La scoperta di Encelado e Mimas

William Herschel si occupò di Saturno in diverse Memorie:

  1. Memoria_1 (firmata 3.11.1789, letta 12.11.1789): "Account of the Discovery of a Sixth and Seventh Satellite of the Planet Saturn; with Remarks on the Construction of its Ring, its Atmosphere, its Rotation on an Axis, and its spheroidical Figure", Philosophical Transactions, 80, Part I (1790), 1-20 [Scientific Papers I {ar} p. 370]
  2. Memoria_2 (letta 17.6.1790): "On the Satellites of the Planet Saturn, and the Rotation of its Ring on an Axis", Philosophical Transactions, 80, Part II (1790), 427-495 [Scientific Papers I {ar} p. 382]
  3. Memoria_3 (letta 15.12.1791): "On the Ring of Saturn, and the Rotation of the fifth Satellite upon its Axis", Philosophical Transactions, 82, Part I (1792), 1-22 [Scientific Papers I {ar} p. 426]
  4. Memoria_4 (firmata 14.12.1793, letta 19.12.1793): "Observations of a quintuple Belt on the Planet Saturn", Philosophical Transactions, 84, Part I (1794), 28-32 [Scientific Papers I {ar} p. 452]
  5. Memoria_5 (firmata 22.1.1794, letta 23.1.1794): "On the Rotation of the Planet Saturn upon Its Axis", Philosophical Transactions, 84, Part I (1794), 48-66 [Scientific Papers I {ar} p. 458]
  6. Memoria_6 (letta 20.6.1805): "Observations on the Singular Figure of the Planet Saturn", Philosophical Transactions, 95, Part II (1805), 272-280 [Scientific Papers II {ar} p. 332]
  7. Memoria_7 (firmata 12.6.1806, letta 26.6.1806): "Observations and Remarks on the Figure, the Climate, and the Atmosphere of Saturn, and Its Ring", Philosophical Transactions, 96, Part II (1806), 455-467 [Scientific Papers II {ar} p. 360]
  8. Memoria_8 (letta 7.4.1808): "Observations of a Comet, Made with a View to Investigate Its Magnitude and the Nature of Its Illumination. To Which is Added, an Account of a New Irregularity Lately Perceived in the Apparent Figure of the Planet Saturn", Philosophical Transactions, 98, Part II (1808), 145-163 [Scientific Papers II {ar} p. 411]

Nel 1787 Herschel era occupato a studiare i satelliti di Urano; il 19 agosto registrò la probabile esistenza di un sesto satellite di Saturno, ma non avendo tempo di approfondire la questione e non disponendo di tavole dei 5 satelliti noti, non potè stabilire se il V satellite fosse oppure no uno dei 5 che aveva osservato quella notte. Solo due anni dopo potè verificare che in un disegno fatto in quell'occasione il V satellite era stato segnato erroneamente come stella b, quindi effettivamente aveva osservato 6 satelliti.

Nel 1789 lo strumento da 20 piedi fu intensamente usato per misure zenitali, ed Herschel aspettò che fosse completato il grande telescopio da 40 piedi per riprendere le osservazioni planetarie. Non appena fu montato ed in fase di collaudo, l'astronomo non seppe resistere alla tentazione di verificarlo su Saturno con un ingrandimento 189; l'effetto fu immediato. Scrisse sul suo diario:

28 agosto 1789, avendo posto il telescopio sul parallelo di Saturno, scoprii un sesto satellite del pianeta, e inoltre vidi le macchie su Saturno meglio di come le avessi mai viste prima, sicchè potei considerare finito il telescopio da 40 piedi in quella data.

Ecco come fu registrata l'osservazione:

[Scientific Papers I {ar} p. lii]
Saturno con 5 stelle in linea, veramente magnifico. La più vicina di queste cinque è probabilmente un satellite, che è fino a questo momento sfuggito all'osservazione. È meno luminoso degli altri. Quello che mi ha fatto pensare immediatamente per un satellite è l'esatto allineamento con gli altri 4 e l'anello. L'anello è molto luminoso ma estremamente sottile. Vedo delle macchie scure molto estese su Saturno, in maniera molto più netta di come le abbia mai visto prima. Il nuovo satellite è più vicino all'estremità dell'anello della lunghezza della parte che dell'anello che si proietta oltre il corpo di Saturno. Sembra abbastanza luminoso, ora che è scoperto, perchè lo possa scorgere e seguire con il telescopio da 20 piedi. Non avendo il moto laterale, non lo posso seguire più di quanto non mi consenta la scala.

Saturno aveva un moto retrogrado di 4'.5 al giorno, e dopo due ore e mezza di osservazione fu facile concludere che il pianeta si trascinava dietro 6 satelliti: ce n'era uno nuovo (quello che oggi chiamiamo Encelado). Come aveva sperato, Herschel lo verificò con il telescopio da 20 piedi. Successivamente, si rese conto che l'aveva già osservato il 18 luglio, scambiandolo per Tethys, e il 27, sempre con il 20-piedi. L'11 giugno 1789 Herschel aveva letto davanti alla Royal Society una Memoria sulle nebulose; quando fu il momento di mandarla in stampa ("Catalogue of a Second Thousand of New Nebulae and Clusters of Stars; With a Few Introductory Remarks on the Construction of the Heavens", Philosophical Transactions, 79, Part II (1789), 212-255), fece introdurre una breve nota:

[Scientific Papers I {ar} p. 365]
P.S. The planet Saturn has a sixth satellite revolving round it in about 32 hours, 48 minutes. Its orbit lies exactly in the plane of the Ring, and within that of the first satellite. An account of its discovery with the forty-feet reflector, and a more accurate determination of its revolution and distance from the planet will be presented to the Royal Society at their next Meetings.

Herschel continuò le osservazioni in ogni occasione possibile, e grazie al telescopio da 40 piedi il 17 settembre scoprì il settimo satellite (Mimas) alla massima elongazione precedente. Alle ore 21 Mimas si trovava giusto precedendo l'anello, fra esso e il primo satellite; seguendo il pianeta ce n'era un altro che dapprima Herschel scambiò per un nuovo satellite, e lo fece vedere alla moglie, al fratello e alla sorella; ma poi si accorse che si trattava di Encelado. Alle 23.31 verificò i 6 satelliti con il 40 piedi e la scoperta di Mimas fu così stabilita. Si sarebbe accorto in seguito che l'aveva già osservato con il 20 piedi l'8 settembre e forse anche il 14 settembre; una presunta osservazione del 29 agosto fu poi smentita.

Herschel continuò ad osservare i satelliti sino alla fine dell'anno, sempre (con l'eccezione detta sopra) con il 20 piedi, che trovava più efficiente. Non appena riuscì a calcolare le tavole dei moti di questi satelliti, ricavò la loro posizione nel passato, trovando che alcune protuberanze nelle "braccia" dell'anello erano dovute ad essi, e potè migliorare gli elementi. Per il sesto satellite trovò un periodo di 1d8h53m9s (utilizzando anche l'osservazione del 19.8.1787) e giudicò che fosse meno luminoso del primo; il settimo aveva un periodo di 22h40m46s ed era notevolmente meno luminoso del sesto. Anche con il telescopio da 40 piedi appariva appena come un puntino di luce.

Nella Memoria_3 Herschel trattò le variazioni luminose del V satellite (Giapeto): fra 68° e 129° dopo la congiunzione inferiore presentava la massima luminosità (non più di 1m meno luminoso del IV satellite); da circa 7° dopo l'opposizione fino verso la congiunzione inferiore era meno luminoso del III e a stento raggiungeva il II o persino il I. Stimò che la variazione totale fosse come quella fra una stella di 2m ed una di 5m. Si sentì di affermare che i periodi di rivoluzione e di rotazione del satellite fossero uguali, anche perchè lo stesso Cassini aveva affermato che il satellite spariva regolarmente per circa metà della rivoluzione, quando era ad est di Saturno. È vero però che a partire dal settembre 1705 Cassini riuscì a vedere il satellite lungo tutta l'orbita, quindi non fu più sicuro della sua rotazione; tuttavia, Herschel rilevò un comportamento costante della magnitudine del satellite per 10 rivoluzioni successive. Riunendo tutte le osservazioni, Herschel dedusse un periodo di 79d7h47m, ed ipotizzò che la superficie del satellite avesse grandi variazioni di albedo.

Nella Memoria_2 Herschel aveva accennato ad osservazioni di variazioni luminose anche per altri satelliti di Saturno. In particolare, Titano gli appariva più luminoso ad ovest, mentre ad est era difficile da scorgere; anche Teti e Dione mostravano delle variabilità che egli giudicava irregolari e di breve durata. Anche Bernard (Mémoires de l'Académie, 1786,{ga} p. 376) descrisse la regolare variazione di luce del satellite.