Saturnus: ringarnas herre

Maturnus märkliga ringar

Biljoner virvlande partiklar av vattenis

Maturnus vackra ringar är så stora och ljusa att vi kan se dem med ett litet teleskop. Och eftersom de glittrande ringarna är tippade i förhållande till ekliptikan, planet för jordens bana runt solen, ändrar de sin form när de ses från jorden. Ringarna ses successivt från kanten, när de kortvarigt kan försvinna från platsen i ett litet teleskop, underifrån, när de är vidöppna, från kanten igen och sedan uppifrån. Den fullständiga cykeln tar 29,458 jordår, Saturnus omloppstid, så ringarna försvinner nästan ur sikte vart 15:e år eller så. Det senaste försvinnandet skedde 1995.

Saturns tre huvudringar har observerats i århundraden. Det finns den yttre A-ringen och den centrala B-ringen, som skiljs åt av den mörka Cassini-divisionen, och en inre C-ring, eller crepe-ring, som är mer genomskinlig än de andra två. De förblir svävande i rymden, utan att vara knutna till Saturnus, eftersom de rör sig runt planeten med hastigheter som beror på deras avstånd och motsätter sig gravitationens dragningskraft.

Ringarnas inre delar rör sig snabbare runt Saturnus än de yttre delarna, allt i enlighet med Keplers tredje lag för små objekt som kretsar runt ett massivt, större objekt. De kretsar kring planeten med perioder som sträcker sig från 5,8 timmar för den inre kanten av C-ringen till 14,3 timmar för den yttre kanten av den mer avlägsna A-ringen. Eftersom Saturnus snurrar runt sin axel med en period på 10,6562 timmar, kretsar de inre delarna av huvudringarna i en snabbare hastighet än vad planeten roterar, och de yttre delarna i en långsammare hastighet.

Den skillnad i omloppsrörelse mellan de inre och yttre delarna av ringarna innebär att de inte är ett fast lager av materia, för de skulle slitas sönder av den differentiella rörelsen. Ringarna består istället av ett stort antal partiklar, var och en i sin egen bana runt Saturnus, som en liten måne. Miljarder av ringpartiklar kretsar runt planeten. De har plattats till och spridits ut till en tunn, bred skiva som ett resultat av kollisioner mellan partiklarna.

Saturns ringar är platta, breda och otroligt tunna. Mätt från kant till kant spänner de tre huvudringarna över en total bredd på 62,2 tusen kilometer, så de är lite bredare än planetens radie på 60,3 tusen kilometer. När ringarna observeras från kanten, från jorden eller i närheten av jorden, försvinner de praktiskt taget ur sikte. De ser ut att vara ungefär en kilometer tjocka, men detta är en illusion som beror på skevhet, krusningar, inbäddade satelliter och en tunn, lutande yttre ring. När instrumenten på Voyager 2 övervakade stjärnljuset som passerade genom ringarna fann de att ringkanterna bara sträcker sig cirka 10 meter från toppen till botten. Om ett pappersark representerar tjockleken på Saturnus ringar skulle en skalenlig modell vara två kilometer i diameter.

Vad består ringpartiklarna av? Vid synliga våglängder är ringarna ljusa och reflekterande, men vid infraröda våglängder är de mörka och mindre reflekterande. Detta tyder på att partiklarna är kalla och gjorda av is. I själva verket består de till stor del, och nästan uteslutande, av vattenis. Den totala massan av de framträdande A-, B- och C-ringarna är ungefär lika stor som Saturnus satellit Mimas, som väger 4,5 x 1019 kilo, och en sådan massa stämmer överens med partiklar som består av vattenis.

Ringpartiklarna är för små för att rymdfarkosternas kameror ska kunna se dem individuellt, men forskarna kan härleda deras storlek från radiomätningar. Eftersom ringarna är mycket reflekterande för markbaserade radarsändningar vet vi att deras partiklar är jämförbara med, eller större än, radarvåglängden på cirka 0,1 meter. Partikelstorleksfördelningen har bestämts utifrån hur ringarna blockerade radiosignalerna från Voyager 1 och 2 när rymdfarkosterna passerade bakom ringarna. Denna metod visade att det finns anmärkningsvärt få partiklar som är större än 5-10 meter eller mindre än 0,01 meter. Inom dessa gränser minskar antalet partiklar i huvudringarna med ökande storlek, i proportion till den omvända kvadraten på deras radie.

Däremot består fyra ytterligare ringar, som benämns D-, E-, F- och G-ringen, av mycket mindre, mikroskopiska iskristaller. Dessa ringar, som upptäckts med hjälp av observationer från marken eller rymdfarkoster, är alla mycket diffusa, tunna och nästan genomskinliga. Det sätt på vilket deras partiklar sprider ljus tyder på att de är de minsta av alla, ungefär en mikrometer stora – en mikrometer är miljondels, eller 10-6, meter.

Pioneer 11 upptäckte den otroligt smala F-ringen, som ligger precis utanför A-ringen, genom dess absorption av energipartiklar; medan bilder från rymdskeppet Voyager visade F-ringen i stor detalj, och visade att dess bredd varierar från ett par tusen till tiotusentals meter. Dessutom är det inte bara en enda ring, Voyager 1 upptäckte ett förvridet virrvarr av smala strängar som hade jämnats ut när Voyager 2 anlände cirka nio månader senare. Eftersom F-ringens partiklar är ljusare när de är bakgrundsbelysta av solen, och svagare i reflekterat solljus, vet vi att partiklarna också är mikrometerstora, mycket mindre än snöflingor och jämförbara i storlek med dammet i ditt rum.

Men hur kan den här ringen behålla så smala gränser? I avsaknad av andra krafter borde kollisioner mellan ringpartiklar sprida ut dem, vilket gör att partiklarna faller inåt mot Saturnus och expanderar utåt från Saturnus, vilket skapar en bredare och mer diffus ring. Två små månar, som heter Pandora och Prometheus, flankerar F-ringen och innesluter den mellan sig. De hindrar därmed partiklarna i F-ringen från att vandra utanför ringens smala gränser.

Ringlar, vågor, luckor och ekrar

Från ett avstånd ser Saturnus huvudringar ut som släta, kontinuerliga strukturer. Men på nära håll, i de bilder som Voyager 1 och 2 ger oss, är ismaterialet samlat i tusentals enskilda ringformar. Vissa av ringarna är helt runda, andra är ovalformade och några verkar vara spiralformade in mot planeten som spåren på en gammaldags skiva. På vissa ställen är ringarnas plana plan lätt räfflat, och man kan se ringlets på krön och sänkor av räfflorna, som krusningar som löper över ytan på en damm.

En utomstående hand är i färd med att skulptera åtminstone en del av de invecklade ringstrukturerna med hjälp av gravitationskraften. Saturnus kombinerade gravitationskraft och den ackumulerade dragningskraften från närliggande månar kan omfördela ringpartiklarna och koncentrera dem till många av de observerade formerna. Även om små närliggande månar endast har en svag gravitationskraft på partiklarna i ringarna, upprepas dragningskraften om och om igen på vissa resonansplatser. På samma sätt som vi kan få ett barn på en gunga att bocka högt över marken med en mild, upprepad knuff på samma plats i gungan, kan den upprepade gravitationella dragningskraften från en liten extern måne under varje omloppsbana ge en oväntat stor störning. Samspelet mellan denna effekt och Saturnus inåtriktade gravitationsdragning kan stöta bort och attrahera ringpartiklarna och skjuta och dra dem till lokaliserade koncentrationer såsom ringmåne.

Men enkla interaktioner med kända månar har inte lyckats helt och hållet med att redogöra för alla de intrikata detaljer som finns i Saturnus ringar. De uppenbara luckorna i systemet är inte helt tomma. Cassini-divisionen, till exempel, innehåller kanske 100 ringlådor, med partiklar som är lika stora som partiklarna i grannringen. Vissa luckor förekommer inte ens vid kända resonanspositioner eller innehåller upptäckta månar inbäddade i dem. Osynliga månar kan påverka klumpningen och avlägsnandet av material på dessa platser.

Den kanske mest bisarra Voyager-upptäckten var de långa, mörka strimmorna, kallade ekrar, som sträcker sig radiellt över ringarna och behåller sin form likt ekrarna på ett hjul. Dessa flyktiga drag är kortlivade, men förnyas ofta. De finns nära den tätaste delen av B-ringen, som roterar tillsammans med planeten med en period på 10,6562 timmar. Men de inre och yttre delarna av Saturnus mörka ekrar virvlar också runt planeten med denna period, med konstant hastighet i uppenbar strid med Keplers tredje lag och Newtons gravitationsteori. Om ekrarna bestod av mörka partiklar inbäddade i ringarna skulle partiklarna röra sig med hastigheter som minskar med ökande avstånd från Saturnus, och ekrarna skulle snabbt sträcka ut sig och försvinna.

Enligt en hypotes kan de små stoftpartiklarna bli laddade, kanske som ett resultat av kollisioner med energirika elektroner. Elektromagnetiska krafter lyfter eller svävar då upp de små, laddade partiklarna från de större ringkropparna, och ekrarna sveps runt Saturnus av dess roterande magnetfält. Det låter bisarrt, men det krävs subtila krafter för att övervinna gravitationen.

Varför har planeter ringar?

Man skulle kunna förvänta sig att partiklarna i en ring för länge sedan hade ackumulerats till större satelliter. Men det intressanta med ringar – och en ledtråd till deras ursprung – är att de inte samexisterar med stora månar. Planetära ringar är alltid närmare planeterna än deras stora satelliter.

Ringarna är begränsade till en inre zon där planetens tidvattenkrafter skulle sträcka ut en stor satellit tills den bröts och splittrades, samtidigt som de hindrar små kroppar från att gå samman och bilda en större måne. Den yttre radien i denna zon där ringar finns kallas Roche-gränsen efter den franske matematikern Eduoard A. Roche (1820-1883), som beskrev den 1848. För en satellit utan inre styrka och med samma densitet som planeten är Roche-gränsen 2,456 gånger planetens radie, eller cirka 147 000 kilometer för Saturnus.

Och varifrån kom Saturnus ringar? Det finns två möjliga förklaringar till deras ursprung. Enligt den första förklaringen består ringarna av material som är kvar från Saturnus födelse för cirka 4,6 miljarder år sedan. Denna hypotes utgår från att ringarna och månarna uppstod samtidigt i en tillplattad skiva av gas och stoft med den stora, nyfödda Saturnus i centrum. Enligt den andra förklaringen rörde sig en tidigare måne eller någon annan kropp för nära Saturnus och slets i bitar av jätteplanetens tidvattenkrafter, vilket gav upphov till ringarna. I det här fallet kan ringarna ha bildats efter Saturnus, dess satelliter och mycket av resten av solsystemet.

Astronomer uppskattar nu att Saturnus ringar är mindre än 100 miljoner år gamla, eller mindre än två procent av Saturnus livslängd. Den bländande, gnistrande ljusstyrkan hos Saturnus ringar ger bevis för denna ungdom. De glittrar av rena partiklar av ren vattenis, obefläckade av den ständiga beskjutningen från kosmiskt damm. Ringarna skulle se mycket mörkare ut om de var mycket gamla, precis som nyfallen snö blir smutsig med tiden. Beräkningar visar att om 100 miljoner år kommer Saturnus ljusa ringar att vara mörka av det genomträngande kosmiska skräpet i samma utsträckning som de äldre, kolsvarta ringarna hos Uranus och Neptunus.

Den gravitationella dragningen av Saturnus månar på ringarna kommer att förkorta ringarnas livslängd, vilket ger ytterligare en indikation på att de är unga. När de sätter upp densitetsvågor i ringarna drar närliggande månar ut momentum från ringpartiklarna, vilket får dem att långsamt spiralera mot Saturnus; för att bevara momentum i det övergripande systemet rör sig månarna gradvis bort från planeten. A-ringen kommer så småningom att dras ner i B-ringen, och alla ringarna bör kollapsa som ett resultat av denna växelverkan mellan månar och ringar om cirka 100 miljoner år.

Detta för oss tillbaka till den andra förklaringen till Saturnus ringar, där en redan existerande kropp förirrade sig för nära Saturnus och slets sönder av tidvattenkrafter. Det kan ha varit en av Saturnus månar eller en inkräktare från en annan region i solsystemet. En satellit skulle kunna bildas utanför Roche-gränsen och röra sig inåt på grund av tidvattenkrafterna som till slut skulle slita satelliten i bitar. Som tidigare nämnts är den totala massan av alla ringpartiklar ungefär lika stor som massan av Saturnus relativt lilla satellit, Mimas, så det verkar rimligt att ringarna kan ha bildats från en sådan måne, eller från några mindre. När allt kommer omkring dras Marsmånen Phobos nu obevekligt mot den röda planeten av dess tidvattenkrafter, och Neptunus största satellit Triton är också på väg på kollisionskurs mot sin planet.