Een foto door het Cassini-ruimtetuig van Saturnus en een deel van de ringen. NASA/JPL-Caltech/Planetary Science Institute

Water in ringen en manen Saturnus is zoals aards water, behalve op Phoebe, waar het volkomen buitenaards is

Onderzoekers heben ontdekt dat het water in de ringen rond Saturnus en op de manen van de planeet, zeer goed lijkt op het water op aarde. Dat is onverwacht, en nog onverwachter is de samenstelling van het water op de maan Phoebe. Dat is vreemder dan al het water dat tot nu toe bestudeerd is op objecten in ons zonnestelsel. De bevindingen wijzen erop dat Phoebe elders is ontstaan, en ze maken ook een herziening nodig van de theorieën over het ontstaan van ons zonnestelsel. 

De Amerikaanse onderzoekers kwamen tot hun bevindingen door het ontwikkelen van een nieuwe methode om vanop afstand de isotopische verhoudingen van water en koolstofdioxide te meten. 

Isotopen zijn atomen van een bepaald chemisch element met uiteraard hetzelfde aantal protonen in de kern, maar met een verschillend aantal neutronen. Als een element een neutron meer heeft in zijn kern, heeft het ook meer massa - is het dus zwaarder -, en dat kan de processen veranderen waardoor een planeet, een komeet of een maan gevormd wordt. 

Water wordt gevormd door twee atomen waterstof (H) en een zuurstofatoom, H2O. Het toevoegen van een neutron aan een waterstofatoom, dat dan deuterium (D) genoemd wordt, vergroot de massa van een watermolecule met zo'n 5 procent, en die kleine verandering geeft isotopische verschillen bij de vorming van een planeet, een maan of een komeet, en verandert de verdamping van water na de vorming. De verhouding tussen deuterium- en waterstofatomen (D/H) is een afspiegeling van de omstandigheden waarin hemellichamen gevormd worden, waaronder de temperatuur, en van de evolutie in de loop van de tijd. De verdaming van water vergroot het aandeel van deuterium in het overblijvende water op het oppervlak.

Modellen voor de vorming van ons zonnestelsel geven aan dat de D/H veel hoger zou moeten liggen in het koudere buitenste zonnestelsel van de gasreuzen - dat het aandeel deuterium daar dus hoger zou moeten liggen -, dan in het warmere binnenste zonnestelsel, waar ook de aarde gevormd werd, samen met de andere rotsachtige planeten. Deterium komt immers meer voor in koude moleculaire wolken. Sommige modellen voorspellen zelfs dat de D/H tien keer hoger zou moeten zijn voor Saturnus dan voor de aarde. Maar de nieuwe metingen tonen dat dit niet het geval is voor de ringen en de satellieten van Saturnus, zodat een herziening van de theorieën over het ontstaan van het zonnestelsel zich opdringt. 

Maar er is één uitzondering, namelijk Phoebe, en dat blijkt dan ook een echt buitenbeentje te zijn.  

Een deel van het pokdalige oppervlak van Phoebe. (Foto: NASA/JPL/Planetary Science Institute)

Phoebe komt van ver voorbij Saturnus

Het is al langer geweten dat de maan Phoebe van Saturnus een vreemde eend in de bijt is. Phoebe heeft in tegenstelling met de meeste manen van Saturnus een erg donker oppervlak, en het is samen met Iapetus de enige grote maan van Saturnus die een baan heeft die niet in het vlak van de evenaar van de planeet ligt. Phoebe draait ook nog in tegengestelde richting om Saturnus, en volgt een zeer excentrische baan. Dat wijst er allemaal op dat Phoebe een planetoïde is die gevangen is geraakt in de zwaartekracht van Saturnus, en dat wordt nu bevestigd door de metingen van de isotopen. 

Phoebe heeft namelijk een zeer vreemde isotopische verhouding tussen deuterium en waterstof, en dat betekent dat de maan gevormd werd in, en afkomstig is uit, een verafgelegen deel van het zonnestelsel. "De D/H-verhouding van Phoebe is de hoogste waarde ooit gemeten in het zonnestelsel, wat een oorsprong doet veronderstellen in het koude buitenste zonnestelsel, ver voorbij Saturnus", zei Roger N. Clark in een persmededeling van het Planetary Science Institute. Clark is een "senior" onderzoeker aan het instituut en een van de auteurs van de studie over de isotopen. 

Het team onderzocht verder ook de verhouding tussen de koolstof-13 en koolstof-12-isotopen (13C/12C) op de manen Phoebe en Iapetus. Iapetus, dat een D/H verhouding heeft die lijkt op die van de aarde, heeft ook waarden voor 13C/12C die dicht bij die op aarde liggen, waar koolstof-12 de "normale" vorm is die veruit het meeste voorkomt. Op Phoebe komt de isotoop, koolstof-13, daarentegen bijna vijf keer meer voor.

De aanwezigheid van koolstofdioxide stelt beperkingen aan hoeveel van Phoebe er zou kunnen verdampt zijn in de ruimte na de vorming van de maan, en laat als enige mogelijkheid open dat Phoebe gevormd is in de zeer koude buitenste uiteinden van het zonnestelsel, veel verder weg dan Saturnus, en dat het dan vervolgens verstoord is in zijn baan en gevangen door Saturnus. 

Hoe ver weg Phoebe ontstaan is, is niet bekend. Er zijn momenteel geen metingen van de D/H of de 13C/12C voor het ijzige oppervlak van Pluto of de objecten uit de Kuipergordel voorbij Pluto, maar deze nieuwe methode moet ons in de toekomst toelaten dergelijke metingen te verrichten van het ijs aan hun oppervlak. En dan is een vergelijking met de waarden voor Phoebe mogelijk.

Iapetus, een maan die net zoals Phoebe niet in het vlak van de evenaar van Saturnus draait. (Foto: NASA/JPL-Caltech/Planetaru Science Institute)

Een betere kalibrering van een instrument van Cassini

De metingen werden verricht met de Visual and Infrared Mapping Spectrometer (VIMS) aan boord van het Cassini-ruimtetuig van de NASA. Een betere calibrering van het instrument, die werd uitgevoerd begin 2018, maakte de precisie mogelijk die nodig was voor deze metingen van het licht dat weerkaatst van de ringen en de satellieten. 

De nieuwe methode om de isotopische verhoudingen te meten bij vaste objecten als waterijs en koolstofdioxide-ijs door reflectie spectroscopie vanop afstand te gebruiken, zal metingen mogelijk maken voor andere objecten in het zonnestelsel, en dat zal verdere beperkingen opleggen aan de modellen over de vorming van het zonnestelsel. 

Dat de waarden voor het systeem van Saturnus dicht bij die van de aarde ligge, impliceert een gelijkaardige bron van water voor het binnenste en het buitenste zonnestelsel, en er zullen nieuwe modellen moeten ontworpen worden voor het ontstaan van het zonnestelsel, waarin de veranderingen van het binnenste naar het buitenste zonnestelsel minder groot zijn, zo zeggen de auteurs van de studie.

De Europa Clipper-missie van de NASA zou gebruikt kunnen worden om de isotopische verhoudingen op de ijzige Galileïsche manen - de vier grootste: Io, Europa, Ganymedes en Callisto -  rond Jupiter te meten, en Clark van het Planetary Science Institute is een van de onderzoekers bij die missie. Hij hoopt dan ook dergelijke metingen te kunnen verrichten. 

De studie van Clark, Robert H. Brown van de Unioveristy of Arizona, Dale P. Cruikshank van de NASA en Gregg A. Swayze van het USGS is gepubliceerd in "Icarus".

Een beeld van de VIMS aan boord van Cassini van Saturnus in infrarood. Blauw is infrarood licht waar het waterijs tamelijk helder weerkaatst. Rood is een langere golflengte die hitte toont van diep in de planeet. Groen is een infrarode golflengte waar aurora licht uitstralen. Rechtsboven is Phoebe afgebeeld, niet op schaal. Phoebe is erg donker, zoals steenkool, terwijl de ringen in zichtbaar licht zeer helder zijn, zoals lichtjes vuile sneeuw.  (Foto's: NASA, JPL, VIMS Team, ISS Team, University of Arizona, D. Machacek, University of Leicester.)