Der Gasplanet Saturn ist einzigartig im Sonnensystem. Kein anderer Planet besitzt ein so massereiches und komplexes Ringsystem wie er. Schon Galileo Galilei beobachtete vor rund 400 Jahren seltsame “Arme” beiderseits des Planeten, die er sich damals nicht erklären konnte. Inzwischen ist klar, dass der Saturn von mehreren, durch Lücken und Monde unterbrochenen Gürteln aus Eisbrocken und Staub umgeben ist. Anders als der Planet stammen diese jedoch nicht aus den Anfängen des Sonnensystems, sondern sind neueren Daten zufolge erst rund 100 Millionen Jahre alt. Das wirft die Frage auf, wie die Saturnringe entstanden sind. Und noch eine Eigenheit gibt es: Die Ringe und die Rotationsachse des Saturns sind gegenüber seiner Bahn um die Sonne um 26,7 Grad geneigt. “Diese Neigung ist zu groß, um durch bekannte Bildungsprozesse in der protoplanaren Scheibe oder durch große Kollisionen des Planeten entstanden zu sein”, erklärt Erstautor Jack Wisdom vom Massachusetts Institute of Technology (MIT). “Es wurden schon verschiedene Erklärungen dafür vorgeschlagen, aber keine ist vollkommen überzeugend.”
Ist eine Resonanz der Grund?
Eine der gängigen Theorien besagt, dass Schwerkraft-Wechselwirkungen des Saturns mit dem Planeten Neptun für seine Achsneigung verantwortlich sind. Denn die Präzession der Saturn-Achse – ein kreisförmiges Taumeln – entspricht in ihrer Periode ungefähr der Orbitalperiode des Neptuns. Demnach könnte die Achsenbewegung des Saturns in Resonanz mit der Bahn des Neptuns stehen. Diese Resonanz wiederum könnte die Rotationsachse des Planeten im Laufe der Zeit in ihre heutige Schräglage gebracht haben – so die bisherige Annahme. Ob sie stimmt, hängt allerdings entscheidend von einem lange Zeit nicht genau genug bestimmten Parameter ab: dem Drehimpuls des Saturns. Dieser ergibt sich aus der Rotationsrate und der von der internen Massenverteilung geprägte Trägheit des Planeten. Weil der Drehimpuls auch beeinflusst, wie leicht ein Planet durch äußere Einflüsse aus seiner Ausrichtung zu bringen ist, kann er verraten, ob der Schwerkrafteinfluss des Neptuns stark genug ist, um die Drehachse des Saturns verschoben zu haben und ob beide Faktoren in Resonanz stehen.
“Wenn der Drehimpuls sehr groß ist, dann befindet sich das System in Resonanz und der Neptun könnte erklären, warum der Saturn sich seitlich dreht”, erklärt Co-Autor Burkhard Militzer von der University of California, Berkeley. “Wenn aber der Drehimpuls kleiner ist, dann fällt das ganze Szenario auseinander und man muss nach einer anderen Theorie suchen, die die Achsneigung des Saturns erklärt.” Um diese Frage zu klären, haben Wisdom, Militzer und ihr Team Messdaten der NASA-Raumsonde Cassini herangezogen, die 2017 kurz vor Ende ihrer Mission das Schwerefeld des Saturns vermessen hatte. Anhand dieser Daten konnte das Team die Massenverteilung und den Drehimpuls des Planeten genauer bestimmen und anhand von Modellsimulationen überprüfen, ob diese Werte die Bedingungen für eine Resonanz mit dem Neptun erfüllen.
