Na eeuwen met ontzag en verwondering te hebben gekeken naar de schoonheid van Saturnus en zijn ringen, we kunnen ze nu beluisteren, dankzij de inspanningen van astrofysici aan de Universiteit van Toronto (U of T).

"Om volgende maand de Grand Finale van NASA's Cassini-missie te vieren, we hebben de manen en ringen van Saturnus omgezet in twee muziekstukken, " zegt astrofysicus Matt Russo, een postdoctoraal onderzoeker aan het Canadian Institute for Theoretical Astrophysics (CITA) in de Faculty of Arts &Science aan de U of T.

De conversie naar muziek wordt mogelijk gemaakt door orbitale resonanties, die optreden wanneer twee objecten tegelijkertijd verschillende aantallen volledige banen uitvoeren, zodat ze blijven terugkeren naar hun oorspronkelijke configuratie. De ritmische aantrekkingskracht tussen hen houdt ze opgesloten in een strak herhalend patroon dat ook direct kan worden omgezet in muzikale harmonie.

"Overal waar resonantie is, is muziek, en geen enkele andere plaats in het zonnestelsel zit meer vol met resonanties dan Saturnus, ' zegt Russo.

Het Cassini-ruimtevaartuig verzamelt sinds zijn aankomst in 2004 gegevens terwijl het in een baan om Saturnus draait en bevindt zich nu in de greep van een laatste doodsspiraal. Het zal op 15 september in de planeet zelf duiken om te voorkomen dat een van zijn manen wordt besmet.

Russo werd vergezeld door astrofysicus Dan Tamayo, een postdoctoraal onderzoeker bij CITA en het Center for Planetary Sciences aan de U of T Scarborough, en samen waren ze in staat om muziek te spelen met een instrument van meer dan een miljoen kilometer lang. De muzieknoten en ritmes zijn beide afkomstig van de orbitale beweging van de manen van Saturnus, samen met de banen van de triljoenen kleine deeltjes die het ringsysteem vormen.

"De prachtige ringen van Saturnus fungeren als een klankbord dat golven lanceert op locaties die in harmonie zijn met de vele manen van de planeet, en sommige manenparen zijn zelf opgesloten in resonanties, ' zegt Tamaya.

Muziek van de manen en ringen

Voor het eerste stuk dat volgt op Cassini's laatste duik, de onderzoekers verhoogden de natuurlijke orbitale frequenties van de zes grote binnenste manen van Saturnus met 27 octaven om tot muzieknoten te komen. "Wat je hoort zijn de werkelijke frequenties van de manen, verschoven naar het bereik van het menselijk gehoor", zegt Russo. Het team gebruikte vervolgens een ultramoderne numerieke simulatie van het maansysteem ontwikkeld door Tamayo om de resulterende noten te spelen elke keer dat een maan een baan voltooit.

Het maansysteem heeft twee orbitale resonanties die ritmische en harmonische structuur geven aan de anders onvaste melodie in slaapliedjesstijl. De eerste en derde manen Mimas en Tethys zijn vergrendeld in een 2:1 resonantie, zodat Mimas twee keer ronddraait voor elke baan van Tethys. Dezelfde relatie verbindt de banen van de tweede en vierde manen Enceledus en Dione, en de combinatie van de twee eenvoudige ritmes creëert interessante muzikale patronen als ze in en uit synchroniciteit vallen.

"Omdat het verdubbelen van de frequentie van een noot dezelfde noot een octaaf hoger produceert, de vier binnenste manen produceren slechts twee verschillende tonen dicht bij een perfecte kwint uit elkaar, " zegt Russo, die ook is afgestudeerd aan het U of T's Jazz-uitvoeringsprogramma. "De vijfde maan Rhea voltooit een majeur akkoord dat wordt verstoord door de onheilspellende ingang van de grootste maan van Saturnus, Titan."

Russo en Tamayo worden in het project vergezeld door een muzikant uit Toronto, en Matt's oude bandlid, Andreas Santaguida. "Dan begrijpt orbitale resonanties net zo goed als iedereen en Andrew is een tovenaar van muziekproductie. Het is mijn taak om deze twee werelden met elkaar te verbinden."

Titan geeft de Cassini-sonde in feite het laatste duwtje dat hem naar zijn dood in het hart van Saturnus stuurt. De muziek volgt Cassini's laatste vlucht over het ringsysteem door de constant toenemende orbitale frequenties van de ringen om te zetten in een dramatisch stijgende toonhoogte; het volume van de toon neemt toe en af, samen met de waargenomen heldere en donkere banden van de ringen. De dood van Cassini terwijl het tegen Saturnus botst, wordt gehoord als een laatste crash van een laatste pianoakkoord, die werd geïnspireerd door The Beatles' "A Day in the Life", waarin een rijk majeurakkoord een even gespannen crescendo volgt.

Naast de geluidsband, Russo heeft een groot houtsnijwerk laten maken van de ringen van Saturnus, zodat mensen tijdens het luisteren met hun vingertoppen kunnen volgen. Het beeldhouwwerk zal deel uitmaken van een tentoonstelling over tactiele audio-astronomie in het Canadian National Institute for the Blind's Night Steps, een fondsenwervingsevenement voor blinden en slechtzienden in Toronto op 15 september. dezelfde dag dat de Cassini-missie zal eindigen.

Resonanties van Janus vertaald in muziek

Het tweede stuk toont de toonladders gespeeld door Janus en Epimetheus, twee kleine onregelmatige manen die een baan delen net buiten het hoofdringsysteem van Saturnus. Samen zijn ze een voorbeeld van 1:1 resonantie, de enige in het zonnestelsel. Het paar draait op iets andere afstanden van Saturnus, maar met een verschil dat zo verwaarloosbaar is dat ze om de vier jaar van plaats wisselen. De compositie simuleert de laatste paar maanden van Cassini's missie, terwijl Janus dichter bij Epimetheus komt voordat hij zijn plaats in 2018 steelt. Samen, de twee manen spelen een unisono drone maar met een constant verschuivend ritme dat zich elke acht jaar herhaalt.
Russo speelde één keer een C#-noot op zijn gitaar voor elke baan, terwijl een cello een noot aanhoudt voor elke resonantie binnen de ringen.

"Elke ring is als een cirkelvormige snaar, voortdurend gebogen worden door Janus en Epimetheus terwijl ze elkaar achtervolgen rond hun gedeelde baan, ", zegt Russo. Cassini heeft onlangs een afbeelding gemaakt van een van de rimpelingen die dit binnen de ringen veroorzaakt. Om dit in muziek om te zetten, Russo en Santaguida gebruikten de helderheidsvariaties in dit beeld om de intensiteit van de cello te regelen.

"De dansende manen van Saturnus hebben nu een soundtrack, ' zegt Russo.

Rus, Tamayo en Santaguida zijn dezelfde groep die een paar maanden geleden het recent ontdekte planetenstelsel TRAPPIST-1 in muziek heeft omgezet. Ze hebben hun astro-sonische nevenproject SYSTEM Sounds genoemd) en hopen het universum te blijven onderzoeken op zoek naar ander bewijs van natuurlijk voorkomende harmonische resonantie.