Neue Studie setzt definitive Altersgrenze für Saturns Ringe: Sie sind wirklich jung.

12. Mai 2023

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von der Universität von Colorado in Boulder

Eine neue Studie, geleitet vom Physiker Sascha Kempf an der Universität von Colorado Boulder, liefert die bisher stärksten Hinweise darauf, dass die Ringe des Saturn erstaunlich jung sind und möglicherweise eine Frage beantworten, die Wissenschaftler seit über einem Jahrhundert beschäftigt.

Die Forschung, die am 12. Mai in der Zeitschrift Science Advances veröffentlicht wurde, datiert das Alter der Saturnringe auf nicht mehr als 400 Millionen Jahre. Das macht die Ringe viel jünger als Saturn selbst, der etwa 4,5 Milliarden Jahre alt ist.

"Auf gewisse Weise haben wir eine Frage beantwortet, die mit James Clerk Maxwell begann," sagte Kempf, Associate Professor im Laboratory for Atmospheric and Space Physics (LASP) an der CU Boulder.

Die Forscher erreichten diese Antwort zurück, indem sie sich mit einem ungewöhnlichen Thema befassten: Staub.

Kempf erklärte, dass winzige Körner von Gesteinsmaterial kontinuierlich durch unser Sonnensystem wandern. In einigen Fällen kann dieser Fluss eine dünne Staubschicht auf Himmelskörpern hinterlassen, einschließlich des Eises, aus dem die Ringe des Saturn bestehen.

In der neuen Studie gingen er und seine Kollegen daran, das Alter der Saturnringe zu bestimmen, indem sie untersuchten, wie schnell sich diese Staubschicht aufbaut - ein bisschen wie das Bestimmen des Alters eines Hauses, indem man mit dem Finger über seine Oberflächen geht.

"Denken Sie an die Ringe wie an den Teppich in Ihrem Haus", sagte Kempf. "Wenn Sie einen sauberen Teppich haben, müssen Sie nur warten. Staub wird sich auf Ihrem Teppich absetzen. Das Gleiche gilt für die Ringe."

Es war ein mühsamer Prozess: Von 2004 bis 2017 nutzte das Team ein Instrument namens Cosmic Dust Analyzer an Bord von NASAs spätem Cassini-Satelliten, um winzige Staubkörner, die um den Saturn flogen, zu analysieren. Über diese 13 Jahre hinweg sammelten die Forscher nur 163 Körner, die jenseits der nahen Nachbarschaft des Planeten entstanden waren. Aber es war genug. Basierend auf ihren Berechnungen haben sich die Ringe des Saturn wahrscheinlich nur für ein paar hundert Millionen Jahre mit Staub angesammelt.

Mit anderen Worten, die Ringe des Planeten sind neue Phänomene, die in kosmischen Maßstäben in einem Wimpernschlag entstehen (und möglicherweise sogar verschwinden).

"Wir wissen in etwa, wie alt die Ringe sind, aber das löst keines unserer anderen Probleme", sagte Kempf. "Wir wissen immer noch nicht, wie diese Ringe überhaupt entstanden sind."

Wissenschaftler sind seit mehr als 400 Jahren von diesen scheinbar translucenten Ringen fasziniert. Im Jahr 1610 beobachtete der italienische Astronom Galileo Galilei die Merkmale zum ersten Mal durch ein Teleskop, obwohl er nicht wusste, was sie waren. (Galileos Originalzeichnungen lassen die Ringe ein bisschen wie die Griffe eines Wasserkrugs aussehen). Im 19. Jahrhundert kam Maxwell, ein Wissenschaftler aus Schottland, zu dem Schluss, dass die Ringe des Saturn nicht fest sein könnten, sondern aus vielen einzelnen Stücken bestehen.

Heute wissen Wissenschaftler, dass Saturn sieben Ringe hat, die aus unzähligen Eisbrocken bestehen, von denen die meisten nicht größer sind als ein Findling auf der Erde. Zusammen wiegt dieses Eis etwa halb so viel wie Saturns Mond Mimas und erstreckt sich fast 175.000 Meilen von der Oberfläche des Planeten.

Kempf fügte hinzu, dass Wissenschaftler im Laufe des 20. Jahrhunderts annahmen, dass die Ringe wahrscheinlich zur gleichen Zeit wie Saturn entstanden sind.

Aber diese Idee brachte ein paar Probleme mit sich - nämlich, dass die Ringe des Saturn funkelnd sauber sind. Beobachtungen legen nahe, dass diese Merkmale aus ungefähr 98% reinem Wassereisvolumen bestehen, mit nur einer winzigen Menge von Gesteinsmaterial.

"Es ist fast unmöglich, etwas so Sauberes zu bekommen", sagte Kempf.

Cassini bot die Möglichkeit, ein definitives Alter auf die Ringe des Saturn zu setzen. Die Sonde kam 2004 zum ersten Mal bei Saturn an und sammelte Daten, bis sie sich 2017 absichtlich in die Atmosphäre des Planeten stürzte. Der Cosmic Dust Analyzer, der ein bisschen wie ein Eimer geformt war, schaufelte kleine Partikel auf, während sie vorbeizischten.

Ingenieure und Wissenschaftler am LASP haben für die geplante Europa-Clipper-Mission der NASA, die 2024 starten soll, einen wesentlich fortgeschritteneren Staubanalysator entworfen und gebaut.

Das Team schätzte, dass dieser interplanetare Schmutz weit weniger als ein Gramm Staub pro Quadratfuß der Saturnringe jedes Jahr beitragen würde - ein leichtes Sprühen, aber genug, um sich im Laufe der Zeit anzusammeln. Frühere Studien hatten auch darauf hingewiesen, dass die Ringe jung sein könnten, enthielten aber keine definitiven Maße für die Staubansammlung.

The rings might already be vanishing. In a previous study, NASA scientists reported that the ice is slowly raining down onto the planet and could disappear entirely in another 100 million years.

That these ephemeral features existed at a time when Galileo and the Cassini spacecraft could observe them seems almost too good to be true, Kempf said—and it begs an explanation for how the rings formed in the first place. Some scientists, for example, have posited that Saturn's rings may have formed when the planet's gravity tore apart one of its moons.

'If the rings are short lived and dynamical, why are we seeing them now?' he said. 'It's too much luck.'

Journal information: Science Advances

Provided by University of Colorado at Boulder