The discovery of Encke division in Saturn’s A Ring

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(English text, Italian version is at bottom of page)

 

INTRODUCTION

Saturn, the wonder of the Solar System, is undoubtedly the most spectacular object in the sky, and there is no amateur astronomer who hasn’t admired it at least once. Saturn is the only celestial body, together with the Moon, that never disappoints the observer whichever the telescope. The feature that makes it so attractive is the system of its ice and dust rings, which attracted the attention of amateur and professional astronomers since its discovery in the seventeenth century. Today we know their structure an composition in detail, but in the past scientists watched them speculating on their nature and spent hours at the eyepiece drawing every detail and spying the slightest change in the hope to understand more.

Particular attention has always been given to the divisions between and inside the rings, of which the most famous, visible even with very small telescopes, is the Cassini division. The visibility of these divisions from Earth – before stunning images of the “fine structure” of the rings arrived from Voyager and Cassini spacecrafts, has been an intriguing subject for centuries and even today, at least for we amateurs. The rings of Saturn in fact represent an excellent “gym” for pushing our telescopes to the extreme limits of their possibilities both in visual observing and, particularly, in the electronic imaging arena, where a battle between imagers is constantly ongoing in the hunt for the tiniest detail.

But it is the visual observation of the ring divisions that I would like to deal with here. The discovery of the division known as “Encke Division” – according to the IAU nomenclature – in “A” ring can be opportunity for an interesting historical overview that is worth to narrate for its implications in high resolution observing.

Note: hereinafter “Keeler line” and “Encke division” denote the same feature.

THE BEGINNING OF THE DIVISIONS SAGA

After the discovery of the division between rings A and B by Gian Domenico Cassini in 1675 with a small non-achromatic refractor, the structure of the rings was the subject of numerous studies by astronomers, especially amateurs. However only at the beginning of the nineteenth century further divisions began to emerge in addition to the Cassini. 

In 1823 the Belgian astronomer Quetelet using a refractor of 25 cm noted that ring A is not uniform but divided into two parts, and in 1825 the English amateur Henry Kater reported three divisions extremely close each other dividing ring A into equal parts. One of them was seen very close to the outer edge:

“I fancied that I saw the outer ring separated by numerous dark divisions, extremely close, one stronger than the rest dividing the ring about equally… I have little doubt that which has been considered as the outermost ring of Saturn consists of several rings”.

However on returning to observe the planet in January 1828 Kater was unable to find the divisions again, therefore it concluded that they are not permanent structures.

Henry Kater’s drawing representing three divisions in the ring A of Saturn observed in exceptionally favorable conditions on the night of December 17, 1825. The outermost could match the Encke Division but it is impossible to be sure. The instrument used is a relatively modest Newtonian of 159 mm of aperture at 280x. From the drawing one can see that the ratio of the widths of ring A and B is not met, this cast some doubts on the drawing accuracy.

Henry Kater’s drawing representing three divisions in the ring A of Saturn observed in exceptionally favorable conditions on the night of December 17, 1825. The outermost could match the Encke Division but it is impossible to be sure. The instrument used is a relatively modest Newtonian of 159 mm of aperture at 280x. From the drawing one can see that the ratio of the widths of ring A and B is not met, this cast some doubts on the drawing accuracy.

 

In 1837 Johann Franz Encke at the Berlin Observatory and using a refractor of 245 mm, observed a dark and diffuse line, not a real division but a “minimum” of intensity, which runs through the ring almost in median position. In 1843 W. Lassell and W. R. Dawes observed the same line with a 9-inch reflector and confirmed its presence by estimating the width about 1/3 of the Cassini and the position slightly outside with respect to the middle of the ring.

In 1852-53 also George P. Bond observed the Encke line describing it as a “division, shading or seam” on the ring located at two-fifths of the breadth from the outer edge.

minimo-encke

The original drawing by Encke showing the minimum of intensity in ring A that bears his name. It appears quite large and diffuse compared to later observations as the one below.

 

Disegno di Saturno eseguito da Eugene Antoniadi il 30 luglio 1899. Il minimo di Encke è indicato da una freccia. Nel disegno originale di Encke appare un po’ più largo e sfumato.

Saturn drawing made by Eugene Antoniadi on July 30, 1899. Encke minimum is arrowed.

 

Finally, on the evening of November 23rd, 1850 while observing Saturn with his 160 mm refractor at 425x, William Dawes has the impression of a short, thin dark line close to ring edge at both ansae, suspecting it to be the Encke line that he observed a few years earlier. The next morning he receive a letter from William Lassell who communicates to have observed with his 24-inch reflector a division in ring A located at 1/3 of the ring width from its outer edge. On the day 25th, Dawes observes Saturn again and write:

“[at 282x] I was satisfied that, in finest moments, a very narrow and short line was discernible in the outer ring near its extremities; which was confirmed with power 425, with which the phenomena of the planet were better brought out”.

The next 29th, with an exceptionally stable seeing, he observes the division at 460x with such a certainty to say “Obvious!”. Dawes left us a sketch of his telescopic impressions where one can clearly see the “division” at the ansae but in a more peripheral position compared to the estimate made by Lassell, which must therefore have seen the line already discovered by Encke :

encke_dawes

Dawes’ drawing published on the Monthly Notices of the Royal Astronomical Society.

However on page 25 of the M.N.R.A.S. issue where the drawing is published we find this editorial note:

“A sketch by Mr. Dawes of the appearance of the planet and its rings as subsequently seen by him, is represented in the annexed woodcut. This is only to be considered as an illustration [in corsivo nell’originale] for neither the time nor the material allowed for any very careful rendering. The upper shadings on the body of the planet are incorrect and may be considered as non-existing”.

One can perhaps assume that the drawing was performed to represent the position of the external division and that other details on the globe have been intentionally omitted by Dawes or misreproduced by the publisher; this would not mean the drawing to be incorrect. Following the above note there are some further considerations by Dawes himself who remarks that the division appeared to him while he was looking for a satellite, thus eliminating the so-called expectation error.

The division was observed again by Dawes in 1852 and subsequently in 1854 and 1855 by the American amateur Phillip Sidney Coolidge with a 38 cm refractor reporting “three or four  fine dark lines or divisions” on ring A. 

After that we almost lose any trace of the division for several years.

The divisions in the ring observed by Coolidge between 1854 and 1855. The correspondence with the Kater observations is remarkable considering the disparity in the instrumentation used.

The divisions in the ring observed by Coolidge between 1854 and 1855. The correspondence with Kater observations is remarkable considering that the last used a much less powerful telescope and a lower magnification.

 

 

BEYOND ANY REASONABLE DOUBT: KEELER, BARNARD AND SCHIAPARELLI

keeler-photoWe find it again on January 7th, 1888 in circumstances that may be interesting to report here. That night for the first time the great 910 mm refractor of the Lick Observatory, one of the masterpieces of Alvan Clark, was pointed to the sky. The event was witnessed by the same Clark and some members of the observatory staff including the twenty-seven years old James Keeler, young promise of the rising astrophysics. The cold was so intense that the dome couldn’t be rotated and the attendees could only observe those objects that passed in front of the opening in the dome. After Rigel, the Orion Nebula and the inevitable Trapezium – in which Alvan Clark distinguished one component never observed before – it was the turn of Saturn, which in the words of Keeler appeared “beyond doubt the greatest telescopic spectacle ever beheld by man. The giant planet, with its wonderful rings, its belts, its satellites, shone with a splendor and distinctness never before equalled”. The night was beautiful and air still, which allowed Keeler to study the planet in detail: “Not only was he shining with the brilliancy due to the great size of the objective, but the minutest detail of his surface were visible with wonderful distinctness”.

In addition to known and unknown details, Keeler saw a black division, very thin (“a mere spider’s thread“) close to the edge of the A ring, a little less than 1/5 of the ring width from its outer edge. Keeler fixed his observation in a beautiful drawing, one of the finest ever made of Saturn, which was even shown to the public during the 1893 Chicago World’s Fair, and which is now proudly displayed in the foyer dell’Allegheny Observatory Keeler of which he was director from 1891 to 1898:

disegno-keeler-arrowed

Keeler watched again the division on the night of March 2nd, 1889, a night of a so exceptional seeing to allow magnifications of more than 1000x with the planet perfectly still in the eyepiece. Together with Keeler, Edward E. Barnard was also attending at the telescope. At 400x – a magnification similar to the one used by Dawes and Lassell in 1850 – both noticed a weak and diffuse shading which began at about 1/3 of the ring width starting from the edge, precisely in the position estimated by Dawes and Lassell during an observation made in 1843: it was probably the Encke minimum, still not separated by the division. But by switching from 400 to 1500x (!) they saw the narrow line discovered by Keeler the year before to form just the outer edge of the Encke minimum:

“This line marked the beginning of a dark shade which extended inward, diminishing in intensity, nearly to the great black division”.

Informed about Keeler’s discovery, in March 1890 Giovanni Schiaparelli, director of Brera Observatory in Milan, by using of the Merz-Repsold equatorial refractor (490 mm diameter) also observes the Keeler line with an eyepiece that provides 830x, estimating its position at 1/6 of the ring width from the edge. In addition, as Keeler and Barnard at Lick, Schiaparelli also notes that “the shadow [minimum] of Encke is contiguous [to the division] and ends in it.” In his notebook Schiaparelli made a small sketch of how the ring appeared on the preceding ansa:

schizzo-schiaparelli

here A is the edge of the ring, the thin line marked C is the division reported by Keeler and the broader shadow from C to B represents the Encke minimum.

Before going any further it would be good to summarize the “historical” nomenclature of the divisions with the use of an explanatory figure that I take from an image from the Cassini spacecraft of NASA and that well exemplifies the confusion made in officially naming the gaps:

nomenclatura-inglese

THE DIVISION IN THE TWENTIETH CENTURY

Now let’s jump for a few decades until the 40s of the twentieth century, during the interval between the birth of astrophysics and cosmology and the beginning of the space exploration, a period in which the interest in planetary astronomy is marginal and restricted to a small circle of stubborn scientists. Among them is a group of French astronomers based at the Pic du Midi Observatory in the Pyrenees, renowned for its exceptional seeing that in favorable circumstances can be as low as 0.2 arcseconds. Between 1943 and 1945 Bernard Lyot observe Saturn with the 60 cm refractor producing a very detailed design of the ring system:

lyot-1

Here one can see, starting from the outside of the A ring, the Encke division (IAU) first and then a series of dark lines in the region corresponding to the Encke minimum, here resolved in at least three components. Note the remarkable brightness of the edge of the ring, one of the variables that affect the visibility of the division.

Using photographs taken with various instruments in the 50s and 60s, Audouin Dollfus obtained a photometric profile of the rings:

profilo-anelli

which is in good agreement with high resolution observations from Earth. Left to the Keeler line (E) there is a succession of shallow brightness minima that overall results in the “line” described by Encke in 1837. As we have seen above this line will take over time different names: ” Encke shadow”, ” Encke division, “Encke minimum” and so on. Until the beginning of this century amateur observers referred to the minimum as to the “Encke division”, but since the CCD revolution allowed to image the Keeler line with their modest telescopes, amateurs too have adopted the official nomenclature.

Dollfus also observed that the visibility of the divisions depends on the phase angle (the Sun-planet-Earth angle): the smaller the angle the lower is the contrast between the divisions and the rings: in other words divisions are best visible before and after opposition, when the phase angle is of few degrees.

 

division-contrast-1

CONCLUSIONS (?)

Now that we have summarized all elements at our disposal we can try to identify the “division” observed by Dawes in 1850: did he really succeed in the enterprise of observing with a telescope of only 160 mm in diameter a detail within the reach of significantly larger telescopes only?

It should be observed that the visibility of the divisions is extremely variable depending on many factors related to the observer, the telescope, the sky conditions, the phase angle, the apparent diameter of the planet, so that they are sometimes visible sometimes not visible to the same observer using the same equipment.

A further difficulty arises from the angular size of the division and its distance from the edge of the ring, 0.05″ and 0.5″ respectively at mean oppposition, but it is known that resolution limits no longer apply in certain circumstances because of diffractive phenomena that tend to facilitate the observation of difficult details. For example one can see the Cassini division (0.5 “- 0.7″) with an objective of only 50 or 60 mm, or a dark line on a bright background when its angular size is only 1/14 – 1/17 of the resolution limit according to Rayleigh. Even the resolving power of Lick and Brera refractors would not be enough to see the true Encke division, however they are capable to resolve the outer segment of the ring between the division and the edge, and this allowed Keeler and Schiaparelli to see it without uncertainty.

Measuring the position of the Encke division with respect to the ring edge taking 1 as the ring width, most of the observers (Kater, Coolidge, Keeler, Schiaparelli, Lyot, Dollfus) placed it among 0.17 and 0.21 units from the edge, in good agreement with each other. In Dawes drawings, and especially in the one of Lassell, the division is instead slightly more inside the ring. On the other hand in the Astronomische Nachrichten Dawes published a drawing very similar to the one in the M.N.R.A.S.; here one can clearly see that the position of the division does not exactly coincide with that of the Encke minimum:

dawes-an

therefore it must be something else. The fact that Dawes observations cover phase angles from 4.3° to 4.8°, i.e. they coincide with the moment of the most favorable combination between contrast and planet apparent diameter, is puzzling if one considers that the British astronomer observed the division but not the minimum which would be easier to see. However Dawes already knew the minimum for having observed it before and it is therefore unlikely that he confused the two lines: “eagle eyed” Dawes was in fact famous not only for its exceptionally keen eyesight, but also for the precision of his observations. On the contrary, the observation of Lassell just seems to refer to the Encke minimum.

The key to the mystery is probably in this drawing by Keeler that closely corresponds to the description of ring A made by himself, Barnard and Schiaparelli, those who have described the division with large enough refractors to be able to discern it clearly and without uncertainties:

keeler-anello-particolare1

which, in addition to the observations made at Pic du Midi, eventually lead to conclude that between the Encke and Cassini divisions the eye captures a series of intensity minima that give rise to a diffuse shading of which the Encke minimum is a part . This shaded area, that only the largest telescopes can resolve in its finer parts (such as in Lyot drawing) has the Encke as its external border. In fact Keeler writes:

“… with insufficient optical power, this system of shading could present the appearance of an indistinct line at about one third the width of the ring from its outer edge”

It might be the shaded band adjacent to the division (indicated by the arrow in the drawing above) that Dawes observed, and not the real division itself, by virtue of the contrast between the shadow and the most peripheral segment of the ring.

It still remains the mystery of Kater’s drawing, which I can’t explain in view of the small telescope he employed. I think it is unlikely it represents the true Keeler line, while the drawing by Coolidge seems more plausible. The correspondence between the two might therefore be just a coincidence.

WHY DON’T TRY ?

It’s up to us, now, to point our telescopes to Saturn if we want to repeat the experiences I have described above. The Encke minimum is quite easy to see, very experienced observers have drawn it with refractors as small as 100 mm in diameter in very favorable conditions, but in order to succeed I would suggest a 150 mm refractor at 300x in very steady air, as the minimum requirement.

The Keeler line is present in CCD images taken with the very well known Celestron C9.25 (235 mm aperture) a still modest telescope, but visually it is much more difficult and certainly requires greater telescopes. As reported by Dollfus the most unfavorable moment for the observation is in the days around the opposition, therefore it is better to concentrate the observations few weeks before or after when the phase angle is greater. One can at least made an attempt to replicate the observations of Dawes and Lassell, who went close to see the division; about his observation of 1850, Dawes wrote:

“Very distinct definition with a power of 300 or 400 times is requisite to show it, and the primary division of the ring [la Cassini] must appear black and clear. […] A very sligh disturbance of the image is sufficient to obliterate the appearance and the impression was obtained from several fine sharp glimpses of only a few seconds in duration, – grievously tantalasing indeed, yet quite sufficient to produce convinction. It is true that this appearance is not always visibile, even under favourable atmospheric circumstances…”

Better not to have too much expectations (the magnifications employed by Keeler and Schiaparelli to see the division give an indication of how difficult is this detail) and to arm ourselves with a high dose of skepticism, this will prevent us from falling into so-called expectation error . It would also be useful to carefully examine the pictures above in order to avoid confusing the Keeler line, alias Encke division, with the Encke minimum, a still rather common mistake probably attributable to the IAU confusing nomenclature.

Good luck! ;-)

 

SUGGESTED READINGS

  • A.F.O’D. Alexander – The planet Saturn – Dover
  • Keeler’s Gap in Saturn’s A Ring, Sky&Telescope (8/1982)
  • The Encke Minima and Encke Division in Saturn’s A-Ring
  • Beyond Dawes Limit, Observing Saturn’s Ring Divisions, Sky&Telescope (11/2000)
  • F.W. Price – The Planet Observer’s Handbook – C.U.P.

 

 

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PREMESSA

Saturno, la meraviglia del Sistema Solare, è indubbiamente l’oggetto più spettacolare del cielo, e non c’è astrofilo che non l’abbia ammirato e fatto ammirare ad altri almeno una volta. E’ l’unico corpo celeste, assieme alla Luna, che nell’oculare non delude mai, qualunque telescopio si impieghi. La caratteristica che lo rende così attraente è il sistema dei suoi anelli di ghiacci e polveri, che ha attirato l’attenzione degli astronomi dilettanti e professionisti fin dalla sua scoperta nel XVII secolo. Oggi sappiamo di cosa sono fatti, ma nel passato gli scienziati li osservavano facendo congetture su congetture, e passavano ore all’oculare disegnando ogni più piccolo dettaglio e spiando ogni minimo cambiamento nella speranza di capirne di più.

Particolare attenzione hanno sempre destato le divisioni tra un anello e l’altro, di cui la più celebre, visibile anche con telescopi molto piccoli, è la Divisione di Cassini. La visibilità di queste divisioni da Terra – prima che i Voyager e poi la sonda Cassini ci restituissero immagini mozzafiato della “struttura fine” degli anelli – è un argomento intrigante ancora oggi, che se non interessa più i planetologi, i quali lavorano su ben altro, interessa però molto noi dilettanti. Gli anelli di Saturno rappresentano infatti un’ottima “palestra” per spingere ai limiti estremi le possibilità dei nostri strumenti, forse non tanto nell’osservazione visuale quanto nella ripresa digitale, che vede una sfida costante tra gli imagers alla caccia del dettaglio più minuto, spesso a rischio di presentare per realtà degli artefatti di elaborazione.

Ma è dell’osservazione visuale delle divisioni negli anelli che vorrei occuparmi qui. La scoperta della divisione detta “di Encke” – secondo la nomenclatura IAU – nell’anello A offre l’occasione per un interessante excursus storico che vale la pena di affrontare per le sue implicazioni nell’osservazione ad alta risoluzione. 

Avvertenza: nel seguito “linea di Keeler” e “divisione di Encke” denoteranno la medesima caratteristica.

LA SAGA DELLE DIVISIONI

Dopo la scoperta della divisione tra gli anelli A e B di Saturno, avvenuta nel 1675 ad opera di Gian Domenico Cassini con un rifrattore non acromatico di 63 mm di diametro, la struttura degli anelli fu oggetto di numerosi studi da parte degli astronomi, soprattutto dilettanti, ma solo all’inizio del XIX secolo iniziarono ad emergere ulteriori divisioni oltre a quella già nota.

Nel 1823 l’astronomo belga Quetelet usando un rifrattore da 25 cm di diametro nota che l’anello A non è uniforme ma sembra diviso in due parti, e nel 1825 l’inglese Henry Kater riporta tre divisioni estremamente ravvicinate una delle quali più evidente delle altre, che dividono l’anello A in parti uguali. Queste divisioni sono affiancate sia verso l’interno che verso l’esterno dell’anello, da altre divisioni ancora, una delle quali molto vicina all’orlo esterno:

“I fancied that I saw the outer ring separated by numerous dark divisions, extremely close, one stronger than the rest dividing the ring about equally… I have little doubt that which has been considered as the outermost ring of Saturn consists of several rings”.

Tuttavia riosservando il pianeta nel gennaio 1828 Kater non riuscì più a rivedere le divisioni concludendo perciò che si tratterebbe di strutture non permanenti.

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Disegno di Henry Kater che rappresenta tre divisioni nell’anello A di Saturno osservate in condizioni eccezionalmente favorevoli il 17 dicembre 1825. La più esterna potrebbe corrispondere alla Divisione di Encke ma è impossibile esserne certi. Lo strumento utilizzato per effettuare il disegno è relativamente modesto, un newtoniano da 159 mm di diametro, come pure l’ingrandimento (280x). Dal disegno si nota che la proporzione tra le larghezze dell’anello A e dell’anello B non è rispettata, quindi è legittimo avere qualche dubbio.

Nel 1837 Johann Franz Encke, direttore dell’Osservatorio di Berlino, usando un rifrattore di 245 mm, osserva una linea scura e diffusa, non una vera e propria divisione ma un “minimo” di intensità, che percorre l’anello A in posizione quasi mediana. Nel 1843 W. Lassell e W. R. Dawes osservano la linea con un riflettore di 9 pollici di diametro e ne confermano la presenza, stimandone la larghezza circa 1/3 della Cassini e la posizione leggermente all’esterno rispetto alla metà dell’anello. 

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Il disegno originale di Encke che mostra il minimo di intensità nell’anello A che porta il suo nome (almeno per noi astrofili). Si noti quanto è largo e diffuso, un aspetto che però non si ritrova in altre osservazioni (ad esempio quella qui sotto) che lo mostrano più sottile e maggiormente spostato verso il bordo dell’anello.

 

Disegno di Saturno eseguito da Eugene Antoniadi il 30 luglio 1899. Il minimo di Encke è indicato da una freccia. Nel disegno originale di Encke appare un po’ più largo e sfumato.

Disegno di Saturno eseguito da Eugene Antoniadi il 30 luglio 1899. Il minimo di Encke è indicato da una freccia. Nel disegno originale di Encke appare un po’ più largo e sfumato di come è tracciato qui.

Finalmente, la sera del 23 novembre 1850 mentre osserva Saturno col suo rifrattore da 160 mm a 425x, William Dawes ha l’impressione di vedere vicino all’estremità dell’anello esterno, in entrambe le anse, una linea scura corta e sottile. Sospetta possa trattarsi della linea di Encke, da lui osservata qualche anno prima, e si ripromette di scriverne a William Lassell per averne conferma. Combinazione, la mattina successiva riceve una lettera proprio da Lassell che gli comunica di avere osservato, col suo riflettore da 24 pollici, una divisione nell’anello A situata a 1/3 della larghezza dell’anello a partire dal suo bordo esterno. Il 25 Dawes osserva nuovamente Saturno e scrive:

[a 282x] I was satisfied that, in finest moments, a very narrow and short line was discernible in the outer ring near its extremities; which was confirmed with power 425, with which the phenomena of the planet were better brought out”.

Il 29 successivo, in condizioni di seeing eccezionalmente stabile, riosserva la divisione a 460x con tanta sicurezza da fargli esclamare “Obvious!”. Dawes ci ha lasciato uno schizzo delle sue impressioni telescopiche dove si vede chiaramente la “divisione” alle anse, ma in una posizione più periferica rispetto alla stima di Lassell, il quale deve pertanto avere osservato la linea disegnata da Encke:

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Il disegno di Dawes pubblicato sulle Monthly Notices of the Royal Astronomical Society di Londra (M.N.R.A.S.).

 

A pagina 25 delle Monthly Notices dove è pubblicato questo disegno, troviamo però questa annotazione editoriale:

“A sketch by Mr. Dawes of the appearance of the planet and its rings as subsequently seen by him, is represented in the annexed woodcut. This is only to be considered as an illustration [in corsivo nell’originale] for neither the time nor the material allowed for any very careful rendering. The upper shadings on the body of the planet are incorrect and may be considered as non-existing”.

Si può forse supporre che il disegno sia stato eseguito per tracciare la posizione della divisione esterna e che altri dettagli siano stati di conseguenza omessi. Alla nota seguono alcune considerazioni dello stesso Dawes, il quale nota che la divisione gli è apparsa mentre stava cercando un satellite, ciò che eliminerebbe il cosiddetto errore d’aspettativa.

La divisione viene riosservata nel 1852 sempre dallo stesso Dawes e successivamente nel 1854 e 1855 dall’astrofilo americano Phillip Sidney Coolidge con un rifrattore da 38 cm con cui osserva tre o quattro divisione nell’anello A, inclusa la divisione di Encke (IAU), dopo di che se ne perdono quasi del tutto le tracce.

 The divisions in the ring observed by Coolidge between 1854 and 1855. The correspondence with the Kater observations is remarkable considering the disparity in the instrumentation used.

 

OLTRE OGNI RAGIONEVOLE DUBBIO: KEELER, BARNARD E SCHIAPARELLI

keeler-photoLa ritroviamo il 7 gennaio 1888 in circostanze che può essere interessante riportare anche qui. Quella notte, infatti, per la prima volta il grande obiettivo di 910 mm di diametro del rifrattore del Lick Observatory, uno dei capolavori di Alvan Clark, veniva puntato verso il cielo. All’evento assistettero lo stesso Clark e alcuni membri dello staff dell’osservatorio tra cui il ventisettenne James Keeler, giovane promessa della nascente astrofisica. Il freddo era così intenso che non si riuscì a far ruotare la cupola e ci si dovette accontentare di osservare quegli astri che transitavano attraverso l’apertura del domo. Dopo Rigel, la Nebulosa di Orione e l’immancabile Trapezio – nel quale Alvan Clark distinse una componente mai osservata prima – si presentò anche Saturno, che nelle parole di Keeler apparve “beyond doubt the greatest telescopic spectacle ever beheld by man. The giant planet, with its wonderful rings, its belts, its satellites, shone with a splendor and distinctness never before equalled”. La notte era splendida e l’aria calmissima, e dopo che tutti i convenuti ebbero ammirato il pianeta, Keeler si mise a studiarlo dettagliatamente: “Not only was he shining with the brilliancy due to the great size of the objective, but the minutest detail of his surface were visible with wonderful distinctness”.

Oltre a particolari noti e meno noti, Keeler vide una divisione nera, sottilissima, “a mere spider’s thread”, vicino all’orlo dell’anello A, a poco meno di 1/5 della larghezza dell’anello a partire dal bordo esterno. Di quella osservazione Keeler serbò il ricordo in un magnifico disegno, uno dei più belli mai realizzati di Saturno, che venne persino mostrato al pubblico durante l’Esposizione Universale di Chicago del 1893 e che ora fa bella mostra di sé nel foyer dell’Allegheny Observatory di cui Keeler fu direttore dal 1891 al 1898:

disegno-keeler-arrowed

Keeler riosservò la divisione la notte del 2 marzo 1889, una notte di seeing tanto eccezionale da permettere ingrandimenti di oltre 1000x col pianeta perfettamente immobile nell’oculare. Assieme a Keeler era presente anche Edward E. Barnard. A 400x – un ingrandimento simile a quello usato da Dawes e Lassell nel 1850 – entrambi notarono una debole e diffusa ombreggiatura che iniziava a circa 1/3 della larghezza dell’anello a partire dall’orlo, precisamente nella posizione stimata da Dawes e Lassell durante un’osservazione effettuata nel 1843:  si trattava probabilmente del minimo di Encke, non separato dalla divisione. Ma passando da 400 a 1500x (!) essi videro che la sottilissima linea scoperta da Keeler l’anno prima veniva a proprio costituire l’orlo esterno del minimo di Encke, che andava poi allargandosi verso l’interno dell’anello:

“This line marked the beginning of a dark shade wich extended inward, diminishing in intensity, nearly to the great black division”.

Barnard stimò la larghezza di quella che da allora, fino ai Voyager, si chiamerà “linea di Keeler”, circa 1/50 di quella della Cassini. 

Informato della scoperta di Keeler, nel marzo del 1890 Giovanni Schiaparelli, osservatore assiduo di Saturno, facendo uso dell’equatoriale Merz-Repsold di 49 cm di diametro della specola di Brera, osserva lui pure la linea di Keeler con un oculare che gli fornisce 830x, stimando la sua posizione a 1/6 della larghezza dell’anello a partire dal bordo. Inoltre, come Keeler e Barnard al Lick, anche Schiaparelli nota che “l’ombra di Encke vi è contigua [alla divisione] e termina in essa”. Nel suo quaderno Schiaparelli fa un piccolo schizzo di come gli appare l’ansa dell’anello:

schizzo-schiaparelli

dove A è il bordo dell’anello, la linea sottile e marcata C è la divisione osservata da Keeler e il tratto scuro da C a B rappresenta il minimo di Encke.

Prima di proseguire sarà bene riassumere la nomenclatura “storica” delle divisioni con l’uso di una figura esplicativa che prendiamo da un’immagine della sonda Cassini della NASA e che bene esemplifica il pasticcio antistorico combinato nella denominazione dei gaps:

nomenclatura

LA DIVISIONE NEL XX SECOLO

Facciamo ora un salto di qualche decennio fino agli anni ’40 del XX secolo, nell’interregno che sta fra la nascita dell’astrofisica e della cosmologia e l’inizio dell’esplorazione spaziale, un periodo nel quale l’interesse per l’astronomia planetaria è ormai marginale e ristretto a una piccola cerchia di testardi astronomi. Tra questi vi è un gruppo di francesi attivi all’Osservatorio del Pic du Midi, sui Pirenei, rinomato per il seeing eccezionale che in circostanze particolarmente favorevoli può arrivare a 0.1 secondi d’arco. Tra il 1943 e il 1945 Bernard Lyot studia Saturno col rifrattore da 60 cm producendo un dettagliatissimo disegno del sistema degli anelli:

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Qui vediamo, partendo dall’esterno dell’anello A, dapprima la divisione di Encke (IAU) e poi una serie di linee scure nella regione corrispondente al “minimo” di Encke, qui risolto in almeno tre componenti. Si noti la notevole luminosità del bordo dell’anello, una delle variabili che influisce sulla visibilità delle divisioni.

Usando fotografie riprese al Pic con vari strumenti negli anni ’50 e ’60, Audouin Dollfus ottiene un profilo fotometrico degli anelli:

profilo-anelli

che si accorda molto bene con le osservazioni visuali ad alta risoluzione, tra cui due disegni dello stesso Dollfus di cui riporto i particolari:

dollfus-1dollfus-2

 

 

 

 

 

(si noti come varia la luminosità del bordo al variare dell’angolo di fase, 5.8° per l’immagine a sinistra, 0.3° per quella a destra). Vicino alla linea di Keeler ma in posizione più interna, si osserva una successione di minimi di luminosità poco profondi che nel complesso danno luogo a quella “linea” descritta da Encke nel 1837. Come abbiamo visto più sopra questa linea assumerà nel tempo diversi nomi: “ombra di Encke, “divisione di Encke, “minimo di Encke, “pencil line” e altro ancora.

Fino all’inizio di questo secolo tra gli osservatori dilettanti era ancora uso chiamarla “divisione di Encke”, mentre da quando le tecniche di ripresa digitale hanno permesso anche agli astrofili di riprendere la linea di Keeler, i dilettanti si sono adeguati alla nomenclatura IAU.

Dollfus osservò che la visibilità delle divisioni in relazione agli anelli dipende dall’angolo di fase (l’angolo Sole-pianeta-Terra): più piccolo è l’angolo di fase minore è il contrasto tra le divisioni e gli anelli:

division-contrast-1

detto in altre parole se si vogliono osservare bene le divisioni occorre farlo il più possibile lontano dall’opposizione, perché all’opposizione l’angolo di fase è prossimo a zero; ciò si nota, ad esempio, confrontando i due disegni di Dollfus. Sarebbe bello ritrovare quanto detto impiegando le moderne riprese CCD del pianeta effettuate con telescopi amatoriali di buon diametro, ma sfortunatamente questo genere di confronti non è possibile perché la diversa elaborazione delle immagini falsa la percezione dei dettagli, oltre a produrre artefatti proprio in corrispondenza delle divisioni.

CONCLUSIONI (?)

Ora che abbiamo riassunto gli elementi a nostra disposizione possiamo tentare di identificare la “divisione” osservata da Dawes nel 1850: riuscì egli veramente nell’impresa di osservare con un cannocchiale di soli 160 mm di diametro un dettaglio alla portata di telescopi significativamente più grandi ? 

Occorre premettere che la visibilità delle divisioni è estremamente variabile in base a molti fattori relativi all’osservatore, al telescopio, alle condizioni del cielo, all’angolo di fase, al diametro apparente del pianeta, tanto che a distanza di tempo a uno stesso osservatore capita ora di vederle ora di non vederle più e viceversa. Non si può nemmeno escludere che il loro reale aspetto sia leggermente cambiato da un secolo e più a oggi.

Un’ulteriore difficoltà è data naturalmente dalle dimensioni angolari della divisione e dalla sua distanza dal bordo dell’anello, 0.05” e 0.5” rispettivamente, ma si sa che i limiti di risoluzione non sono più applicabili in determinate circostanze perché intervengono fenomeni diffrattivi a “facilitare” le cose. Ad esempio è possibile osservare la divisione di Cassini (0.5″ – 0.7″) con un rifrattore da 50 o 60 mm, o un linea scura su uno sfondo più illuminato quando la sua dimensione angolare è solo di 1/14 – 1/17 del limite di risoluzione secondo Rayleigh. Anche il potere risolutivo del rifrattore del Lick (0.15″) e di quello di Brera (0.28″) sarebbe insufficiente per vedere la Encke, tuttavia in questo caso ha giocato favorevolmente il fatto che con questi strumenti è possibile “risolvere” l’ultimo segmento di anello, quello che sta tra la Encke e il bordo.

Se si misura la posizione della divisione di Encke rispetto al bordo dell’anello A attribuendo valore 1 alla larghezza dell’anello, si può notare che la maggior parte degli osservatori (Kater, Coolidge, Keeler, Schiaparelli, Lyot, Dollfus) la colloca tra 0.17 e 0.21 dal bordo stesso, in buon accordo tra loro. Nei disegni di Dawes, e soprattutto in quello di Lassell, la divisione si trova invece leggermente più all’interno dell’anello.  Tuttavia sulle Astronomische Nachrichten, Dawes pubblica un disegno molto simile a quello pubblicato sulle M.N.R.A.S. e dove si nota chiaramente che la posizione della divisione non coincide assolutamente con quella del minimo di Encke perché si situa più all’esterno:

dawes-an

Il fatto che le osservazioni di Dawes coprano angoli di fase da 4.3° a 4.8°, cioé si collochino nel periodo in cui la combinazione tra contrasto mostrato dalla divisione e diametro apparente del pianeta è più favorevole, lascia perplessi sul fatto l’astronomo inglese abbia osservato la divisione ma non il minimo di Encke, più facile a vedersi. Tuttavia Dawes conosceva il minimo per averlo già osservato ed è pertanto improbabile che possa avere confuso le due linee: “occhio d’aquila” Dawes era infatti famoso non solo per la sua vista eccezionalmente acuta ma anche per la metodicità e precisione delle sue osservazioni. Al contrario, l’osservazione di Lassell sembra proprio riferirsi al minimo di Encke.

La chiave del mistero sta probabilmente in questo disegno

keeler-anello-particolare1

che corrisponde precisamente alla descrizione dell’anello A da parte di Barnard, Keeler e Schiaparelli, gli unici ad avere descritto la linea di Keeler con strumenti abbastanza grandi da poterla discernere chiaramente e senza incertezze. Se a queste aggiungiamo le osservazioni compiute al Pic du Midi, si può ritenere che tra la Encke e la Cassini l’occhio colga una serie di minimi di intensità che danno origine complessivamente a un’ombreggiatura diffusa di cui il minimo di Encke costituisce una parte. Questa zona ombreggiata, che solo i maggiori telescopi “risolvono” in componenti più fini (come nel disegno di Lyot) ha nella divisione di Encke il suo confine esterno. Scrive ancora Keeler a proposito della sua osservazione col rifrattore del Lick:

“… with insufficient optical power, this system of shading could present the appearance of an indistinct line at about one third the width of the ring from its outer edge”

Sarebbe quindi la fascia ombreggiata a ridosso della divisione (indicata dalla freccia nel disegno qui sopra) che secondo me Dawes avrebbe osservato, e non la divisione vera e propria, in virtù del contrasto tra l’ombreggiatura e la parte più periferica dell’anello.

Resta il mistero dell’osservazione di Kater, che personalmente non mi so spiegare vista la modestia dei mezzi impiegati. Ritengo improbabile che possa rappresentare la linea di Keeler, mentre mi sembra più plausibile il disegno di Coolidge. La corrispondenza tra i due potrebbe dunque essere solo una coincidenza.  

E VOLENDO PROVARCI ?

Tocca a noi, adesso, puntare il telescopio su Saturno se vogliamo levarci lo sfizio di ripetere le esperienze che ho descritto più sopra. Al telescopio il minimo di Encke è abbastanza facile, osservatori dalla vista molto acuta l’hanno disegnato con rifrattori di soli 10 cm di diametro in condizioni molto favorevoli, ma per essere certi di riuscirci occorre un rifrattore di almeno 15 cm di diametro, un po’ di esperienza e un ingrandimento elevato, direi non meno di 300x. 

La linea di Keeler è presente in immagini CCD effettuate con l’arcinoto Celestron C9.25 (235 mm di apertura) un telescopio quindi ancora modesto, ma visualmente è molto più difficile e richiede certamente aperture maggiori. Come riporta Dollfus il momento più sfavorevole per tentare l’osservazione è quello vicino all’opposizione, meglio perciò concentrare le osservazioni qualche settimana prima o dopo quando l’angolo di fase è di qualche grado. Conviene partire cercando almeno di replicare le osservazioni di Dawes e Lassell, che sono andati molto vicino a scorgerla; leggiamo ancora cosa ci racconta Dawes a proposito della sua osservazione del 1850:

“Very distinct definition with a power of 300 or 400 times is requisite to show it, and the primary division of the ring [la Cassini] must appear black and clear. […] A very sligh disturbance of the image is sufficient to obliterate the appearance and the impression was obtained from several fine sharp glimpses of only a few seconds in duration, – grievously tantalasing indeed, yet quite sufficient to produce convinction. It is true that this appearance is not always visibile, even under favourable atmospheric circumstances…”

Dunque meglio non farsi troppe illusioni perché si tratta di un’impresa tutt’altro che semplice (basta vedere che ingrandimenti hanno usato Keeler e Schiaparelli) e armarsi invece di una buona dose di scetticismo, questo ci eviterà di cadere nel cosiddetto errore d’aspettativa. E’ bene riguardarsi i disegni qui sopra per evitare di confondere la linea di Keeler, alias divisione di Encke, con il minimo di Encke, un errore ancora piuttosto comune e all’origine di alcuni falsi reports che mi è capitato di leggere, complice probabilmente la nomenclatura IAU. 

Buona fortuna!  ;-) 

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