento mais baixas do que as encontradas na literatura científica”, disse Arnaud Mahieux, pesquisador sênior do Instituto Real Belga de Aeronomia Espacial e afiliado do Departamento de Engenharia Aeroespacial e Mecânica de Engenharia da UT Austin.

Supercomputadores e modelos DSMC revelam a física das plumas

Mahieux é o autor correspondente de um estudo computacional de Encélado publicado em agosto de 2025 no Journal of Geophysical Research: Planets. Neste trabalho, ele e os seus colaboradores usaram modelos de Simulação Direta de Monte Carlo (DSMC) para descrever melhor como enormes plumas de vapor de água e grãos de gelo se comportam após irromperem de fendas e aberturas na superfície de Encélado.

O projeto baseia-se em pesquisas anteriores lideradas por Mahieux e publicadas em 2019. Esse estudo anterior foi o primeiro a usar técnicas DSMC para definir as condições iniciais das plumas, incluindo o tamanho das aberturas, a proporção entre vapor de água e grãos de gelo sólidos, a temperatura do material e a velocidade com que ele escapa para o espaço.

“As simulações DSMC são muito caras”, disse Mahieux. “Usamos supercomputadores TACC em 2015 para obter as parametrizações para reduzir o tempo de computação de 48 horas para apenas alguns milissegundos agora.”

Usando estas parametrizações matemáticas, a equipa calculou as principais propriedades das plumas criovulcânicas de Encélado, tais como a sua densidade e a rapidez com que o gás e as partículas se movem. Eles basearam os seus cálculos nas medições da Cassini recolhidas enquanto a nave espacial voava diretamente através dos jatos.

“A principal descoberta do nosso novo estudo é que, para 100 fontes criovulcânicas, poderíamos restringir as taxas de fluxo de massa e outros parâmetros que não foram derivados antes, como a temperatura à qual o material estava a sair. Este é um grande passo em frente na compreensão do que está a acontecer em Encélado,” disse Mahieux.

Uma pequena lua com poderosos jatos criovulcânicos

Encélado é uma lua relativamente pequena, com apenas cerca de 500 quilómetros de largura, e a sua fraca gravidade não é suficientemente forte para impedir que os jactos em erupção escapem para o espaço. Os novos modelos DSMC são projetados para representar com precisão este ambiente de baixa gravidade. Os modelos anteriores não capturaram a física e a dinâmica dos gases com tantos detalhes quanto a abordagem atual do DSMC.

Mahieux compara o fenômeno a uma erupção vulcânica. O que Encélado faz é semelhante a um vulcão lançando lava para o espaço – exceto que o material ejetado são plumas de vapor de água e gelo.

As simulações rastreiam como o gás nas plumas se comporta em escalas muito pequenas, onde partículas individuais se movem, colidem e transferem energia de uma forma semelhante a bolinhas de gude saltando umas nas outras. Os modelos seguem vários milhões de moléculas em intervalos de tempo medidos em microssegundos. Devido ao método DSMC, os cientistas podem agora simular condições a pressões mais baixas e mais realistas e permitir distâncias maiores entre colisões do que os modelos anteriores conseguiam suportar.

O Código do Planeta e o Poder dos Supercomputadores TACC

David Goldstein, professor da UT Austin e coautor do estudo, liderou o desenvolvimento em 2011 do código DSMC conhecido como Planet. A TACC concedeu tempo de computação à Goldstein em seus supercomputadores Lonestar6 e Stampede3 por meio do portal de infraestrutura cibernética de pesquisa da Universidade do Texas, que fornece recursos para pesquisadores em todas as 14 instituições do sistema UT.

“Os sistemas TACC possuem uma arquitetura maravilhosa que oferece muita flexibilidade”, disse Mahieux. “Se usarmos o código DSMC apenas num portátil, só poderemos simular pequenos domínios. Graças ao TACC, podemos simular a partir da superfície de Encélado até 10 quilómetros de altitude, onde as plumas se expandem para o espaço.”

Encélado e a família dos mundos oceânicos gelados

Saturno orbita além do que os astrônomos chamam de “linha de neve” no sistema solar, junto com outros planetas gigantes que hospedam luas geladas, incluindo Júpiter, Urano e Netuno.

“Há um oceano de água líquida sob essas ‘grandes bolas de gelo’”, disse Mahieux. “Há muitos outros mundos, além da Terra, que possuem um oceano líquido. As plumas de Encélado abrem uma janela para as condições subterrâneas.”

Como as plumas transportam material das profundezas da superfície para o espaço, oferecem uma amostra natural rara do oceano oculto, sem a necessidade de perfurar quilómetros de gelo.

Missões Futuras e a Busca pela Vida

A NASA e a Agência Espacial Europeia estão a planear novas missões que regressariam a Encélado com objectivos muito mais ambiciosos do que simples sobrevôos. Algumas propostas prevêem pousar naves espaciais na superfície e perfurar a crosta para chegar ao oceano abaixo, a fim de procurar sinais químicos de vida que possam ser preservados ali.

Entretanto, medir o que está dentro das plumas e a quantidade de material que transportam dá aos cientistas uma poderosa forma indirecta de estudar o ambiente subterrâneo. Ao analisar os jatos, os pesquisadores podem inferir as condições do oceano sem ter que perfurar fisicamente a camada de gelo.

“Os supercomputadores podem nos dar respostas a perguntas que nem sonharíamos em fazer há 10 ou 15 anos”, disse Mahieux. “Agora podemos chegar muito mais perto de simular o que a natureza está fazendo.”