Saturnus maakt golven in zijn eigen ringen

Op dezelfde manier waarop aardbevingen onze planeet doen rommelen, laten trillingen in het binnenste van Saturnus de gasreus ook heel licht heen en weer wiebelen. Die bewegingen veroorzaken op hun beurt rimpelingen in de ringen van Saturnus.

In een nieuwe studie, die is gepubliceerd in het tijdschrift Nature Astronomy, hebben twee astronomen van Caltech die kabbelende ringen geanalyseerd om nieuwe informatie over de kern van Saturnus te onthullen. Voor hun onderzoek gebruikten ze oudere gegevens die waren vastgelegd door de Cassini ruimtesonde van de NASA. Deze ruimtesonde draaide gedurende 13 jaar rond de gasreus alvorens in 2017 in de atmosfeer van de planeet uiteen te vallen.

De bevindingen suggereren dat de kern van de planeet geen harde bal van gesteente is zoals sommige eerdere theorieën hadden voorgesteld, maar een diffuse soep van ijs, steen en metaalachtige vloeistoffen, . Uit de analyse blijkt ook dat de kern zich over ongeveer 60 procent van de diameter van de planeet uitstrekt en dat maakt hem aanzienlijk groter dan eerder werd geschat.

De onderzoekers gebruikten de ringen van de planeet als een gigantische seismograaf om de trillingen in het binnenste van de planeet mee vast te leggen. Het is voor het eerst dat men er in is geslaagd de structuur van een gasplaneet seismisch te onderzoeken en de resultaten waren een grote verrassing.

De bevindingen bieden het beste bewijs tot nu toe voor de “diffuse” kern van Saturnus en sluiten aan bij recent bewijs van de Juno-missie van de NASA bij Jupiter want ook die resultaten duiden op een vergelijkbare zachte kern voor de reuzenplaneet.

Die zachte kernen gedragen zich als slib. Naarmate je het centrum van de planeet nadert mengen waterstof en helium zich geleidelijk met meer en meer ijs en gesteente. Het lijkt een beetje op delen van de oceanen van de Arde waar het zoutgehalte toenemen naarmate je dieper en dieper komt waardoor er een stabiele configuratie ontstaat.

Het idee dat de trillingen van Saturnus golven in zijn ringen zouden kunnen maken en dat de ringen dus konden worden gebruikt als een seismograaf om het binnenste van de planeet te bestuderen ontstond voor het eerst in de vroege jaren ’90. De eerste waarneming van het fenomeen werd gedaan in 2013, ook met behulp van de Cassini ruimtesonde. De astronomen ontdekten dat de C-ring van Saturnus meerdere spiraalpatronen bevatte die werden veroorzaakt door fluctuaties in het zwaartekrachtsveld van Saturnus en dat deze patronen verschilden van andere golven in de ringen die werden veroorzaakt door zwaartekrachtsinteracties met de manen van de planeet.

Onderzoekers hebben nu het golfpatroon in de ringen geanalyseerd om nieuwe modellen van het klotsende interieur van Saturnus te bouwen. Saturnus trilt altijd maar het is heel subtiel. Het oppervlak van de planeet beweegt elke één tot twee uur ongeveer een meter, als een langzaam kabbelend meer. Als een seismograaf vangen de ringen de zwaartekrachtsverstoringen op en beginnen de deeltjes in de ringen rond te tollen.

De onderzoekers zeggen dat de waargenomen zwaartekrachtsrimpelingen aangeven dat het diepe binnenste van Saturnus is samengesteld uit stabiele lagen die zijn ontstaan nadat zwaardere materialen naar het midden van de planeet waren gezonken en niet meer vermengden met lichtere materialen erboven.

Om ervoor te zorgen dat het zwaartekrachtsveld van de planeet met deze specifieke frequenties trilt moet het binnenste stabiel zijn en dat is alleen mogelijk als de fractie ijs en gesteente geleidelijk toeneemt als je naar het centrum van de planeet gaat.

De resultaten van het onderzoek geven ook aan dat de kern van Saturnus 55 keer zo zwaar is als de Aarde. Van die 55 aardmassa’s zijn 17 aardmassa’s ijs en gesteente en de rest is een vloeistof van voornamelijk waterstof en helium.

De bevindingen vormen bovendien uitdagingen voor de huidige modellen voor het ontstaan van gasreuzen. Deze modellen zeggen dat er eerst rotsachtige kernen ontstaan die vervolgens omhulsels van gas aantrekken. Als de kernen van de planeten inderdaad diffuus zijn zoals dit onderzoek aangeeft kunnen de planeten in plaats daarvan eerder in het proces gas opnemen.

Artikel: Mankovich, C.R et al, A diffuse core in Saturn revealed by ring seismology. Nat Astron (2021).

Eerste publicatie: 18 augustus 2021
Bron: California Institute of Technology