Zonnestelsel Nieuws

Saturnus vernielde een maan om er ringen van te maken

Saturnus heeft mogelijk een van zijn manen vernietigd om er de ringen mee te maken. Deze catastrofale gebeurtenis zou plaatsgevonden kunnen hebben toen de dinosauriërs nog op Aarde rondliepen.

Saturnus, op 4 juli 2020 gefotografeerd door de Hubble
Deze opname van Saturnus en zijn ringen werd op 4 juli 2020 gemaakt door de Hubble Space Telescope. Op de opname zijn ook duidelijk twee van de vele maantjes van Saturnus zichtbaar. Rechts zien we het maantje Mimas en beneden het maantje Enceladus. Credit: NASA / ESA / A. Simon, NASA’s Goddard Space Flight Center / M.H. Wong, University of California, Berkeley / OPAL Team.

De ringen van Saturnus zijn vermoedelijk ongeveer 100 miljoen jaar geleden ontstaan toen een van zijn ijsmanen door de aantrekkingskracht van de planeet werd vernietigd.

Dat zegt nieuw onderzoek dat het ontstaan van de schitterende ringen verbindt met de naar buiten gerichte migratie van Titan en een resonantie tussen de rotatie van Saturnus en de baan van Neptunus.

Er wordt al tientallen jaren een debat gevoerd over de leeftijd van de ringen van Saturnus. Sommige planeetwetenschappers dachten dat de ringen zo oud zouden kunnen zijn als de planeet zelf maar in het begin van de jaren ’80 schatten Peter Goldreich van Caltech en Scott Tremaine van het Massachusetts Institute of Technology (MIT) een relatief jonge leeftijd van ± 100 miljoen jaar. Hun schatting was gebaseerd op basis van de snelheid van ijsdeeltjes in de ringen en hoe vaak ze botsen en elkaar verslijten.

Het einde van de Cassini-missie naar Saturnus in 2017 bracht meer bewijs voor een jonge leeftijd. De Cosmic Dust Analyzer van de ruimtesonde mat de inval van planetair stof op de ringen en ontdekte vervolgens op basis van Cassini’s metingen van de massa van de ringen dat slechts één procent van de ringen uit stof bestond. Dit betekent dat de ringen slechts 100 miljoen jaar oud konden zijn.

Hoewel de bevindingen van Cassini grotendeels werden verwelkomd drongen sommige planeetwetenschappers aan op voorzichtigheid. Ze wezen erop dat een deel van het stof uit de ringen en op Saturnus zelf zou kunnen regenen waardoor de ringen schoon blijven en ze jonger lijken dan ze in werkelijkheid zijn.

Nu heeft nieuw onderzoek, geleid door Jack Wisdom van MIT, een fysisch mechanisme gevonden dat niet alleen de kanteling van de rotatie-as van Saturnus en de excentriciteit van de baan van zijn grootste maan Titan verklaart, maar dat ook bepaalt dat de leeftijd van de ringen ongeveer 100 miljoen jaar moet zijn.

Het is een merkwaardig verhaal over resonanties, draaimomenten, schuine standen en precessie. De helling van Saturnus – dat wil zeggen hoeveel de planeet is gekanteld ten opzichte van het baan vlak om de Zon – bedraagt 26,7°. In 2021 toonden wetenschappers onder leiding van Melaine Saillenfest van het Observatoire de Paris aan dat de relatief recente buitenwaartse beweging van de baan van Titan ertoe had kunnen leiden dat Saturnus met grote ashelling omvalt.

Titan in een baan om Saturnus
Titan in een baan rond Saturnus. Credit: NASA/JPL-Caltech/Space Science Institute

Saturnus wiebelt ook om zijn as en dit fenomeen wordt precessie genoemd. Het is hetzelfde effect dat ervoor zorgt dat de rotatie-as van een tol een pirouette maakt in een cirkel, het is niet ongebruikelijk dat de rotatie-as van een planeet dit doet – ook de Aarde kent een precessie. Tegenwoordig wijst de noordpool van de Aarde min of meer naar Polaris, de poolster, maar over een paar duizend jaar heeft de precessie ervoor gezorgd dat de noordpool richting de ster Wega zal wijzen.

In het geval van Saturnus wordt de precessie meestal veroorzaakt door Titan, aangezien de zwaartekracht van de Zon aan Titan trekt waardoor er een kracht ontstaat op Saturnus. Deze kracht is een draaiende kracht en in het geval van Saturnus werkt deze kracht op de rotatie-as van Saturnus waardoor er een precessie ontstaat.

Op een gegeven moment, toen de frequentie van de precessie van Saturnus toenam, ontstond er een resonantie met de precessie van de knoop van de baan van Neptunus. Dat wil zeggen de locatie waar de baan van Neptunus door het vlak van de ecliptica snijdt. Een resonantie is een versterkend effect, zoals het klassieke voorbeeld van het duwen van een kind op een schommel. Duw op het juiste moment en de amplitude van de zwaai kan toenemen. Resonanties in het zonnestelsel zijn zwaartekracht gerelateerd en zijn gebonden aan specifieke frequenties van voorkomen. In dit geval de precessiesnelheid van Saturnus en de precessie van de knoop van de baan van Neptunus.

Tegenwoordig zijn de frequenties van de precessie van Saturnus en de precessie van de baan van Neptunus echter niet in resonantie maar liggen ze er net buiten; hun frequenties komen net niet helemaal overeen.

Kan er iets gebeurd zijn waardoor Saturnus en Neptunus uit resonantie zijn geraakt? De onderzoekers suggereren dat er vroeger een extra maan was die verloren is gegaan door een chaotische baaninstabiliteit en die een nauwe ontmoeting had met Saturnus. Hierbij werd die maan vernietigd en hieruit ontstonden de ringen.

De onderzoekers hebben de denkbeeldige maan “Chrysalis” gedoopt. De maan zou, met een diameter van ± 1500 kilometer, ongeveer even groot zijn geweest als Japetus, de derde maan van Saturnus. De maan zou voornamelijk uit waterijs hebben bestaan. De maan is vernoemt naar de vorm die een rups aanneemt wanneer hij in een vlinder verandert. De vlinder is lang slapend in de popfase en dan onthult hij zichzelf en klappert met zijn vleugels. Evenzo de kleine maan bestaande uit ijs, de ringen kwamen plotseling tevoorschijn toe hij uit elkaar werd gescheurd.

In hun hypothese stellen de onderzoekers voor dat Chrysalis ook heeft bijgedragen aan het koppel van Saturnus waardoor de geringde planeet in resonantie kwam met Neptunus. Hun computersimulaties laten echter zien dat tussen 100 en 200 miljoen jaar geleden Chrysalis echter ook een baanresonantie had met Titan: voor elke drie banen van Titan zou Chrysalis er een maken. Deze resonantie zou Chrysalis een duw hebben gegeven, zoals het kind op de schommel, en zijn baan hebben gedestabiliseerd waardoor de maan uiteindelijk te dicht bij Saturnus zou komen waar de zwaartekracht van de planeet de maan uit elkaar scheurde om de beroemde ringen te vormen. Zonder koppel van Chrysalis zou de precessiefrequentie van Saturnus zijn afgenomen waardoor die net buiten de resonantie met Neptunus zou zijn gekomen.

Scott Tremaine, die als eerste een hypothese opstelde over de jonge leeftijd van de ringen, noemt het nieuwe onderzoek “opmerkelijk”. We zullen nooit weten of er ooit een extra maan in het Saturnusstelsel aanwezig is geweest maar de nieuwe hypothese legt vier puzzels uit (de schuine stand van Saturnus, het bestaan van de ringen, de leeftijd van de ringen en de excentrische baan van Titan).

Het onderzoek werd 15 september 2022 gepubliceerd in het tijdschrift Science.

Artikel: Jack Wisdom et al. 2022. Loss of a satellite could explain Saturn’s obliquity and young rings. Science 377 (6612): 1285-1289

Eerste publicatie: 17 september 2022
Bron: diverse persberichten