De ringen van Uranus worden door zijn manen onder controle gehouden

Computersimulaties laten zien dat de grootste van de 27 manen van Uranus in staat zijn de ringen van de planeet onder controle te houden.

De grootte van de ringen van Uranus wordt gecontroleerd door de vijf grootste manen van de planeet. Ze zijn on staat om significante hoeveelheden stof uit het Uraniaanse systeem te stoten. Dit laten nieuwe simulaties zien die ontworpen zijn om de herkomst van de ringen uit te zoeken.

Uranus, de zevende planeet vanaf de Zon, valt op omdat hij 98° op zijn kant staat, een erfenis van een gigantische inslag lang geleden in de geschiedenis van de planeet.

“Een van mijn motivaties was om uit te vinden of de ringen van Uranus artefacten zijn van de oorspronkelijke inslag die Uranus op zijn kant sloeg”, zegt Stephen Kane, hoogleraar planetaire astrofysica aan de Universiteit van Californië. Het antwoord blijkt waarschijnlijk niet te zijn, omdat het ringmateriaal niet lang zou blijven hangen.”

Kane en zijn college planeetwetenschapper Zhexing Li zijn auteurs van een nieuw artikel waarin simulaties worden beschreven van de interacties tussen de vijf belangrijkste manen van Uranus – Umbriël, Titania, Oberon, Miranda en Ariël – en de ringen. In het bijzonder zijn de interacties op hun hoogtepunt wanneer de manen in “gemiddelde bewegingsresonantie” zijn met de ringen.

Een gemiddelde bewegingsresonantie tussen twee objecten in een baan treedt op wanneer de omlooptijd van het buitenlichaam een geheel getal groter is dan de omlooptijd van het binnenlichaam. Als een maan bijvoorbeeld één baan maakt voor elke twee banen die door ringdeeltjes op een bepaalde afstand van Uranus worden voltooid, vallen ze in zwaartekrachtresonantie. Deze resonantie kan ringmateriaal uit het systeem inluiden en de omvang van het ringsysteem van Uranus inkorten. Het zijn de resonanties met de twee binnenste van de grote manen van Uranus – de 480 kilometer grote Miranda en de 1160 kilometer grote Ariël – die de grootste invloed hebben, waardoor de ringen op afstand van 4,3 keer de straal van de planeet ernstig worden afgekapt. (De straal van Uranus bedraagt 25.362 kilometer dus 4,3 keer de straal komt overeen met 109.000 kilometer.

De ringen van Uranus waren misschien groter en helderder toen ze oorspronkelijk ontstonden, maar zijn sindsdien kleiner geworden door het schurende effect van de manen. Het feit dat Uranus nog steeds ringen heeft suggereert dat deze worden aangevuld door verschillende bronnen van stof in het Uraniaanse systeem. Eén primaire bron zijn de grote en kleine inslagen op de manen.

Volgens Kane is het nog steeds relatief onbekend wat het impactpercentage voor Uranus is. Maar het suggereert dat het groter is dan voorheen werd aangenomen.

Naast inslag kan uitgassing bijdragen aan de toevoer van deeltjes in het systeem. Wanneer de ijzige manen in resonantie komen kunnen zwaartekrachtgetijden van de andere manen en Uranus zelf hun binnenste kneden waardoor cryovulkanisme ontstaat dat ertoe leidt dat er materiaal uit de manen wordt uitgebraakt.

Kane en Li ontdekten dat, na een instroom van stoffige deeltjes in het Uraniaanse systeem via een van de bovengenoemde methoden, de manen in staat zijn 35% van dat materiaal te verdrijven binnen een afstand van 40 * de straal van de planeet (± 1 miljoen kilometer) van Uranus in slechts een half miljoen jaar. Het tempo van het massaverlies neemt vervolgens af en bereikt na tientallen miljoenen jaren 40%.

De onderzoekers waren verrast door het hoge massaverlies. Volgens hun is het de interactie tussen de manen die dit massaverlies veroorzaakt.

Om de zaken nog ingewikkelder te maken zijn de banen van de manen van Uranus in de loop van de tijd veranderd.

Er is veel bewijs dat ze in de loop van de tijd naar verschillende resonante locaties zijn verhuisd. gegeven het feit dat er meer mogelijkheden zijn voor resonante banen dichter bij Uranus, zou de afvlakking van de ringen in het verleden ernstiger zijn geweest naarmate die binnenste manen in en uit resonantie bewogen.

De simulaties laten ook zien dat er mogelijkheden waren voor de ringen om stabiele banen te hebben tussen de banen van de grote manen.

Volgens Kane is het interessant om na te denken over hoe dat eruit zou hebben gezien, met de manen ingebed in de ringen en de manen die deze gaten uithakten.

Uranus is niet de enige planeet die zich zo gedraagt. In 2022 voerde Kane een soortgelijk onderzoek uit naar Jupiter, die zeer zwakke en dunne ringen heeft, wat de enorme massa van de planeet tegenspreekt. In dat onderzoek ontdekte Kane dat de vier grote Galileïsche manen van Jupiter – Io, Europa, Ganymedes en Callisto – verantwoordelijk waren voor het uitstoten van het grootste deel van het stoffige materiaal dat anders in de ringen terecht zou kunnen komen.

Op dit moment bestaan de scenario’s bij Jupiter en Uranus alleen in theoretische modellering. Zou een toekomstige missie naar Uranus dit massaverlies van het systeem daadwerkelijk kunnen meten?

Kane zegt dat het meer de vraag is of er op dat moment de mogelijkheid zou zijn om het massaverlies te meten want om massaverlies waar te nemen moet er massa aanwezig zijn om verloren te gaan. Zonder een geologisch recente impact om de stofvoorraden aan te vullen vermoed Kane dat de hoeveelheid massa die op dit moment verloren gaat vrij minimaal is.

Dat idee zou binnenkort op de proef kunnen worden gesteld. In de recente tienjarige plannen van de NASA werd een missie naar Uranus als topprioriteit aangemerkt, met een lancering op zijn laatst halverwege de jaren ’30 om dan in de jaren ’40 bij Uranus aan te komen. De missie zou het binnenste van Uranus bestuderen en het zwaartekrachtveld meten, wat op zijn beurt het massaverlies zal beïnvloeden. Als er stof in het systeem zit kan een orbiter zelfs detecteren dat het ontsnapt. Nu Uranus nog steeds een relatief onontdekte grens in het zonnestelsel is en er slechts één missie (Voyager 2 van de NASA) kort voorbij is gevlogen, kunnen er in de toekomst veel opwindende ontdekkingen gedaan worden.

Het onderzoek is nog niet in een wetenschappelijk tijdschrift gepubliceerd maar is wel beschikbaar op de arXiv preprint-server.

Eerste publicatie: 31 oktober 2023
Bron: space.com