Saturnus’ ringen hebben geen eeuwig leven

Sterrenkunde Het meest spectaculaire object uit het zonnestelsel is niet zo oud als gedacht. En mogelijk blijven Saturnus’ ringen ook nog maar 100 miljoen jaar bestaan.

Onderverdeling in de B-ring: de nauwe ringen zijn 40 km breed, de bredere kunnen 500 km breed worden. De hele B-ring is 25.000 km breed.
Onderverdeling in de B-ring: de nauwe ringen zijn 40 km breed, de bredere kunnen 500 km breed worden. De hele B-ring is 25.000 km breed. Foto Cassini Sonde/NASA/JPL/Space Science Institute

Ooit gingen wetenschappers ervan uit dat het indrukwekkende ringenstelsel van Saturnus zo oud is als de planeet zelf – ruim 4 miljard jaar dus. Maar de laatste jaren zijn sterke aanwijzingen gevonden dat het stelsel veel jonger is en bovendien een beperkte levensduur heeft. Nieuw onderzoek, op 17 december gepubliceerd in het wetenschappelijke tijdschrift Icarus (al eerder online), bevestigt dat. Met een beetje pech zou de planeet zijn iconische ringen al binnen 100 miljoen jaar kwijt kunnen zijn. Of zal het zo’n vaart niet lopen?

Ook de andere grote gasplaneten (Jupiter, Uranus en Neptunus) hebben een ringenstelsel, maar de ringen van Saturnus zijn de meest spectaculaire en al met een bescheiden telescoopje waarneembaar. Hoe ze precies zijn ontstaan is nog steeds onduidelijk.

Er bestaan maar twee soorten theorieën over het ontstaan van zulke ringenstelsels. Volgens de ene, die teruggaat tot de 19de eeuw, is het ringmateriaal afkomstig van een voormalige maan van de planeet die – bijvoorbeeld door een botsing met een ander maantje – uiteengevallen is. De andere categorie stelt dat de ringen een overblijfsel zijn van het materiaal waaruit de planeet zelf is ontstaan. In het eerste geval zouden de ringen aanzienlijk jonger zijn dan in het tweede.

Bij schattingen van de leeftijd van de ringen van Saturnus spelen twee factoren een rol: massa en ‘vervuiling’. Op basis van Voyager-waarnemingen begin jaren 80 was al geconcludeerd dat die ringen iets minder materie bevatten dan de ongeveer 400 kilometer grote ijsmaan Mimas. De recentere metingen door ruimtesonde Cassini komen zelfs nog lager uit. Die geringe massa wijst er alvast op dat het ringenstelsel niet zo heel erg lang meer zal bestaan – naar kosmische maatstaven dan. Allerlei processen zorgen er voor dat zulke ringen geleidelijk ‘oplossen’. In het nieuwe onderzoek in Icarus wordt geschat dat van die massa tussen de 400 en 3.000 kilogram per seconde terugvalt op Saturnus. Dan blijft er op tijdschalen van honderden miljoenen jaren niets meer over.

Lees ook: Ruimtesonde Cassini is verbrand. Wat leerde hij ons?

Maar dat betekent niet per se dat de ringen van Saturnus vrij recent zijn ontstaan: theoretisch zouden ze het restant kunnen zijn van een stokoud ringenstelsel dat oorspronkelijk veel indrukwekkender was dan nu. Er zijn echter goede redenen om aan te nemen dat dit niet zo is.

Complex lichtspel in een doorkijkje door de geelgrijze ringen met in de verte het 400 km grote Saturnusmaantje Mimas en de blauw gestreepte atmosfeer van Saturnus. De strepen in de atmosfeer ontstaan door schaduwen van de ringen.
Foto Cassini Sonde/NASA/JPL/Space Science Institute
Opstaande randen van zo’n 2,5 km hoog, werpen lange schaduwen over de B-ring. De ringen zelf zijn maar gemiddeld 10 meter dik. Deze extreme randen worden waarschijnlijk opgestuwd door relatief grote brokken van een kilometer of groter die zich in de rand van de B-ring bevinden.
Foto Cassini Sonde/NASA/JPL/Space Science Institute

De ‘deeltjes’ waaruit de ringen zijn opgebouwd – in grootte variërend van enkele micrometers tot meters – bestaan tot op de dag van vandaag voor het overgrote deel uit bevroren water. Vermoed wordt dat ze oorspronkelijk zelfs volledig uit waterijs hebben bestaan. Vanuit de ruimte worden Saturnus en zijn ringen echter voortdurend met micrometeorieten bestookt. Hierdoor raakt het ringmateriaal vervuild met onder meer silicaten en roetachtige substanties.

Vervuiling

Volgens de Nederlands-Amerikaanse astronoom Imke de Pater, hoogleraar aan de Universiteit van Californië te Berkeley en deskundige op het gebied van de grootste planeten van ons zonnestelsel, heeft het onderzoek van deze vervuiling een einde gemaakt aan de leeftijdsdiscussie. „Onderzoek door een van onze studenten heeft aangetoond dat de ringen jong zijn, rond de 100 miljoen jaar,” e-mailt zij desgevraagd. „En anderen hebben een vergelijkbaar resultaat verkregen door te kijken naar de snelheden waarmee kleine maantjes zich geleidelijk van Saturnus verwijderen.”

Met behulp van deze informatie heeft Zhimeng Zhang (Cornell Universiteit) berekend hoe oud de ringen zijn. Haar bevindingen, die in 2016 en 2017 in Icarus zijn gepubliceerd, wijzen erop dat de meest opvallende delen van het ringenstelsel van Saturnus ergens tussen de 15 en 150 miljoen jaar geleden zijn ontstaan.

Het maantje Daphnis (rechts) wekt golven op in de ringen, tijdens zijn passage door een 40 km brede opening in de A-ring die Daphnis openhoudt. Dit pas in 2005 door de Cassini-sconde ontdekte ‘herdermaantje’ Daphnis is 8 km groot. Foto Cassini Sonde/NASA/JPL/Space Science Institute

Ook de auteurs van een nieuw onderzoeksverslag dat deze maand in Icarus is gepubliceerd gaan ervan uit dat de ringen van Saturnus jong zijn. Zij kijken bovendien vooruit: uit het onderzoek, onder leiding van James O’Donoghue van NASA’s Planetary Magnetospheres Laboratory, zou blijken dat het huidige ringenstelsel al binnen 100 miljoen jaar verdwenen kan zijn.

De auteurs baseren zich op metingen van elektrisch geladen moleculen, bestaande uit drie waterstofatomen minus een elektron (H3+). Onder invloed van zonlicht zenden deze moleculen infraroodstraling uit, en deze straling is geregistreerd met de Keck II-telescoop op Hawaï.

Bekijk ook: Dit zijn de adembenemende ruimtefoto’s van de Cassini-missie

Het H3+ ontstaat doordat minuscule, elektrisch geladen ijsdeeltjes uit de ringen ontsnappen en worden ingevangen door het magnetische veld van Saturnus. Deze deeltjes worden via de magnetische veldlijnen naar de planeet geleid, waar ze in botsing komen met de daar aanwezige waterstofatomen. Dit proces wordt wel de ‘ringregen’ genoemd.

Omdat het H3+-molecuul in de hoge Saturnusatmosfeer een beperkte levensduur heeft, kan uit de daar aangetroffen hoeveelheden worden afgeleid hoe hevig de ringregen is. De auteurs komen tot de conclusie dat er per seconde tussen de 400 en 3.000 kilogram ringmateriaal wordt aangevoerd. In dat tempo zouden de ringen binnen 300 miljoen jaar uitgeput zijn. Uit gegevens van de ruimtesonde Cassini blijkt echter dat er via een ander proces nog grotere hoeveelheden ringmateriaal op Saturnus belanden. En dat zou de levensduur van de ringen met nog eens een factor drie bekorten.

Kanttekeningen

De Pater kan zich goed vinden in het nieuwe resultaat. Ze plaatst er echter wel kanttekeningen bij: „De foutmarge in het getal van 300 miljoen is heel groot – de auteurs geven aan dat het ringenstelsel ook wel 1 miljard jaar kan blijven bestaan. Bovendien kan de ringregen ook afnemen of op de lange termijn sterk fluctueren.”

Ook zou het ringmateriaal nog kunnen worden aangevuld – niet zozeer door micrometeorieten, maar door grotere objecten. „Bijdragen van kometen, die wat meer massa meebrengen, kunnen niet worden uitgesloten”, aldus De Pater

Dat het ringenstelsel van Saturnus momenteel in hoog tempo ‘leegloopt’ impliceert dat het voorheen waarschijnlijk veel indrukwekkender is geweest dan nu. Dat zou ook kunnen gelden voor de ringenstelsels van de overige gasplaneten, die er nu nogal magertjes uitzien.

Saturnus (120.000 km doorsnede) en zijn majestueuze ringen (400.000 km doorsnede). Foto Cassini Sonde/NASA/JPL/Space Science Institute

    • Eddy Echternach