Saturns Ringe und Neigung könnten das Produkt eines alten, fehlenden Mondes sein

Die Ringe des Saturn, die um den Äquator des Planeten wirbeln, sind ein totes Zeichen dafür, dass sich der Planet in einer Neigung dreht. Der Gürtelriese dreht sich in einem Winkel von 26,7 Grad relativ zu der Ebene, in der er die Sonne umkreist. Astronomen vermuten seit langem, dass diese Neigung von Gravitationswechselwirkungen mit seinem Nachbarn Neptun herrührt, da Saturns Neigung sich wie ein Kreisel mit fast der gleichen Geschwindigkeit präzediert wie die Umlaufbahn von Neptun.

Aber eine neue Modellierungsstudie von Astronomen am MIT und anderswo hat herausgefunden, dass, während die beiden Planeten einst synchron gewesen sein mögen, Saturn inzwischen der Anziehungskraft von Neptun entkommen ist. Was war für diese planetarische Neuausrichtung verantwortlich? Das Team hat eine akribisch getestete Hypothese: ein fehlender Mond.

In einer Studie, die in erscheint Wissenschaft, schlägt das Team vor, dass Saturn, der heute 83 Monde beherbergt, einst mindestens einen weiteren beherbergte, einen zusätzlichen Satelliten, den sie Chrysalis nennen. Zusammen mit seinen Geschwistern, so vermuten die Forscher, umkreiste Chrysalis den Saturn mehrere Milliarden Jahre lang und zog und zerrte an dem Planeten auf eine Weise, die seine Neigung oder „Schiefe“ in Resonanz mit Neptun hielt.

Aber vor etwa 160 Millionen Jahren, schätzt das Team, wurde Chrysalis instabil und kam seinem Planeten bei einer streifenden Begegnung zu nahe, die den Satelliten auseinanderzog. Der Verlust des Mondes reichte aus, um Saturn aus Neptuns Griff zu entfernen und ihn mit der heutigen Neigung zu belassen.

Darüber hinaus vermuten die Forscher, dass, während der größte Teil des zerschmetterten Körpers von Chrysalis auf Saturn aufgeschlagen sein könnte, ein Bruchteil seiner Fragmente in der Umlaufbahn hängen geblieben sein könnte, um schließlich in kleine eisige Brocken zu zerbrechen und die charakteristischen Ringe des Planeten zu bilden.

Der fehlende Satellit könnte daher zwei lange Rätsel aufklären: Saturns heutige Neigung und das Alter seiner Ringe, die zuvor auf etwa 100 Millionen Jahre geschätzt wurden – viel jünger als der Planet selbst.

„Genau wie die Puppe eines Schmetterlings war dieser Satellit lange inaktiv und wurde plötzlich aktiv, und die Ringe tauchten auf“, sagt Jack Wisdom, Professor für Planetenwissenschaften am MIT und Hauptautor der neuen Studie.

Zu den Co-Autoren der Studie gehören Rola Dbouk vom MIT, Burkhard Militzer von der University of California in Berkeley, William Hubbard von der University of Arizona, Francis Nimmo und Brynna Downey von der University of California in Santa Cruz sowie Richard French vom Wellesley College.

Ein Moment des Fortschritts

In den frühen 2000er Jahren brachten Wissenschaftler die Idee vor, dass die geneigte Achse des Saturn darauf zurückzuführen ist, dass der Planet in einer Resonanz oder Gravitationsverbindung mit Neptun gefangen ist. Aber Beobachtungen der NASA-Raumsonde Cassini, die den Saturn von 2004 bis 2017 umkreiste, geben dem Problem eine neue Wendung. Wissenschaftler fanden heraus, dass Titan, Saturns größter Satellit, schneller als erwartet vom Saturn wegwanderte, mit einer Geschwindigkeit von etwa 11 Zentimetern pro Jahr. Titans schnelle Wanderung und seine Anziehungskraft führten Wissenschaftler zu dem Schluss, dass der Mond wahrscheinlich dafür verantwortlich war, Saturn zu neigen und in Resonanz mit Neptun zu halten.

Aber diese Erklärung hängt von einer großen Unbekannten ab: dem Trägheitsmoment des Saturn, das die Verteilung der Masse im Inneren des Planeten bestimmt. Die Neigung des Saturn könnte sich anders verhalten, je nachdem, ob die Materie stärker in seinem Kern oder an der Oberfläche konzentriert ist.

„Um bei dem Problem voranzukommen, mussten wir das Trägheitsmoment von Saturn bestimmen“, sagt Wisdom.

Das verlorene Element

In ihrer neuen Studie versuchten Wisdom und seine Kollegen, das Trägheitsmoment von Saturn zu bestimmen, indem sie einige der letzten Beobachtungen verwendeten, die Cassini in seinem „großen Finale“ gemacht hatte, einer Phase der Mission, während der sich die Raumsonde extrem nahe näherte, um eine genaue Karte zu erstellen das Gravitationsfeld um den gesamten Planeten. Aus dem Gravitationsfeld lässt sich die Massenverteilung auf dem Planeten bestimmen.

Wisdom und seine Kollegen modellierten das Innere des Saturn und identifizierten eine Massenverteilung, die dem von Cassini beobachteten Gravitationsfeld entsprach. Überraschenderweise fanden sie heraus, dass dieses neu identifizierte Trägheitsmoment Saturn nahe, aber knapp außerhalb der Resonanz mit Neptun platzierte. Die Planeten mögen einmal synchron gewesen sein, sind es aber nicht mehr.

„Dann machten wir uns auf die Suche nach Möglichkeiten, Saturn aus Neptuns Resonanz zu bringen“, sagt Wisdom.

Das Team führte zunächst Simulationen durch, um die Orbitaldynamik des Saturn und seiner Monde zeitlich rückwärts zu entwickeln, um zu sehen, ob natürliche Instabilitäten zwischen den vorhandenen Satelliten die Neigung des Planeten beeinflusst haben könnten. Diese Suche war leer.

Also untersuchten die Forscher die mathematischen Gleichungen, die die Präzession eines Planeten beschreiben, also wie sich die Rotationsachse eines Planeten im Laufe der Zeit ändert. Ein Term in dieser Gleichung hat Beiträge von allen Satelliten. Das Team argumentierte, dass die Entfernung eines Satelliten aus dieser Summe die Präzession des Planeten beeinflussen könnte.

Die Frage war, wie massiv müsste dieser Satellit sein und welche Dynamik müsste er durchlaufen, um Saturn aus Neptuns Resonanz zu nehmen?

Wisdom und seine Kollegen führten Simulationen durch, um die Eigenschaften eines Satelliten zu bestimmen, wie etwa seine Masse und seinen Umlaufradius sowie die Umlaufbahndynamik, die erforderlich wäre, um Saturn aus der Resonanz zu schlagen.

Sie schlussfolgern, dass die gegenwärtige Neigung des Saturn das Ergebnis der Resonanz mit Neptun ist und dass der Verlust des Satelliten Chrysalis, der etwa so groß war wie Iapetus, der drittgrößte Saturnmond, es ihm ermöglichte, der Resonanz zu entkommen.

Irgendwann vor 200 bis 100 Millionen Jahren betrat Chrysalis eine chaotische Orbitalzone, erlebte eine Reihe enger Begegnungen mit Iapetus und Titan und kam schließlich Saturn zu nahe, in einer streifenden Begegnung, die den Satelliten in Stücke riss und einen kleinen Bruchteil zurückließ um den Planeten als mit Trümmern übersäter Ring zu umkreisen.

Sie fanden heraus, dass der Verlust von Chrysalis die Präzession des Saturn und seine heutige Neigung sowie die späte Bildung seiner Ringe erklärt.

„Es ist eine ziemlich gute Geschichte, aber wie jedes andere Ergebnis muss sie von anderen untersucht werden“, sagt Wisdom. „Aber es scheint, dass dieser verlorene Satellit nur eine Puppe war, die darauf wartete, seine Instabilität zu erfahren.“