No século 17, os astrônomos Christiaan Huygens e Giovanni Cassini apontaram alguns dos primeiros telescópios para Saturno e fizeram uma descoberta surpreendente. As brilhantes estruturas ao redor do planeta não eram extensões sólidas do próprio mundo, mas anéis separados formados por muitos arcos finos e aninhados.
Centenas de anos depois, a missão Cassini-Huygens (Cassini) da NASA deu continuidade a essa exploração na era espacial. A partir de 2005, a sonda retornou uma enxurrada de imagens detalhadas que reformularam a visão dos cientistas sobre Saturno e suas luas. Uma das descobertas mais dramáticas veio de Encélado, uma pequena lua gelada onde gêiseres imponentes disparavam material ao espaço, criando um sub-anél tênue em torno de Saturno, formado pelos detritos ejetados.
Novas simulações computacionais realizadas no Texas Advanced Computing Center (TACC), usando dados coletados pela Cassini, agora fornecem estimativas refinadas sobre quanto gelo Encélado está perdendo para o espaço. Os números atualizados são importantes para entender a atividade interna da lua e para planejar futuras missões robóticas que possam explorar seu oceano subterrâneo, que potencialmente poderia suportar vida.
“As taxas de fluxo de massa de Encélado estão entre 20 a 40% mais baixas do que você encontra na literatura científica”, disse Arnaud Mahieux, um pesquisador sênior no Instituto Real Belga de Aeronomia Espacial e afiliado ao Departamento de Engenharia Aeroespacial e Mecanismos de Engenharia da UT Austin.
Supercomputadores e Modelos DSMC Revelam a Física do Gêiser
Mahieux é o autor correspondente de um estudo computacional sobre Encélado publicado em agosto de 2025 no Journal of Geophysical Research: Planets. Neste trabalho, ele e seus colaboradores usaram modelos de Simulação de Monte Carlo Direta (DSMC) para descrever melhor como enormes plumas de vapor d’água e grãos de gelo se comportam após erupções de rachaduras 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 determinar as condições iniciais das plumas, incluindo o tamanho das aberturas, a proporção de vapor d’água em relação aos grãos de gelo sólidos, a temperatura do material e a velocidade de saída para o espaço.
“As simulações DSMC são muito caras”, disse Mahieux. “Usamos supercomputadores do TACC em 2015 para obter as parametrizações que reduziram o tempo de computação de 48 horas para apenas alguns milissegundos agora.”
Usando essas parametrizações matemáticas, a equipe calculou propriedades-chave das plumas criovulcânicas de Encélado, como a densidade e a velocidade dos gases e partículas. Eles basearam seus cálculos nas medições da Cassini feitas enquanto a sonda voava diretamente pelos jatos.
“A principal descoberta do nosso novo estudo é que, para 100 fontes criovulcânicas, conseguimos restringir as taxas de fluxo de massa e outros parâmetros que não haviam sido derivados antes, como a temperatura da qual o material estava saindo. Isso é um grande avanço na compreensão do que está acontecendo em Encélado,” disse Mahieux.
Uma Lua Pequena com Poderosos Jatos Criovulcânicos
Encélado é uma lua relativamente pequena, com apenas cerca de 504 quilômetros de largura, e sua gravidade fraca não é suficiente para impedir que os jatos em erupção escapem para o espaço. Os novos modelos DSMC são projetados para representar com precisão esse ambiente de baixa gravidade. Modelos anteriores não capturavam a física e a dinâmica dos gases com tantos detalhes quanto a abordagem DSMC atual.
Mahieux compara o fenômeno a uma erupção vulcânica. O que Encélado faz é análogo a um vulcão lançando lava no espaço — exceto que os ejetos são plumas de vapor d’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 maneira semelhante a bolinhas de gude batendo umas nas outras. Os modelos acompanham milhões de moléculas em intervalos de tempo medidos em microssegundos. Graças ao método DSMC, os cientistas agora podem simular condições a pressões mais baixas e mais realistas, permitindo distâncias maiores entre colisões do que os modelos anteriores conseguiam lidar.
O Código Planet e o Poder dos Supercomputadores do TACC
David Goldstein, professor da UT Austin e coautor do estudo, liderou o desenvolvimento em 2011 do código DSMC conhecido como Planet. O TACC concedeu a Goldstein tempo de computação em seus supercomputadores Lonestar6 e Stampede3 através do portal de ciberinfraestrutura de pesquisa da Universidade do Texas, que fornece recursos a pesquisadores de todas as 14 instituições do sistema UT.
“Os sistemas do TACC têm uma arquitetura maravilhosa que oferece muita flexibilidade,” disse Mahieux. “Se estivermos usando o código DSMC apenas em um laptop, poderíamos simular apenas domínios pequenos. Graças ao TACC, podemos simular desde a superfície de Encélado até 10 quilômetros de altitude, onde as plumas se expandem para o espaço.”
Encélado e a Família de 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. “Esses são muitos outros mundos, além da Terra, que têm um oceano líquido. As plumas em Encélado abrem uma janela para as condições subterrâneas.”
Uma vez que as plumas carregam material de regiões profundas abaixo da superfície para o espaço, elas oferecem uma amostra natural rara do oceano escondido, sem a necessidade de perfurar através de milhas de gelo.
Futuras Missões e a Busca por Vida
A NASA e a Agência Espacial Europeia estão planejando novas missões que retornariam a Encélado com objetivos muito mais ambiciosos do que simples sobrevoos. Algumas propostas preveem pousar espaçonaves na superfície e perfurar a crosta para atingir o oceano abaixo, a fim de procurar sinais químicos de vida que possam estar preservados lá.
Enquanto isso, medir o que há dentro das plumas e quanto material elas transportam dá aos cientistas uma poderosa maneira indireta de estudar o ambiente subsuperficial. Ao analisar os jatos, os pesquisadores podem inferir as condições no oceano sem precisar perfurar fisicamente a camada de gelo.
“Supercomputadores podem nos fornecer respostas para perguntas que não poderíamos sequer imaginar fazer há 10 ou 15 anos,” disse Mahieux. “Agora podemos nos aproximar muito mais de simular o que a natureza está fazendo.”