Een foto van Saturnus en zijn iconische ringen, gemaakt door de Cassini-ruimtesonde. NASA/JPL-Caltech/Space Science Institute

Saturnus is zijn ringen aan het verliezen, en dat gaat snel

Saturnus zou Saturnus niet zijn zonder zijn prachtige ringenstelsel, maar die ringen zijn aan het verdwijnen, en dat gaat sneller dan gedacht werd. Onderzoekers wisten al langer dat Saturnus de ringen aan het verliezen was, en op basis van gegevens van de Voyager 1 en 2 ruimtesondes had men schattingen gemaakt van de snelheid waarmee dat gebeurde. Nu blijkt uit nieuw onderzoek dat het worstcasescenario bewaarheid wordt: de ringen verdwijnen aan het hoogste tempo dat geschat werd, en uit waarnemingen van de Cassini-sonde blijkt bovendien dat er ook nog materiaal in de evenaar valt. Dat betekent dat de ringen binnen 100 miljoen jaar verdwenen kunnen zijn. 

De ringen worden door de zwaartekracht Saturnus in getrokken als een stoffige regen van ijsdeeltjes, onder de invloed van het krachtige magnetische veld van de planeet. Dat fenomeen wordt "ringregen" genoemd. 

"We schatten dat deze "ringregen" in een halfuur uit de ringen van Saturnus een hoeveelheid waterproducten trekt waarmee je een olympisch zwembad zou kunnen vullen", zei James O'Donoghue in een mededeling van de NASA. "Hiermee alleen al zal het hele ringensysteem verdwenen zijn binnen 300 miljoen jaar. Voeg daar echter nog het door het Cassini-ruimtetuig gemeten materiaal uit de ring aan toe dat in de evenaar van Saturnus valt, en de ringen hebben nog slechts minder dan 100 miljoen jaar te leven. Dat is relatief kort, vergeleken met de ouderdom van Saturnus van meer dan 4 miljard jaar." 

O'Donoghue werkt aan het NASA Goddard Space Flight Center in Maryland en is de belangrijkste auteur van de nieuwe studie over de ringregen. 

Saturnus verduistert de zon, foto van de Cassini-Huygens-sonde in 2006. NASA/JPL-Caltech/Space Science Institute

Ringen later gevormd

Onderzoekers stellen zich al lang de vraag of Saturnus gevormd werd met de ringen, of dat de planeet die ringen later gekregen heeft. De nieuwe studie spreekt in het voordeel van het tweede scenario. Volgens de onderzoekers is het onwaarschijnlijk dat het ringensysteem ouder is dan 100 miljoen jaar, aangezien het zo lang zou geduurd hebben voor de C-ring - de op een na binnenste ring rond Saturnus - geworden is wat hij nu is, als men er vanuit gaat dat de C-ring ooit even dicht geweest is als de B-ring nu. 

"We hebben geluk dat we hier nu zijn en het ringensysteem van Saturnus kunnen zien, dat zowat in het midden van zijn levensloop lijkt te zijn. Als ringen echter maar tijdelijk zijn, hebben we het misschien net gemist van enorme ringsystemen te zien rond Jupiter, Uranus en Neptunus, die nu slechts kleine ringetjes hebben", zei O'Donoghue nog. 

Er zijn al verschillende theorieën voorgesteld voor de oorsprong van de ringen. Als de planeet de ringen inderdaad later in haar levensloop heeft gekregen, kunnen ze zich misschien gevormd hebben toen kleine ijsachtige manen in een baan rond Saturnus met elkaar gebotst zijn, mogelijk doordat hun banen verstoord werden door een ruk van de zwaartekracht van een voorbijkomende asteroïde of komeet. 

Een foto van een deel van de ringen rond Saturnus, genomen door  de Voyager 2 ruimtesonde in 1981 vanaf een afstand van 2,7 miljoen kilometer tot Saturnus. (Foto: NASA/JPL)

Enorm magnetisch veld

De eerste aanwijzingen dat er zoiets bestond als "ringregen" kwamen van de waarnemingen van de Voyager-ruimtetuigen van een aantal fenomenen die op het eerste gezicht niets met elkaar te maken hadden: merkwaardige variaties in de elektrisch geladen bovenste atmosfeer - de ionosfeer- van Saturnus, variaties in de dichtheid van de ringen rond Saturnus, en een drietal smalle donkere banden die de planeet omcirkelen op de middelste breedtegraden van het noordelijk halfrond van de planeet. Die donkere banden waren te zien op beelden van de mistige bovenste atmosfeer - de stratosfeer - van Saturnus, beelden die gemaakt waren door de Voyager 2-missie van de NASA in 1981.

In 1986 publiceerde Jack Connerney van Goddard een studie waarin hij de smalle banden in verband bracht met de vorm van het enorme magnetische veld van Saturnus, en waarin hij de hypothese voorstelde dat elektrisch geladen ijsdeeltjes uit de ringen van Saturnus naar beneden vloeiden langs onzichtbare magnetische veldlijnen, en zo water loosden in de bovenste atmosfeer van Saturnus, waar de donkere banden verschenen. 

De toevloed van water vanuit de ringen, die zich voordoet op bepaalde breedtegraden, wast de mist weg uit de stratosfeer. Dat maakt dat de stukken waar zich dat voordoet, er donker uitzien in gereflecteerd licht, en dat veroorzaakt de smalle zwarte banden die op de beelden van de Voyager te zien zijn. 

De ringen van Saturnus bestaan voornamelijk uit brokken waterijs die variëren in grootte van microscopische stofdeeltjes tot rotsen met een diameter van enkel meters. De deeltjes in de ringen zitten gevangen in een evenwichtsoefening tussen de aantrekking van de zwaartekracht van Saturnus, die hen naar de planeet wil trekken, en hun eigen omloopsnelheid, die hen de ruimte in wil slingeren.

Kleine deeltjes kunnen elektrisch geladen worden door ultraviolet licht van de zon of door plasmawolken die voortkomen uit een bombardement door micrometeoriden van de ringen. Als dat gebeurt, kunnen de deeltjes de aantrekking door het magnetisch veld van Saturnus voelen, en dat magnetisch veld krult aan de ringen naar binnen naar de planeet toe. 

In sommige delen van de ringen verandert het evenwicht van de krachten op deze piepkleine deeltjes drastisch eens ze geladen zijn, en de zwaartekracht van Saturnus trekt hen dan langs de magnetische veldlijnen naar de planeet toe, de bovenste atmosfeer in. 

Eens de deeltjes daar zijn, verdampen ze, en het water kan dan chemisch reageren met de ionosfeer van Saturnus. Een resultaat van deze reacties is een verlenging van de levensduur van elektrisch geladen deeltjes die H3+ ionen genoemd worden, deeltjes die bestaan uit drie protonen en twee elektronen. Als ze extra energie krijgen van het zonlicht, gloeien de H3+ ionen in infrarood licht, iets wat waargenomen werd door het team van O'Donoghue met speciale instrumenten bij de Keck-telescoop op Hawaï.  

Hun waarnemingen toonden gloeiende banden in de noordelijke en zuidelijke hemisfeer van Saturnus, daar waar de magnetische veldlijen die het vlak van de ringen doorkruisen, de planeet binnengaan. Het team analyseerde het licht om de hoeveelheid regen vanuit de ring te bepalen, en het effect ervan op de ionosfeer van Saturnus.

De onderzoekers constateerden dat de hoeveelheid regen merkwaardig goed overeenstemde met de verbazingwekkend hoge waarden die meer dan 30 jaar eerder afgeleid waren uit de waarnemingen van de Voyagers door Connerney en zijn collega's. Een gebied in het zuiden bleek het grootste deel van de regen te krijgen. 

De Saturnus-maan Enceladus zit voor de ringen en de piepkleine maan Pandora in deze foto van de Cassini-sonde uit 2009. De zon verlicht het hele tafereel langs achter, wat maakt dat de ijsachtige deeltjes in de ringen en in de "jets" uit de zuidpool van Enceladus fel verlicht worden. Enceladus heeft een diameter van iets meer dan 500 kilometer, terwijl Pandora, dat op het ogenblik dat de foto gemaakt werd aan de andere kant van de ringen zat, slechts een diameter heeft van 84 kilometer. (Foto: NASA/JPL-Caltech/Space Science Institute)

Enceladus

Het team ontdekt ook een gloeiende band op een hogere breedtegraad in het zuidelijk halfrond, op de plaats waar het magnetisch veld van Saturnus de baan van Enceladus kruist. Enceladus is een geologisch actieve maan die geysers van waterijs in de ruimte spuit, en de band wijst erop dat een aantal van die deeltjes ook op Saturnus neer regenen. 

"Dit was geen complete verrassing", zei Connerney in de persmededeling. "We hebben Enceladus en de E-ring ook geïdentificeerd als een overvloedige bron van water, op basis van een andere smalle donkere band op de oude foto van de Voyager." 

Gedacht wordt dat de geysers van Enceladus, die voor het eerst waargenomen werden door instrumenten aan boord van Cassini in 2005, afkomstig zijn van een oceaan van vloeibaar water onder het bevroren oppervlak van de maan. De geologische activiteit en de wateroceaan maken van Enceladus een van de meest veelbelovende plaatsen om te zoeken naar buitenaards leven. 

Het team zou nu graag zien hoe de ringregen verandert met de seizoenen op Saturnus. Terwijl de planeet haar baan van 19,4 jaar rond de zon maakt, worden de ringen in verschillende mate aan de zon blootgesteld. Aangezien ultraviolet licht van de zon de ijsdeeltjes oplaadt en maakt dat ze reageren op het magnetisch veld van Saturnus, zou ook de hoeveelheid ringregen moeten variëren bij een wisselende blootstelling aan zonlicht.  

De studie van O'Donoghue, Connerney en hun collega's is gepubliceerd in "Icarus".

Onderzoekers van het Goddard Space Flight Center van de NASA leggen het fenomeen van de "ringregen" uit in deze video.