Supercomputadoras revelan el comportamiento de los géiseres de Encélado

En el siglo XVII, los astrónomos Christiaan Huygens y Giovanni Cassini realizaron un sorprendente descubrimiento al observar Saturno: las brillantes estructuras alrededor del planeta no eran extensiones sólidas, sino anillos formados por múltiples arcos delgados.

Siglos después, la misión Cassini-Huygens de NASA llevó esa exploración a la era espacial. Desde 2005, la nave espacial proporcionó una gran cantidad de imágenes detalladas que transformaron la visión científica sobre Saturno y sus lunas. Uno de los hallazgos más impactantes provino de Encélado, una pequeña luna helada donde géiseres imponentes expulsaban material al espacio, creando un tenue sub-anillo alrededor de Saturno hecho de los escombros expulsados.

Nuevas simulaciones computacionales realizadas en el Texas Advanced Computing Center (TACC), utilizando datos recolectados por Cassini, ahora ofrecen estimaciones más precisas sobre la cantidad de hielo que Encélado está perdiendo al espacio. Estos números actualizados son cruciales para entender la actividad interna de la luna y para planificar futuras misiones robóticas que podrían explorar su océano enterrado, que podría potencialmente albergar vida.

"Las tasas de flujo de masa de Encélado son entre un 20 y un 40 por ciento más bajas de lo que se encuentra en la literatura científica", afirmó Arnaud Mahieux, investigador senior en el Royal Belgian Institute for Space Aeronomy y afiliado al Departamento de Ingeniería Aeroespacial y Mecánica de UT Austin.

Supercomputadoras y modelos DSMC revelan la física de los géiseres

Mahieux es el autor correspondiente de un estudio computacional sobre Encélado publicado en agosto de 2025 en el Journal of Geophysical Research: Planets. En este trabajo, él y sus colaboradores utilizaron modelos de Direct Simulation Monte Carlo (DSMC) para describir mejor cómo se comportan los enormes géiseres de vapor de agua y granos de hielo después de erupcionar desde grietas y ventilaciones en la superficie de Encélado.

El proyecto se basa en investigaciones anteriores lideradas por Mahieux y publicadas en 2019. Ese estudio previo fue el primero en utilizar técnicas DSMC para determinar las condiciones iniciales de los géiseres, incluyendo el tamaño de las ventilaciones, la proporción de vapor de agua a granos de hielo sólido, la temperatura del material y la velocidad a la que escapa al espacio.

"Las simulaciones DSMC son muy costosas", dijo Mahieux. "Utilizamos supercomputadoras del TACC en 2015 para obtener las parametrizaciones que redujeron el tiempo de cálculo de 48 horas a solo unos pocos milisegundos ahora".

Usando estas parametrizaciones matemáticas, el equipo calculó propiedades clave de los géiseres criovolcánicos de Encélado, como su densidad y la velocidad a la que se mueven los gases y partículas. Basaron sus cálculos en las mediciones de Cassini recolectadas mientras la nave espacial volaba directamente a través de los chorros.

"El hallazgo principal de nuestro nuevo estudio es que para 100 fuentes criovolcánicas, pudimos restringir las tasas de flujo de masa y otros parámetros que no se habían derivado antes, como la temperatura a la que el material estaba saliendo. Este es un gran avance en la comprensión de lo que está sucediendo en Encélado", afirmó Mahieux.

Una luna pequeña con potentes géiseres criovolcánicos

Encélado es una luna relativamente pequeña, con un diámetro de aproximadamente 505 kilómetros, y su gravedad débil no es suficiente para evitar que los chorros en erupción escapen al espacio. Los nuevos modelos DSMC están diseñados para representar con precisión este entorno de baja gravedad. Modelos anteriores no capturaron la física y la dinámica de gases con tanto detalle como el enfoque DSMC actual.

Mahieux compara el fenómeno con una erupción volcánica. Lo que hace Encélado es similar a un volcán arrojando lava al espacio, excepto que los desechos son géiseres de vapor de agua y hielo.

Las simulaciones rastrean cómo se comporta el gas en los géiseres a escalas muy pequeñas, donde las partículas individuales se mueven, colisionan y transfieren energía de manera similar a canicas que rebotan entre sí. Los modelos siguen a millones de moléculas en pasos de tiempo medidos en microsegundos. Gracias al método 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 podían manejar.

El código Planet y el poder de las supercomputadoras TACC

David Goldstein, profesor en UT Austin y coautor del estudio, lideró el desarrollo en 2011 del código DSMC conocido como Planet. TACC otorgó a Goldstein tiempo de computación en sus supercomputadoras Lonestar6 y Stampede3 a través del portal de ciberinfraestructura de investigación de la Universidad de Texas, que proporciona recursos a investigadores de todas las 14 instituciones del sistema UT.

"Los sistemas TACC tienen una arquitectura maravillosa que ofrece mucha flexibilidad", dijo Mahieux. "Si estuviéramos usando el código DSMC en solo una laptop, solo podríamos simular dominios pequeños. Gracias a TACC, podemos simular desde la superficie de Encélado hasta 10 kilómetros de altitud, donde los géiseres se expanden hacia el espacio".

Encélado y la familia de mundos oceánicos helados

Saturno orbita más allá de lo que los astrónomos llaman la "línea de nieve" en el sistema solar, junto con otros planetas gigantes que albergan lunas heladas, incluyendo Júpiter, Urano y Neptuno.

"Hay un océano de agua líquida bajo estas 'grandes bolas de hielo'", dijo Mahieux. "Estos son muchos otros mundos, además de la Tierra, que tienen un océano líquido. Los géiseres de Encélado abren una ventana a las condiciones subterráneas".

Debido a que los géiseres transportan material desde lo profundo de la superficie al espacio, ofrecen una rara muestra natural del océano oculto, sin necesidad de perforar a través de millas de hielo.

Futuras misiones y la búsqueda de vida

NASA y la Agencia Espacial Europea están planeando nuevas misiones que regresarían a Encélado con objetivos mucho más ambiciosos que simples sobrevuelo. Algunas propuestas contemplan aterrizar naves espaciales en la superficie y perforar a través de la corteza para alcanzar el océano subyacente, con el fin de buscar signos químicos de vida que podrían estar preservados allí.

Mientras tanto, medir lo que hay dentro de los géiseres y cuánto material transportan brinda a los científicos una poderosa forma indirecta de estudiar el entorno subsuperficial. Al analizar los chorros, los investigadores pueden inferir las condiciones en el océano sin tener que perforar físicamente a través de la capa de hielo.

"Las supercomputadoras pueden darnos respuestas a preguntas que ni siquiera soñábamos con hacer hace 10 o 15 años", dijo Mahieux. "Ahora podemos acercarnos mucho más a simular lo que la naturaleza está haciendo".