Saturn hatte nicht immer Ringe

Der Cassini-Vorbeiflug von 2017 ermöglichte eine erste genaue Abschätzung des Alters und des Gewichts der Saturn-Ringe.

In den letzten Tagen vor seinem Ende zog Cassini eine Schleife zwischen Saturn und seinen Ringen, so dass erdgebundene Radioteleskope den Schwerkrafteinfluss jedes einzelnen seiner Ringe verfolgen konnten. Wissenschaftler haben nun diese Messungen verwendet, um die Masse der Ringe zu bestimmen und ihr Alter zu schätzen, welches jung ist: 10 – 100 Millionen Jahre. Dies stützt die Hypothese, dass die Ringe Trümmer eines Kometen sind, der in der späteren Geschichte Saturns eingefangen wurde.

Eine der letzten Taten der Raumsonde Cassini vor ihrem Tod in der Wasserstoff-- und Heliumatmosphäre vom Saturn bestand darin, zwischen dem Planeten und seinen Ringen zu gleiten um sich herum bugsieren zu lassen, wobei Cassini im Wesentlichen als Schwerkraftsonde fungierte.

Dank präziser Messungen der endgültigen Flugbahn von Cassini können Wissenschaftler nun erstmals die Menge an Material in den Ringen des Planeten abschätzen und sie anhand der Stärke ihrer Anziehungskraft abwägen.

Diese Schätzung – etwa 40 Prozent der Masse des Saturnmondes Mimas, der etwa 2.000 Mal kleiner ist als der Erdmond – sagt den Forschern, dass die Ringe relativ jung sind und erst vor weniger als 100 Millionen Jahren entstanden sind, vielleicht sogar erst vor 10 Millionen Jahren.

Das Alter der Ringe ist ein Langzeit-Thema unter den Planetenwissenschaftlern. Einige meinten, die Ringe hätten sich vor 4,5 Milliarden Jahre zusammen mit dem Planeten gebildet, nachdem sich eisige Trümmer nach der Entstehung des Sonnensystems im Orbit befanden. Andere hielten die Ringe für sehr jung und meinten, dass Saturn irgendwann ein Objekt aus dem Kuipergürtel oder einen Kometen eingefangen hätte und diesen allmählich in umkreisende Trümmer verwandelte.

Die neue Schätzung der Masse basiert auf einer Messung bei der man feststellte, wie weit die Flugbahn von Cassini durch die Schwerkraft der Ringe abgelenkt wurde, als die Raumsonde auf seiner letzten Umlaufbahn im September 2017 zwischen dem Planeten und den Ringen flog. Zunächst jedoch stimmte die Ablenkung nicht mit den Vorhersagen überein, die auf Modellen des Planeten und der Ringe basierten.

Erst als Bewegungen im tiefen Inneren des Saturn berücksichtigt wurden ergab sich ein stimmiges Gesamtbild. Nicht nur die Monde hinterlassen ihre Spuren in den Strukturen der Ringe, auch die Strömungsmuster bis in Tiefen von 9000 Kilometern bestimmen Aussehen und Entwicklung der Ringe. Nimmt man alles zusammen kann man die Masse der Ringe ausrechnen.

Kennt man die Masse der Ringe und damit die Menge des Materials aus dem die Ringe bestehen kann man aus der ebenfalls von Cassini neu bestimmten Geschwindigkeit der Ringerosion ihre Überlebenszeit bestimmen.

Kamen die Ringe von eisigen Kometen?

Frühere Schätzungen der Masse der Saturnringe – zwischen einer Hälfte und einem Drittel der Masse von Mimas – kamen von der Untersuchung der Dichtewellen, die sich um die steinigen eisigen Ringe bewegen. Diese Wellen werden von den 62 Satelliten des Planeten verursacht, einschließlich Mimas, die die sogenannte Cassini-Teilung zwischen den beiden großen Ringen A und B erzeugen. Der Mond Mimas ist glatt und rund und hat einen Durchmesser von 246 Kilometern. Er hat einen großen Einschlagkrater, der dem Krater auf dem Todesstern aus den Star Wars-Filmen ähnelt.

„Die Leute trauten den Wellenmessungen nicht, weil sich in den Ringen möglicherweise Teilchen befinden, die zwar massiv sind, aber nicht an den Dichtewellen beteiligt sind“, sagte Burkhard Militzer, Professor für Erd- und Planetenwissenschaften an der Universität von Kalifornien in Berkeley, der das Innere von Planeten modelliert. „Wir hatten immer den Verdacht, dass es eine verborgene Masse gibt, die wir in den Wellen nicht sehen konnten.“

Glücklicherweise programmierte die NASA, als Cassini sich dem Ende ihres Lebens näherte, 22 Tauchgänge zwischen dem Planeten und den Ringen, um das Schwerefeld des Saturn zu untersuchen. Erdgebundene Radioteleskope haben die Geschwindigkeit der Raumsonde auf den Bruchteil eines Millimeters pro Sekunde gemessen.

Der neue Ringmassen-Wert liegt im Bereich früherer Schätzungen und ermöglichte es den Forschern, ihr Alter zu bestimmen.

Diese Altersberechnungen, die unter der Leitung von Philip Nicholson von der Universität Cornell durchgeführt wurden, bauten auf eine Verbindung auf, die Wissenschaftler zuvor zwischen der Masse der Ringe und ihrem Alter hergestellt hatten. Geringere Masse deutet auf ein jüngeres Alter hin, da die Ringe anfangs aus Eis bestehen und hell sind, jedoch mit der Zeit durch interplanetare Teilchen kontaminiert und dunkler werden.

„Diese Messungen waren nur möglich, weil Cassini in ihren letzten Stunden so nahe an der Oberfläche geflogen ist“, sagte Militzer. „Es war ein klassischer und spektakulärer Weg um diese Mission zu beenden.“

20. Jänner 2019/SP
Verein Kuffner-Sternwarte