Gas, ijs en steen mengen in kern van Saturnus

Astronomie Er is geen harde grens tussen de harde kern van Saturnus en het gas eromheen. Dat blijkt uit metingen aan de ringen van de planeet.

Saturnus, in 2004 gefotografeerd door ruimtesonde Cassini.
Saturnus, in 2004 gefotografeerd door ruimtesonde Cassini. Foto NASA/JPL

De kern van Saturnus is wazig. Er is geen harde grens tussen een vaste kern en de rest van de planeet. En die kern is ook een stuk groter dan eerdere schattingen. Om tot die conclusies te komen bestudeerden astronoom Christopher Mankovich en natuurkundige Jim Fuller, beide van de Amerikaanse universiteit Caltech, een golf in een van de ringen van Saturnus met behulp van NASA’s ruimtesonde Cassini. Ze publiceerden maandag de resultaten in het blad Nature Astronomy.

Saturnus is de tweede grootste planeet in het zonnestelsel; zijn diameter is ongeveer negen keer zo groot als die van de aarde. De planeet onderscheidt zich door spectaculaire ringen van ijs en steen. Saturnus is, net als Jupiter, een gasreus; een gigantische planeet zonder hard oppervlak. Volgens oude ideeën wordt de harde kern van een gasreus omringd door een aparte laag van helium en waterstof.

Maar uit nieuwe metingen blijkt dat het zware ijs en gesteente van de kern mengt met het helium en waterstof. Dat mengsel doorloopt tot zo’n zestig procent van de hele planeet. De fractie zware gesteente neemt af naar buiten toe. Er is dus geen harde grens.

Cassini en Juno

Al eerder schatten astronomen — met behulp van ruimtesondes — hoe het binnenste van gasreuzen Jupiter en Saturnus eruit moet zien. De manier waarop de zwaartekracht van een planeet aan een ruimtesonde trekt, onthult iets over de verdeling van de verschillende lagen in de planeet. Als alle massa bijvoorbeeld gelijk verdeeld is, maakt de ruimtesonde een nette, elliptische baan. Als de massa ongelijk verdeeld is trekt de planeet op verschillende plekken net iets anders aan de ruimtesonde. Om Jupiter draait NASA’s ruimtesonde Juno en om Saturnus draaide van 1997 tot 2017 Cassini.

Op basis van de gegevens van Juno vermoedden astronomen dat bij Jupiter de grens tussen de kern en de lichtere materialen vaag is. Van Saturnus was dat nog onbekend. Cassini vloog niet lang genoeg dichtbij Saturnus om de kern zo goed te bestuderen; de vraag bleef open hoe de binnenkant van Saturnus er precies uitziet.

Een golf in de ring

Om die vraag te beantwoorden bestudeerden de Amerikaanse onderzoekers een golf in een van de binnenste ringen van Saturnus. Die golf beweegt door de ring als een geluidsgolf. Op een plek in de ring komen de deeltjes eerst dichter bij elkaar, waardoor ze omhoog gaan, waarna ze weer van elkaar vandaan bewegen. De beweging van die golf wordt, net als de baan van de ruimtesondes, beïnvloed door de opbouw van de binnenkant van Saturnus. De onderzoekers bestudeerden die golven met behulp van de waarnemingen van Cassini. Vervolgens keken ze welk model van het binnenste van Saturnus de waargenomen golf het beste kon verklaren. Een wazige kern, zonder scherpe overgang naar lichte stoffen, past het beste bij de waarnemingen.

„Mooi werk”, zegt Daphne Stam. Zij is planeetonderzoeker aan de Technische Universiteit Delft. „Het is indrukwekkend dat de onderzoekers erin geslaagd zijn om op basis van één golf in één van de ringen in het inwendige van de gigantische planeet weten door te dringen.”

„Opvallend is dat uit de studie blijkt dat er weinig verticale beweging moet zijn in de kern”, zegt Stam. „Dat valt slecht te rijmen met het magnetisch veld rondom Saturnus.” Het idee is dat het magnetisch veld ontstaat door die verticale beweging, als een soort dynamo. „Maar die theorie lijkt hier dus niet op te gaan.”

Belangrijk is dat de nieuwe inzichten iets vertellen over de ontstaanssnelheid van Saturnus, meent Stam. „De snelheid waarmee de kern van een jonge planeet gas naar zich toetrekt, is af te lezen aan het inwendige. Hoe sneller de planeet dat doet, hoe vager de grenzen tussen de verschillende lagen.”