Eine neue Studie unter der Leitung des Physikers Sascha Kempf von der University of Colorado Boulder hat den bisher stärksten Beweis dafür geliefert, dass die Saturnringe bemerkenswert jung sind – und damit möglicherweise eine Frage beantwortet, die Wissenschaftler seit weit über einem Jahrhundert beschäftigt.
Die Studie wurde am 12. Mai in der Zeitschrift veröffentlicht Wissenschaftliche Fortschritte, beziffert das Alter der Saturnringe auf nicht mehr als 400 Millionen Jahre. Damit sind die Ringe viel jünger als Saturn selbst, der etwa 4,5 Milliarden Jahre alt ist.
„In gewisser Weise haben wir eine Frage geklärt, die mit James Clerk Maxwell begann“, sagte Kempf, außerordentlicher Professor am Labor für Atmosphären- und Weltraumphysik (LASP) an der CU Boulder.
Zu diesem Schluss gelangten die Forscher, indem sie ein scheinbar ungewöhnliches Thema untersuchten: Staub.
Kempf erklärte, dass winzige Körner aus Gesteinsmaterial nahezu ständig durch das Sonnensystem der Erde strömen. In einigen Fällen kann dieser Fluss eine dünne Staubschicht auf Planetenkörpern hinterlassen, auch auf dem Eis, aus dem die Saturnringe bestehen.
In der neuen Studie wollten er und seine Kollegen ein Datum für die Saturnringe festlegen, indem sie untersuchten, wie schnell sich diese Staubschicht aufbaut – ein bisschen so, als würde man feststellen, wie alt ein Haus ist, indem man mit dem Finger über die Oberfläche fährt.
„Stellen Sie sich die Ringe wie den Teppich in Ihrem Haus vor“, sagte Kempf. „Wenn Sie einen sauberen Teppich ausgelegt haben, müssen Sie nur warten. Staub setzt sich auf Ihrem Teppich ab. Das Gleiche gilt für die Ringe.“
Es war ein mühsamer Prozess: Von 2004 bis 2017 nutzte das Team ein Instrument namens Kosmischer Staubanalysator an Bord Die späte Cassini-Raumsonde der NASA um Staubkörner zu analysieren, die um Saturn fliegen. In diesen 13 Jahren sammelten die Forscher lediglich 163 Körner, die von außerhalb der unmittelbaren Nachbarschaft des Planeten stammten. Aber es hat gereicht. Ihren Berechnungen zufolge verstauben die Saturnringe wahrscheinlich erst seit einigen hundert Millionen Jahren.
Mit anderen Worten: Die Ringe des Planeten sind neue Phänomene, die im kosmischen Sinne in einem Wimpernschlag entstehen (und möglicherweise sogar verschwinden).
„Wir wissen ungefähr, wie alt die Ringe sind, aber es löst keines unserer anderen Probleme“, sagte Kempf. „Wir wissen immer noch nicht, wie diese Ringe überhaupt entstanden sind.“
Von Galileo bis Cassini
Seit mehr als 400 Jahren sind Forscher von diesen scheinbar durchscheinenden Ringen fasziniert. Im Jahr 1610 beobachtete der italienische Astronom Galileo Galilei die Merkmale erstmals durch ein Teleskop, obwohl er nicht wusste, was sie waren. (Galileos Originalzeichnungen lassen die Ringe ein wenig wie die Griffe eines Wasserkrugs aussehen). Im 19. Jahrhundert kam Maxwell, ein Wissenschaftler aus Schottland, zu dem Schluss, dass die Saturnringe nicht massiv sein könnten, sondern aus vielen einzelnen Teilen bestehen.
Heute wissen Wissenschaftler, dass Saturn sieben Ringe beherbergt, die aus unzähligen Eisbrocken bestehen, von denen die meisten nicht größer sind als ein Felsbrocken auf der Erde. Insgesamt wiegt dieses Eis etwa halb so viel wie der Saturnmond Mimas und erstreckt sich fast 175.000 Meilen von der Planetenoberfläche entfernt.
Kempf fügte hinzu, dass Wissenschaftler den größten Teil des 20. Jahrhunderts davon ausgegangen seien, dass sich die Ringe wahrscheinlich zur gleichen Zeit wie Saturn gebildet hätten.
Aber diese Idee warf ein paar Probleme auf – nämlich, dass die Saturnringe blitzsauber sind. Beobachtungen deuten darauf hin, dass diese Strukturen zu etwa 98 Volumenprozent aus reinem Wassereis und nur einem geringen Anteil an Gesteinsmaterial bestehen.
„Es ist fast unmöglich, am Ende etwas so Sauberes zu bekommen“, sagte Kempf.
Cassini bot die Gelegenheit, den Saturnringen ein endgültiges Alter zuzuordnen. Die Raumsonde erreichte Saturn zum ersten Mal im Jahr 2004 und sammelte Daten, bis sie 2017 gezielt in die Atmosphäre des Planeten stürzte. Der Cosmic Dust Analyzer, der ein wenig wie ein Eimer geformt war, sammelte kleine vorbeifliegende Partikel auf.
Ingenieure und Wissenschaftler bei LASP haben ein entworfen und gebaut viel anspruchsvoller Staubanalysator für die bevorstehende Europa-Clipper-Mission der NASA, deren Start für 2024 geplant ist.
Das Team schätzte, dass dieser interplanetare Schmutz jedes Jahr weit weniger als ein Gramm Staub auf jeden Quadratfuß der Saturnringe bringen würde – eine leichte Streuung, aber genug, um sich mit der Zeit anzusammeln. Frühere Studien hatten ebenfalls darauf hingewiesen, dass die Ringe jung sein könnten, enthielten jedoch keine definitiven Messungen der Staubansammlung.
Glückssträhne
Die Ringe könnten bereits verschwinden. In einer früheren Studie berichteten NASA-Wissenschaftler, dass das Eis langsam auf den Planeten herabregnet und in weiteren 100 Millionen Jahren vollständig verschwinden könnte.
Dass diese vergänglichen Merkmale zu einer Zeit existierten, als Galileo und die Raumsonde Cassini sie beobachten konnten, scheine fast zu schön um wahr zu sein, sagte Kempf – und es bedarf einer Erklärung dafür, wie sich die Ringe überhaupt gebildet haben. Einige Wissenschaftler haben beispielsweise vermutet, dass die Saturnringe entstanden sein könnten, als die Schwerkraft des Planeten einen seiner Monde auseinanderriss.
„Wenn die Ringe nur von kurzer Dauer und dynamisch sind, warum sehen wir sie dann jetzt?“ er sagte. „Es ist zu viel Glück.“
Mehr Informationen:
Sascha Kempf, Der Einfall von Mikrometeoroiden in die Saturnringe begrenzt ihr Alter auf nicht mehr als einige hundert Millionen Jahre. Wissenschaftliche Fortschritte (2023). DOI: 10.1126/sciadv.adf8537. www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adf8537