Saturn's Surprising Rings: The Fascinating Mysteries Cassini Has Solved

Sinds astronoom Galileo Galilei voor het eerst iets vreemds opmerkte over Saturnus in 1610, hebben de schilderachtige ringen van de planeet veel fascinerende puzzels opgeleverd. In de afgelopen 13 jaar heeft de Amerikaans-Europese missie Cassini-Huygens veel van deze hersenkrakers opgelost.

De gegevens van Cassini geven aan dat de meeste ringen van Saturnus waarschijnlijk net zo oud zijn als het zonnestelsel zelf - ongeveer 4,5 miljard jaar. Eerdere observaties, tijdens de Voyager-flybys van 1980 en 1981, suggereerden dat de ringen misschien wel 100 miljoen jaar oud zijn, het resultaat van een vervelende breuk tussen een grote komeet en een ijzige maan. Maar Cassini-waarnemingen tonen aan dat de ringen niet door een enkele gebeurtenis konden zijn geproduceerd.

Zelfverjongende ijsweiden

Cassini stelde ook vast dat de ringen bijna volledig uit waterijs zijn gemaakt. Dus, als ze zo oud zijn, hoe blijven ze dan zo verrassend helder? Cassini ontdekte dat het mechanisme verband lijkt te houden met de hoge snelheid van "churn", of interacties tussen de ringdeeltjes. Manen worden gebouwd binnen de ringen en worden dan verscheurd door botsingen en getijdenkrachten, waarbij de heldere oppervlakken van elk ijzig stipje worden vernieuwd. [Foto's: de glorieuze ringen van Saturnus sluiten]

Tiny hoeveelheden van eenvoudige organische verbindingen tint en schaduw het heldere ijs. Astronoom Carl Sagan noemde deze kleurrijke chemicaliën 'tholins', wat Grieks is voor 'modderig'. Deze moleculaire kleurstoffen kunnen afkomstig zijn van de manen van Saturnus. Phoebe, in het bijzonder, zet donker materiaal uit; in feite genereert Phoebe zijn eigen brede, diffuse roodachtige ring van het spul.

Vanuit Cassini's close-up perspectief lijkt het ringveld te bestaan ​​uit honderdduizenden concentrische ringen. Maar in de geschiedenis observeerden astronomen op aarde hen als verschillende grote, discrete groepen. Deze banden kregen letters - A tot en met G - in de volgorde van hun ontdekking.

Cassini zag dat de ringen verrassend plat waren. Ze zijn 30 miljoen keer breder dan ze dik zijn. Gemiddeld zijn de meest zichtbare ringen - de A-, B- en C-ringen - slechts ongeveer 33 voet (10 meter) hoog van boven naar beneden, niet groter dan een gebouw met drie verdiepingen. Net als in een zich ontwikkelend planeetstelsel rond elke ster, hebben hoekig momentum en zwaartekracht de neiging om materie samen te persen tot een draaiende schijf.

Deeltjesfysica

Door radiosignalen van verschillende golflengten door het ringmateriaal naar antennes op aarde te zenden, konden Cassini's radiowetenschappers de groottes en verdelingen van deeltjes bepalen. De meeste zijn kleine kristallen kleiner dan stofdeeltjes. Velen groeien naar de grootte van kiezels. Minder gebruikelijk zijn ijsrotsen en grote rotsblokken, tot de grootte van huizen. Een paar zijn bergachtig.

De pakkingsdichtheid van deeltjes varieert tussen de belangrijkste ringgroepen. Er gaat heel weinig licht door de B-ring van overvolle sneeuwballen; een hypothetische astronaut daar zou moeten werken om zijn of haar weg er doorheen te graven. De A-ring heeft minder last van congestie. En de G-ring is erg diffuus, zoals mist of rook.

De basisfysica van het ringsysteem is eenvoudig. Het is meestal het product van zwaartekracht en botsingen: elke stip, kiezelsteen en rotsblok draait rond de planeet in zijn eigen baan, terwijl hij staart op positie tussen biljoenen anderen. Hoewel ze allemaal op enkele kilometers per seconde vliegen, verdringen ze elkaar slechts heel voorzichtig. Bits ringmateriaal kunnen tegen elkaar stoten en stuiteren of aan elkaar blijven kleven, waardoor grotere stapels worden geaccentueerd. [Laatste Saturn Foto's door Cassini Orbiter van NASA]

Deze agglomeraties kunnen tijdelijk zijn of, soms, blijven groeien. Enkelen kunnen als kleine manen op zichzelf uitmonden. Cassini-wetenschapper Carl Murray volgt sinds 2013 een bepaalde hobbel in de buitenrand van de A-ring. Hij noemde het "Peggy" ter ere van zijn schoonmoeder. Het ziet eruit als een verdikte cocon van ringmateriaal van ongeveer 11 kilometer lang en 10 kilometer breed, met een uitdunnend spoor erachter als een komeet. Peggy heeft waarschijnlijk een verdichte kern van misschien 1,6 kilometer in diameter, die op een dag een maan kan worden. Of, het kan worden opgebroken en opnieuw opgenomen in de ring, hebben wetenschappers gezegd.

Golven, scheringen, knikken en vlechten

Cassini is getuige geweest van vele ingewikkelde, op elkaar inwerkende golfpatronen die zich over de ringen verspreiden. Elk wordt opgeroepen door een specifieke gravitationele resonantie met een Saturnus-maan.

De substantiële maan Mimas veroorzaakt de grote Cassini Divisie op deze manier. De maan Pan van Saturnus smeedt de 202 km brede (325 km) Encke Gap, waardoor het een golvende, geschulpte rand krijgt. En de kleine moonlet Daphnis ploegt een 22-mijls brede (35 km) groef genaamd de Keeler Gap, stuurt een zwaartekracht-rimpel naar elke kant - een beetje zoals de boeggolf van een boot op een meer.

Samen vormen de manen Pandora en Prometheus de F-ring door gravitatie "in vorm". Maar soms zijn de ondeugende effecten van de manen directer. Prometheus verstoort ook het F-ringmateriaal en trekt het naar buiten wanneer de maan het verst verwijderd is. Een paar van deze stromen materie komen terug, slaan door de ring en verlaten een spoor.

Aan het tegenovergestelde dieptepunt van zijn baan, steekt Prometheus - die sneller beweegt dan de ring - soms zachtjes in de F-ring, die bijna helemaal door de ring steekt en een ijzel van ijzige deeltjes achter zich trekt. Cassini nam films op van dergelijke 'zachte botsingen'.

Analoog zonnesysteem

De ringen van Saturnus lijken veel op de geplette schijf van materiaal dat meer dan 4 miljard jaar geleden rond de foetale zon cirkelde. Het bestuderen van deze prachtige structuren geeft onderzoekers daarom een ​​venster in de tijd om aanwijzingen te verzamelen over de vorming van planeten. De frequentie van ringdeeltjesbotsingen is hoog, maar het Saturn-systeem heeft zijn chaos snel gedempt en stabiliseerde veel sneller dan ons zonnestelsel en planetaire systemen rond andere sterren.

Of je de wetenschap of de esthetiek van het uitzicht op prijs stelt, het kijken naar het groot ballet van ringmateriaal door de camerahanden van Cassini is een zeer meeslepende ervaring.

De auteur, @DavidSkyBrody, is de schrijver en regisseur van "Kingdom of Saturn - Cassini's Epic Quest"een documentaire terugkijken op de missie, nu verkrijgbaar bij Amazon XiveTV. Brody was voorheen uitvoerend producent bij Purch, het moederbedrijf van ProfoundSpace.org en LiveScience.com.