Saturn: Herr der Ringe

Die bemerkenswerten Ringe des Saturn

Milliarden wirbelnder Partikel aus Wassereis

Die wunderschönen Ringe des Saturn sind so groß und hell, dass wir sie mit einem kleinen Teleskop sehen können. Und weil die glitzernden Ringe gegenüber der Ekliptik, der Ebene der Erdumlaufbahn um die Sonne, geneigt sind, verändern sie ihre Form, wenn man sie von der Erde aus betrachtet. Die Ringe werden nacheinander von der Seite gesehen, wenn sie in einem kleinen Teleskop kurzzeitig verschwinden können, von unten, wenn sie weit geöffnet sind, wieder von der Seite und dann von oben. Der gesamte Zyklus dauert 29,458 Erdenjahre, die Umlaufzeit des Saturn, so dass die Ringe etwa alle 15 Jahre aus dem Blickfeld verschwinden. Das letzte Verschwinden fand 1995 statt.

Die drei Hauptringe des Saturn werden seit Jahrhunderten beobachtet. Es gibt den äußeren A-Ring und den zentralen B-Ring, die durch die dunkle Cassini-Teilung getrennt sind, und einen inneren C- oder Kreppring, der durchsichtiger ist als die beiden anderen. Sie schweben im Raum und sind nicht mit dem Saturn verbunden, weil sie sich mit Geschwindigkeiten um den Planeten bewegen, die von ihrem Abstand abhängen und der Schwerkraft entgegenwirken.

Die inneren Teile der Ringe bewegen sich schneller um den Saturn als die äußeren, was dem dritten Kepler’schen Gesetz für kleine Objekte entspricht, die um ein massives, größeres Objekt kreisen. Sie umkreisen den Planeten mit Perioden, die von 5,8 Stunden für den inneren Rand des C-Rings bis zu 14,3 Stunden für den äußeren Rand des weiter entfernten A-Rings reichen. Da sich Saturn mit einer Periode von 10,6562 Stunden um seine Achse dreht, umkreisen die inneren Teile der Hauptringe mit einer höheren Geschwindigkeit als der Planet rotiert, und die äußeren Teile mit einer geringeren Geschwindigkeit.

Der Unterschied in der Umlaufbewegung zwischen den inneren und äußeren Teilen der Ringe bedeutet, dass sie keine feste Materieplatte sind, da sie durch die unterschiedliche Bewegung zerrissen würden. Die Ringe bestehen stattdessen aus einer großen Anzahl von Teilchen, von denen jedes auf seiner eigenen Bahn um den Saturn kreist, wie ein kleiner Mond. Milliarden von Ringteilchen kreisen um den Planeten. Durch Zusammenstöße zwischen den Teilchen sind sie abgeflacht und zu einer dünnen, breiten Scheibe ausgebreitet worden.

Die Ringe des Saturn sind flach, breit und unglaublich dünn. Von Kante zu Kante gemessen, haben die drei Hauptringe eine Gesamtbreite von 62,2 Tausend Kilometern und sind damit etwas breiter als der Radius des Planeten, der 60,3 Tausend Kilometer beträgt. Betrachtet man die Ringe von der Kante aus, also von der Erde aus oder in Erdnähe, verschwinden sie praktisch aus dem Blickfeld. Sie sehen etwa einen Kilometer dick aus, aber das ist eine Illusion, die auf Verwerfungen, Wellen, eingebettete Satelliten und einen dünnen, geneigten äußeren Ring zurückzuführen ist. Als die Instrumente von Voyager 2 das Sternenlicht beobachteten, das durch die Ringe fällt, stellten sie fest, dass die Ränder der Ringe nur etwa 10 Meter von oben nach unten reichen. Wenn ein Blatt Papier die Dicke der Saturnringe darstellt, würde ein maßstabsgetreues Modell einen Durchmesser von zwei Kilometern haben.

Woraus bestehen die Ringteilchen? Bei sichtbaren Wellenlängen sind die Ringe hell und reflektierend, aber bei Infrarot-Wellenlängen sind sie dunkel und weniger reflektierend. Das deutet darauf hin, dass die Teilchen kalt sind und aus Eis bestehen. Tatsächlich bestehen sie weitgehend und fast ausschließlich aus Wassereis. Die Gesamtmasse der auffälligen A-, B- und C-Ringe entspricht in etwa der des Saturntrabanten Mimas, der 4,5 x 1019 Kilogramm wiegt, und eine solche Masse steht im Einklang mit Partikeln, die aus Wassereis bestehen.

Die Ringpartikel sind zu klein, als dass die Kameras der Raumsonde sie einzeln erkennen könnten, aber die Wissenschaftler können ihre Größe aus Radiomessungen ableiten. Da die Ringe die Radarstrahlen am Boden stark reflektieren, wissen wir, dass ihre Partikel mit der Radarwellenlänge von etwa 0,1 Metern vergleichbar oder größer als diese sind. Die Größenverteilung der Partikel wurde anhand der Art und Weise ermittelt, wie die Ringe die Radiosignale von Voyager 1 und 2 blockierten, als die Raumsonden hinter den Ringen vorbeiflogen. Diese Methode zeigte, dass es bemerkenswert wenige Teilchen gibt, die größer als 5 bis 10 Meter oder kleiner als 0,01 Meter sind. Innerhalb dieser Grenzen nimmt die Anzahl der Teilchen in den Hauptringen mit zunehmender Größe proportional zum umgekehrten Quadrat ihres Radius ab.

Vier weitere Ringe, die als D-, E-, F- und G-Ringe bezeichnet werden, bestehen jedoch aus viel kleineren, mikroskopisch kleinen Eiskristallen. Diese Ringe, die mit Hilfe von Beobachtungen vom Boden oder von Raumfahrzeugen entdeckt wurden, sind alle sehr diffus, dünn und fast durchsichtig. Die Art und Weise, wie ihre Partikel das Licht streuen, deutet darauf hin, dass sie die kleinsten von allen sind, etwa ein Mikron groß – ein Mikron ist ein Millionstel oder 10-6 Meter.

Pioneer 11 entdeckte den unglaublich schmalen F-Ring, der direkt außerhalb des A-Rings liegt, durch seine Absorption von energetischen Partikeln; während Bilder der Voyager-Raumsonde den F-Ring sehr detailliert zeigten und demonstrierten, dass seine Breite von einigen tausend bis zu Zehntausenden von Metern variiert. Außerdem handelt es sich nicht nur um einen einzelnen Ring, sondern Voyager 1 entdeckte ein verworrenes Gewirr aus schmalen Strängen, das sich bei der Ankunft von Voyager 2 etwa 9 Monate später geglättet hatte. Da die Partikel des F-Rings im Gegenlicht der Sonne heller und im reflektierten Sonnenlicht schwächer sind, wissen wir, dass die Partikel auch mikrometergroß sind, viel kleiner als Schneeflocken und vergleichbar mit dem Staub in Ihrem Zimmer.

Aber wie kann dieser Ring so enge Grenzen behalten? Wenn es keine anderen Kräfte gibt, müssten sich die Ringteilchen durch Kollisionen ausbreiten, so dass sie nach innen in Richtung Saturn fallen und sich von ihm weg ausdehnen, wodurch ein breiterer und diffuserer Ring entsteht. Zwei winzige Monde, Pandora und Prometheus, flankieren den F-Ring und begrenzen ihn zwischen sich, wodurch die Teilchen des F-Rings daran gehindert werden, über die engen Grenzen des Rings hinauszuwachsen.

Ringlets, Wellen, Lücken und Speichen

Aus der Ferne sehen die Hauptringe des Saturn wie glatte, kontinuierliche Strukturen aus. Aus der Nähe jedoch, aus der Sicht der Raumsonden Voyager 1 und 2, ist das eisige Material in Tausende von einzelnen Ringen gegliedert. Einige der Ringe sind vollkommen kreisförmig, andere sind oval und einige scheinen sich spiralförmig auf den Planeten zuzubewegen, wie die Rillen auf einer altmodischen Schallplatte. An einigen Stellen ist die flache Ebene der Ringe leicht geriffelt, und an den Spitzen und Senken der Riffelungen sind Ringe zu sehen, wie Wellen, die über die Oberfläche eines Teiches laufen.

Eine äußere Hand ist am Werk und formt zumindest einige der komplizierten Ringstrukturen durch die Schwerkraft. Die kombinierte Anziehungskraft des Saturn und die geballte Anziehungskraft der nahegelegenen Monde kann die Ringpartikel umverteilen und sie zu vielen der beobachteten Formen verdichten. Obwohl kleine Monde in der Nähe nur eine schwache Anziehungskraft auf die Partikel in den Ringen ausüben, wird die Anziehungskraft an bestimmten Resonanzstellen immer wieder wiederholt. So wie wir ein Kind auf einer Schaukel durch einen sanften, wiederholten Schubs an derselben Stelle der Schaukel dazu bringen können, einen Bogen hoch über dem Boden zu machen, kann die wiederholte Anziehungskraft eines kleinen äußeren Mondes bei jeder Umkreisung eine unerwartet große Störung hervorrufen. Das Zusammenspiel dieses Effekts und der inneren Anziehungskraft des Saturns kann die Ringteilchen abstoßen und anziehen, so dass sie zu lokalisierten Konzentrationen wie den Ringen zusammengedrängt werden.

Aber einfache Wechselwirkungen mit bekannten Monden konnten nicht alle komplizierten Details in den Saturnringen erklären. Die scheinbaren Lücken im System sind nicht völlig leer. Die Cassini-Teilung beispielsweise enthält vielleicht 100 Ringlets, deren Partikel genauso groß sind wie die des Nachbarrings. Einige Lücken befinden sich nicht einmal an bekannten Resonanzpositionen oder enthalten entdeckte Monde, die in sie eingebettet sind. Unsichtbare Monde könnten die Verklumpung und Entfernung von Material an diesen Stellen beeinflussen.

Die vielleicht bizarrste Entdeckung der Voyager waren die langen, dunklen Streifen, die sogenannten Speichen, die sich radial über die Ringe erstrecken und ihre Form wie die Speichen eines Rades behalten. Diese flüchtigen Erscheinungen sind kurzlebig, regenerieren sich aber häufig. Sie befinden sich in der Nähe des dichtesten Teils des B-Rings, der sich mit dem Planeten in einer Periode von 10,6562 Stunden dreht. Aber auch die inneren und äußeren Teile der dunklen Speichen des Saturns wirbeln mit dieser Periode um den Planeten, und zwar mit konstanter Geschwindigkeit, was offensichtlich gegen Keplers drittes Gesetz und die Newtonsche Gravitationstheorie verstößt. Wenn die Speichen aus dunklen Teilchen bestünden, die in die Ringe eingebettet sind, würden sich die Teilchen mit Geschwindigkeiten bewegen, die mit zunehmender Entfernung vom Saturn abnehmen, und die Speichen würden sich schnell ausdehnen und verschwinden.

Einer Hypothese zufolge könnten die kleinen Staubteilchen aufgeladen werden, vielleicht als Ergebnis von Kollisionen mit energiereichen Elektronen. Elektromagnetische Kräfte heben dann die winzigen, geladenen Teilchen von den größeren Ringkörpern ab, und die Speichen werden von seinem rotierenden Magnetfeld um Saturn herumgefegt. Es klingt bizarr, aber es sind subtile Kräfte erforderlich, um die Schwerkraft zu überwinden.

Warum haben Planeten Ringe?

Man könnte erwarten, dass sich die Teilchen eines Rings schon vor langer Zeit zu größeren Satelliten angesammelt haben. Aber das Interessante an Ringen – und ein Hinweis auf ihren Ursprung – ist, dass sie nicht mit großen Monden koexistieren. Planetenringe befinden sich immer näher an den Planeten als ihre großen Satelliten.

Die Ringe sind auf eine innere Zone beschränkt, in der die Gezeitenkräfte des Planeten einen großen Satelliten dehnen würden, bis er zerbricht und sich aufspaltet, während sie gleichzeitig verhindern, dass kleine Körper zu einem größeren Mond zusammenwachsen. Der äußere Radius dieser Zone, in der sich Ringe befinden, wird nach dem französischen Mathematiker Eduoard A. Roche (1820-1883), der ihn 1848 beschrieb, als Roche-Grenze bezeichnet. Für einen Satelliten ohne innere Festigkeit und mit der gleichen Dichte wie der Planet beträgt die Roche-Grenze das 2,456-fache des Planetenradius, für Saturn also etwa 147 Tausend Kilometer.

Und woher kommen die Saturnringe? Für ihre Entstehung gibt es zwei mögliche Erklärungen. Nach der ersten Erklärung bestehen die Ringe aus Material, das bei der Geburt des Saturns vor etwa 4,6 Milliarden Jahren übrig geblieben ist. Diese Hypothese geht davon aus, dass die Ringe und Monde zur gleichen Zeit in einer abgeflachten Scheibe aus Gas und Staub mit dem großen, neu geborenen Saturn im Zentrum entstanden sind. Nach der zweiten Erklärung bewegte sich ein ehemaliger Mond oder ein anderer Körper zu nahe an Saturn heran und wurde von den Gezeitenkräften des Riesenplaneten in Stücke gerissen, wodurch die Ringe entstanden. In diesem Fall könnten sich die Ringe nach dem Saturn, seinen Trabanten und einem Großteil des übrigen Sonnensystems gebildet haben.

Astronomen schätzen heute, dass die Ringe des Saturn weniger als 100 Millionen Jahre alt sind, also weniger als zwei Prozent der Lebensspanne des Saturns. Die schillernde, funkelnde Helligkeit der Saturnringe ist ein Beweis für diese Jugend. Sie glänzen mit sauberen Partikeln aus reinem Wassereis, die durch den ständigen Beschuss mit kosmischem Staub unbefleckt sind. Wären die Ringe sehr alt, sähen sie viel dunkler aus, so wie neu gefallener Schnee mit der Zeit schmutzig wird. Berechnungen deuten darauf hin, dass die hellen Ringe des Saturn in 100 Millionen Jahren durch den allgegenwärtigen kosmischen Staub genauso verdunkelt sein werden wie die älteren, kohleschwarzen Ringe von Uranus und Neptun.

Die Anziehungskraft der Saturnmonde auf die Ringe wird deren Lebensdauer verkürzen, was ein weiterer Hinweis auf ihre Jugend ist. Bei der Bildung von Dichtewellen in den Ringen entziehen die nahe gelegenen Monde den Ringteilchen Schwung, so dass sie sich langsam spiralförmig auf Saturn zubewegen; um den Schwung im Gesamtsystem zu erhalten, entfernen sich die Monde allmählich vom Planeten. Der A-Ring wird schließlich in den B-Ring hineingezogen, und alle Ringe sollten als Ergebnis dieser Mond-Ring-Wechselwirkung in etwa 100 Millionen Jahren kollabieren.

Damit sind wir wieder bei der zweiten Erklärung für die Saturnringe, bei der ein bereits existierender Körper dem Saturn zu nahe kam und durch Gezeitenkräfte auseinandergerissen wurde. Dabei könnte es sich um einen der Saturnmonde oder um einen Eindringling aus einer anderen Region des Sonnensystems handeln. Ein Satellit könnte sich außerhalb der Roche-Grenze bilden und sich aufgrund der Gezeitenkräfte nach innen bewegen, wodurch der Satellit schließlich in Stücke gerissen würde. Wie bereits erwähnt, entspricht die Gesamtmasse aller Ringteilchen der Masse des relativ kleinen Saturntrabanten Mimas, so dass es nahe liegt, dass sich die Ringe aus einem solchen Mond oder aus mehreren kleineren Monden gebildet haben könnten. Schließlich wird der Marsmond Phobos durch seine Gezeitenkräfte unaufhaltsam auf den Roten Planeten zubewegt, und auch Neptuns größter Trabant Triton befindet sich auf Kollisionskurs mit seinem Planeten.