Saturnus: we weten misschien eindelijk wanneer de prachtige ringen werden gevormd

Saturnus we weten misschien eindelijk wanneer de prachtige ringen werden

Een door de zon beschenen kleurenfoto van Saturnus. NASA/JPL/Space Science Institute

De ringen van Saturnus zijn een van de juwelen van het zonnestelsel, maar het lijkt erop dat hun tijd kort is en hun bestaan vluchtig.

Een nieuwe studie suggereert dat de ringen tussen de 400 miljoen en 100 miljoen jaar oud zijn – een fractie van de leeftijd van het zonnestelsel. Dit betekent dat wij gewoon geluk hebben om te leven in een tijdperk waarin de reuzenplaneet zijn prachtige ringen heeft. Uit onderzoek blijkt ook dat ze over nog eens 100 miljoen jaar verdwenen kunnen zijn.

De ringen werden voor het eerst waargenomen in 1610 door de astronoom Galileo Galilei, die ze vanwege de resolutiegrenzen van zijn telescoop aanvankelijk beschreef als twee kleinere planeten aan weerszijden van de hoofdbol van Saturnus, die er kennelijk fysiek mee in contact stonden.

In 1659 publiceerde de Nederlandse astronoom Christiaan Huygens Systema Saturnium, waarin hij ze als eerste beschreef als een dun, plat ringstelsel dat de planeet niet raakte.

Hij liet ook zien hoe hun uiterlijk, gezien vanaf de aarde, verandert als de twee planeten om de zon draaien en waarom ze op bepaalde tijden schijnbaar verdwijnen. Dit komt doordat hun kijkgeometrie zodanig is dat wij op Aarde ze af en toe van de rand zien.

De ringen zijn zichtbaar voor iedereen met een goede verrekijker of een bescheiden achtertuintelescoop. De ringen steken wit af tegen de lichtgele bol van Saturnus en bestaan bijna volledig uit miljarden deeltjes waterijs, die schitteren door verstrooiing van het zonlicht.

Een pagina uit het Systema Saturnium gepubliceerd in 1659.
US Library of Congress

Tussen dit ijzige materiaal zitten afzettingen van donkerder, stoffig materiaal. In de ruimtewetenschap verwijst “stof” meestal naar kleine korreltjes rotsachtig, metaal- of koolstofrijk materiaal dat merkbaar donkerder is dan ijs. Het wordt ook wel micrometeoroïden genoemd. Deze korrels doorkruisen het zonnestelsel.

Af en toe zie je ze ’s nachts de atmosfeer van de Aarde binnenkomen als vallende sterren. De zwaartekrachtvelden van de planeten vergroten of concentreren deze stofachtige, planetaire “inval”.

Na verloop van tijd voegt deze inval massa toe aan een planeet en verandert de chemische samenstelling. Saturnus is een enorme gasreuzenplaneet met een straal van ongeveer 60.000 km, ongeveer 9,5 keer die van de aarde, en een massa van ongeveer 95 keer die van de aarde. Dit betekent dat hij een zeer grote “zwaartekrachtput” heeft (het zwaartekrachtsveld rond een lichaam in de ruimte) die de stofkorrels zeer effectief naar Saturnus leidt.

Een beeld van het noordelijk halfrond van Saturnus in 2016.
NASA/JPL-Caltech/Space Science Institute

Botsingskoers

De ringen strekken zich uit van ongeveer 2.000 km boven de wolkentoppen van Saturnus tot op ongeveer 80.000 km afstand, en nemen een groot gebied in beslag. Wanneer vallend stof passeert, kan het in botsing komen met ijzige deeltjes in de ringen. Na verloop van tijd maakt het stof de ringen geleidelijk donkerder en vergroot het hun massa.

Cassini-Huygens was een robotachtig ruimtevaartuig dat in 1997 werd gelanceerd. Het bereikte Saturnus in 2004 en kwam in een baan om de planeet, waar het bleef tot het einde van de missie in 2017. Een van de instrumenten aan boord was de Cosmic Dust Analyzer (CDA).

Met behulp van gegevens van de CDA vergeleken de auteurs in het nieuwe artikel de huidige stofaantallen in de ruimte rond Saturnus met de geschatte massa van donker stofmateriaal in de ringen. Zij vonden dat de ringen niet ouder zijn dan 400 miljoen jaar en misschien wel 100 miljoen jaar. Dit lijken lange tijdschalen, maar ze zijn minder dan een tiende van de 4,5 miljard jaar oude leeftijd van het zonnestelsel.

Dit betekent ook dat de ringen niet tegelijk met Saturnus of de andere planeten zijn gevormd. Ze zijn, kosmologisch gezien, een recente toevoeging aan het zonnestelsel. Gedurende meer dan 90% van het bestaan van Saturnus waren ze niet aanwezig.

Death Star

Dit leidt tot een ander mysterie: hoe zijn de ringen ontstaan, aangezien alle grote planeten en manen van het zonnestelsel al veel eerder gevormd zijn? De totale massa van de ringen wordt geschat op ongeveer half zoveel als een van de kleinere ijzige manen van Saturnus, waarvan vele enorme inslagen vertonen op hun oppervlak.

Eén in het bijzonder, de kleine maan Mimas, die de bijnaam Death Star heeft gekregen, heeft een 130 km brede inslagkrater genaamd Herschel op zijn oppervlak.

Saturnus’ maan Mimas, met de Herschel krater.
NASA/JPL/SSI

Dit is zeker niet de grootste krater in het zonnestelsel. Maar Mimas is slechts ongeveer 400 km breed, dus deze inslag zou niet veel meer energie nodig hebben gehad om de maan te vernietigen. Mimas is gemaakt van waterijs, net als de ringen, dus het is mogelijk dat de ringen gevormd zijn door zo’n cataclysmische inslag.

Ring regen

Hoe ze ook gevormd zijn, aan de toekomst van Saturnus’ ringen bestaat weinig twijfel. De botsing van de stofkorrels tegen de ijskorrels gebeurt met zeer hoge snelheden, waardoor kleine stukjes ijs en stof loskomen van hun moederdeeltjes.

Ultraviolet licht van de Zon zorgt ervoor dat deze fragmenten elektrisch geladen worden via het foto-elektrisch effect. Net als de aarde heeft Saturnus een magnetisch veld, en als ze eenmaal geladen zijn, komen deze kleine ijssplinters vrij uit het ringenstelsel en worden ze gevangen door het magnetisch veld van de planeet.

Samen met de zwaartekracht van de reuzenplaneet worden ze dan naar beneden geslingerd in de atmosfeer van Saturnus. Deze “ringregen” werd voor het eerst van veraf waargenomen door de Voyager 1 en Voyager 2 ruimtevaartuigen tijdens hun korte vluchten naar Saturnus in het begin van de jaren tachtig.

In een recenter artikel uit 2018 gebruikten wetenschappers stoftellingen, opnieuw van het CDA, terwijl Cassini tussen de ringen en de wolkentoppen van Saturnus vloog, om uit te rekenen hoeveel ijs en stof er in de loop der tijd van de ringen verloren gaat. Deze studie toonde aan dat ongeveer een olympisch zwembad aan massa van de ringen elk half uur in de atmosfeer van Saturnus verloren gaat.

Op basis van dit debiet werd geschat dat de ringen, gezien hun huidige massa, waarschijnlijk binnen 100 miljoen jaar verdwenen zullen zijn. Deze prachtige ringen hebben een turbulente geschiedenis, en tenzij ze op de een of andere manier worden aangevuld, zullen ze door Saturnus worden opgeslokt.

Gareth Dorrian werkt niet voor, heeft geen adviesfuncties, bezit geen aandelen in en ontvangt geen financiering van bedrijven of organisaties die baat hebben bij dit artikel, en heeft geen relevante banden bekendgemaakt buiten zijn academische aanstelling.

Mobiele versie afsluiten