Efter århundraden av att se med vördnad och förundran över skönheten hos Saturnus och dess ringar, vi kan nu lyssna på dem, tack vare ansträngningarna från astrofysiker vid University of Toronto (U of T).

"För att fira den stora finalen av NASA:s Cassini-uppdrag nästa månad, vi omvandlade Saturnus månar och ringar till två musikstycken, " säger astrofysikern Matt Russo, en postdoktor vid Canadian Institute for Theoretical Astrophysics (CITA) vid fakulteten för konst och naturvetenskap vid U of T.

Omvandlingen till musik möjliggörs av orbitala resonanser, som uppstår när två objekt kör olika antal hela banor samtidigt, så att de fortsätter att återgå till sin ursprungliga konfiguration. De rytmiska gravitationsdragen mellan dem håller dem låsta i ett tätt repeterande mönster som också kan omvandlas direkt till musikalisk harmoni.

"Varhelst det finns resonans finns det musik, och ingen annan plats i solsystemet är mer packad med resonanser än Saturnus, säger Russo.

Rymdfarkosten Cassini har samlat in data medan den kretsar kring Saturnus sedan dess ankomst 2004 och befinner sig nu i en slutgiltig dödsspiral. Den kommer att störta in i själva planeten den 15 september för att undvika att förorena någon av dess månar.

Russo fick sällskap av astrofysikern Dan Tamayo, en postdoktor vid CITA och Center for Planetary Sciences vid U of T Scarborough, och tillsammans kunde de spela musik med ett instrument som mätte över en miljon kilometer långt. De musikaliska tonerna och rytmerna kommer båda från Saturnus månars omloppsrörelse tillsammans med banorna för de biljoner små partiklar som utgör ringsystemet.

"Saturnus magnifika ringar fungerar som ett bollplank som skjuter upp vågor på platser som harmoniserar med planetens många månar, och vissa par av månar är själva låsta i resonanser, säger Tamayo.

Musik av månarna och ringarna

För det första stycket som följer Cassinis sista steg, forskarna ökade de naturliga omloppsfrekvenserna för Saturnus sex stora inre månar med 27 oktaver för att komma fram till musikaliska toner. "Det du hör är månarnas faktiska frekvenser, skiftat till det mänskliga hörselområdet", säger Russo. Teamet använde sedan en toppmodern numerisk simulering av månsystemet utvecklat av Tamayo för att spela de resulterande tonerna varje gång en måne fullbordar en bana.

Månsystemet har två orbitala resonanser som ger rytmisk och harmonisk struktur åt den annars ostadiga vaggvisans melodi. De första och tredje månarna Mimas och Tethys är låsta i en 2:1-resonans så att Mimas kretsar två gånger för varje bana om Tethys. Samma förhållande länkar banorna för den andra och fjärde månen Enceledus och Dione, och kombinationen av de två enkla rytmerna skapar intressanta musikmönster när de faller in och ut ur synkronitet.

"Eftersom en fördubbling av frekvensen av en ton ger samma ton en oktav högre, de fyra inre månarna producerar bara två olika toner nära en perfekt kvint från varandra, säger Russo, som också är utexaminerad från U of T's Jazz Performance Program. "Den femte månen Rhea fullbordar ett durackord som störs av den olycksbådande ingången till Saturnus största måne, Titan."

Russo och Tamayo får sällskap i projektet av Toronto-musiker, och Matts långvariga bandkamrat, Andrew Santaguida. "Dan förstår orbitala resonanser lika djupt som någon annan och Andrew är en musikproduktionsguide. Mitt jobb är att koppla samman dessa två världar."

Titan ger faktiskt Cassini-sonden den sista pushen som får den att skynda mot sin död i hjärtat av Saturnus. Musiken följer Cassinis sista flygning över ringsystemet genom att omvandla ringarnas ständigt ökande orbitala frekvenser till en dramatiskt stigande tonhöjd; volymen på tonen ökar och minskar tillsammans med de observerade ljusa och mörka banden på ringarna. Cassinis död när den kraschar in i Saturnus hörs som en sista krasch av ett sista pianoackord, som var inspirerad av The Beatles "A Day in the Life", där ett rikt durakord följer ett liknande spänt crescendo.

Förutom soundtracket, Russo har låtit göra en stor träsnideri av Saturnus ringar så att folk kan följa med med fingertopparna medan de lyssnar. Snidningen kommer att vara en del av en astronomiutställning för taktilt ljud på Canadian National Institute for the Blind's Night Steps insamlingsevenemang för synskadade i Toronto den 15 september, samma dag som Cassini-uppdraget är planerat att avslutas.

Resonances of Janus översatt till musik

Det andra stycket visar skalorna som spelas av Janus och Epimetheus, två små oregelbundna månar som delar en bana strax utanför Saturnus huvudringsystem. Tillsammans är de ett exempel på 1:1 resonans, den enda i solsystemet. Paret kretsar på lite olika avstånd från Saturnus men med en skillnad som är så försumbar byter de plats vart fjärde år. Kompositionen simulerar de sista månaderna av Cassinis uppdrag, medan Janus närmar sig Epimetheus innan han stjäl dess plats 2018. Tillsammans, de två månarna spelar en unison drönare men med en ständigt skiftande rytm som upprepas vart åttonde år.
Russo spelade en C#-ton på sin gitarr en gång för varje omlopp medan en cello upprätthåller en ton för varje resonans i ringarna.

"Varje ring är som en cirkulär sträng, ständigt böjs av Janus och Epimetheus när de jagar varandra runt sin delade bana, " säger Russo. Cassini tog nyligen en bild av en av krusningarna som detta skapar i ringarna. För att förvandla detta till musik, Russo och Santaguida använde ljusstyrkans variationer i denna bild för att kontrollera cellonens intensitet.

"Saturnus dansande månar har nu ett soundtrack, säger Russo.

Russo, Tamayo och Santaguida är samma grupp som konverterade det nyligen upptäckta planetsystemet TRAPPIST-1 till musik för några månader sedan. De har döpt sitt astro-ljuds sidoprojekt till SYSTEM Sounds) och hoppas kunna fortsätta utforska universum efter andra bevis på naturligt förekommande harmonisk resonans.