Ringen komen vaak voor rond planeten in het zonnestelsel, maar de dramatische ringen van Saturnus hebben astronomen lang verbaasd, net als de steile helling van de ringen en de rotatieas van de planeet ten opzichte van zijn baan om de zon. Wetenschappers tonen nu aan dat de ringen en de schuine stand nauw met elkaar verbonden zijn, en dat de sleutel ligt bij een voormalige maan van Saturnus die zo'n 160 miljoen jaar geleden uiteengereten werd om de ringen te vormen.
De onderzoekers noemden de verdwenen maan Chrysalis, omdat hij uitgroeide tot de ringen zoals een pop een vlinder wordt. Het nieuwe voorstel over hoe Saturnus "Lord of the Rings" werd in ons zonnestelsel en hoe Saturnus aan zijn axiale kanteling kwam, wordt deze week gepubliceerd in het tijdschrift Science. De hoofdauteur is Jack Wisdom, hoogleraar planeetwetenschappen aan het Massachusetts Institute of Technology (MIT), met belangrijke bijdragen van Burkhard Militzer van de Universiteit van Californië, Berkeley. Militzer, hoogleraar aard- en planeetwetenschappen aan UC Berkeley, maakte deel uit van een team dat in 2019 concludeerde dat de ringen van Saturnus relatief recent zijn, slechts 100 miljoen jaar geleden gevormd en misschien zelfs nog recenter. De planeet zelf is even oud als het zonnestelsel, ongeveer 4,5 miljard jaar. De ringen zouden brokstukken kunnen zijn van de vernietiging door de getijden van een vroegere ijzige maan van Saturnus of de resten van een komeet die te dicht bij de planeet kwam.
De nieuwe theorie stelt dat de ringen afkomstig zijn van een vroegere maan en geeft een schatting van hoe massief die maan was - ongeveer zo groot als Iapetus, de op twee na grootste maan van Saturnus - en waarom de maan zo dicht bij de planeet kwam dat hij uiteengereten werd. De onderzoekers concluderen dat ongeveer 99% van Chrysalis door de gasreuzenplaneet is opgeslokt en dat de rest de ringen heeft gevormd. "De kanteling is te groot om het resultaat te zijn van bekende vormingsprocessen in een protoplanetaire schijf of van latere, grote botsingen," aldus Wisdom. "Er zijn verschillende verklaringen gegeven, maar geen enkele is helemaal overtuigend. Het coole is dat de voorheen onverklaarde jonge leeftijd van de ringen in ons scenario natuurlijk wordt verklaard."
De dans tussen Saturnus en Neptunus
Astronomen hebben al eerder vermoed dat de axiale kanteling van Saturnus het gevolg is van zwaartekrachtinteracties met zijn buitenste metgezel, Neptunus, omdat de kanteling van Saturnus als een tol precessief verloopt met bijna dezelfde snelheid als de precessie van de baan van Neptunus. Zo'n interactie wordt een resonantie genoemd.
In de nieuwe studie concluderen de onderzoekers dat Neptunus en Saturnus miljarden jaren lang in een resonantiedans waren die de kanteling van Saturnus' draaias veroorzaakte. Maar de buitenwaartse beweging van Saturnus' maan Titan - de op één na grootste maan in het zonnestelsel - destabiliseerde het Saturnus-systeem, waardoor het een maan verloor en uit zijn resonantie raakte. Het resultaat? Een heldere en prachtige set ringen die de planeet vandaag de dag siert. Zoals de meeste planeten is Saturnus waarschijnlijk gevormd met zijn rotatie-as loodrecht op zijn baanvlak. Door de snelle rotatie van de planeet werd zijn vorm enigszins afgeplat, waardoor de zon en andere planeten een koppel konden uitoefenen dat de as kantelde. De 83 bekende manen van Saturnus - in het bijzonder Titan - waren andere hefbomen om aan te trekken. In de loop van de geschiedenis van het zonnestelsel heeft dit trekken de as van Saturnus niet alleen gekanteld, maar ook doen wiebelen, of precessen, als een tol. De draaias van de aarde draait ook schuin.
Eén verklaring voor de grote kanteling van de draaias van Saturnus vandaag - momenteel 26,7 graden tegenover 23,5 graden op aarde - is dat de precessie vastzit in een resonantie met de precessie van de baan van Neptunus, een planeet die half zo groot is en meer dan drie keer zo ver van de zon verwijderd is als Saturnus. Deze resonantie zou van een lichte kanteling van Saturnus' rotatieas een grote kanteling hebben gemaakt. Enkele jaren geleden werd in een studie geconcludeerd dat de twee planeten nog steeds in resonantie zijn, maar Wisdom vond het moeilijk om dat resultaat te bevestigen, vooral omdat het impulsmoment van Saturnus niet precies bekend was. Hoe hoger het impulsmoment - een product van de rotatiesnelheid van een planeet en zijn traagheidsmoment, dat wil zeggen de verdeling van de massa binnen de planeet - hoe beter een systeem bestand is tegen koppels van de zon of andere planeten.
"Jack kwam naar ons toe en zei: "Het enige wat ik niet zeker weet is dit impulsmoment," zei Militzer. "Als het heel groot is, dan is het systeem in resonantie, en kan Neptunus de klus klaren: We begrijpen waarom de planeet zich verticaal draaiend heeft gevormd, en Neptunus heeft hem in de loop der tijd gekanteld. Is het impulsmoment daarentegen klein, dan valt de hele zaak uit elkaar, en moet je een andere theorie bedenken waarom Saturnus op zijn kant zou draaien."
Cassini flyby
Dankzij metingen van het zwaartekrachtsveld van Saturnus door de Cassini-missie in 2017 - dezelfde metingen waarmee Militzer en zijn collega's de massa van de ringen en hun leeftijd konden schatten - konden Militzer en co-auteurs het traagheidsmoment van de planeet nauwkeuriger bepalen en het impulsmoment berekenen. Het bleek verrassend genoeg net iets te klein om de twee planeten vandaag in resonantie te brengen. Maar berekeningen toonden aan dat Saturnus in resonantie zou zijn geweest als het ooit een extra maan had gehad.
Hoe is Saturnus dan uit zijn miljardenjarige resonantie met Neptunus gekomen? In computersimulaties hebben Wisdom en zijn collega's verschillende scenario's getest. De meest waarschijnlijke is dat Saturnus' maan Titan - die momenteel met zo'n 11 centimeter per jaar snel van de planeet naar buiten trekt - op een gegeven moment in resonantie kwam met de baan van een andere maan, Chrysalis, waardoor diens baan destabiliseerde. Chrysalis kwam uiteindelijk zo dicht bij Saturnus dat de zwaartekracht van de planeet hem uit elkaar scheurde, waarbij een deel ervan in een ring terechtkwam. Gezien Titans huidige migratiesnelheid zou dat tussen 100 en 200 miljoen jaar geleden zijn gebeurd, zo stelden zij vast, wat overeenkomt met de huidige schatting van de leeftijd van de ringen.
"Je verliest deze hele maan, en dan heb je een handvat minder om Saturnus rond te trekken," zei Militzer. De migratie van Titan naar buiten werd pas onlangs ontdekt, aldus Militzer. "De snelle migratie van Titan geeft een nieuwe mogelijkheid om de kanteling van Saturnus te verklaren," zei hij. "De formule voor de snelheid van de precessie van de draaias hangt af van de aanwezigheid van de satellieten. Het systeem zou dus aan de resonantie kunnen zijn ontsnapt als Saturnus vroeger een extra satelliet had die verloren ging, waardoor de precessiesnelheid voldoende veranderde om aan de resonantie te ontsnappen, maar het systeem wel dicht bij de resonantie bleef."
De onderzoekers hopen dat nauwkeuriger metingen van de bewegingen van Neptunus en van Saturnus en zijn manen hun hypothese zullen bevestigen. "Het is een vrij goed verhaal, maar zoals elk ander resultaat zal het door anderen moeten worden onderzocht," zei Wisdom. "Maar het lijkt erop dat deze verdwenen satelliet slechts een pop was, wachtend op zijn instabiliteit." Andere co-auteurs zijn afgestudeerd student Rola Dbouk van MIT, professor emeritus William Hubbard van de Universiteit van Arizona, professor Francis Nimmo en afgestudeerd student Brynna Downey van UC Santa Cruz, en Richard French van Wellesley College in Massachusetts. Het werk werd gefinancierd door de National Aeronautics and Space Administration en de National Science Foundation.
Bron: University of California at Berkeley
