Saturns Ringe – die Mondfabrik

Für den Flug durch das Ringsystem des Saturn ist die „Valley Forge” nicht gebaut. Trotzdem ist eine Kollision zwischen Ring und Raumschiff unvermeidlich. Als Pilot Freeman Lowell ein Vibrieren spürt, ist es soweit: Die Ringteilchen prasseln wie bei einem schweren Schneesturm auf das Schiff. Heftige Erschütterungen laufen durch den Raumtransporter. Roboter Louie, gerade mit Außenarbeiten beschäftigt, wird ins All gerissen. Plötzlich ist der Spuk vorbei, ruhig leuchten die Sterne – das Raumschiff hat den Höllenritt überstanden. Die Szene stammt aus dem Science- Fiction-Drama „Lautlos im Weltraum” (siehe Kasten auf S. 49).

Wohl erstmals in der Filmgeschichte gelang ein realistischer Eindruck von Saturns Ringen aus unmittelbarer Nähe. Von Hollywood zum Jet Propulsion Laboratory der NASA sind es nur ein paar Meilen. Dank der Raumsonde Cassini, die aus dem kalifornischen Institut gesteuert wird, stehen die echten Ringe seit Jahren im Fokus der Planetenforscher. Die Daten und die gestochen scharfen Fotos haben ein neues Modell reifen lassen: Demzufolge sind die Ringe der Geburtsort vieler, vielleicht sogar der meisten Monde Saturns. Mehr noch: Dieser Mechanismus der Mondentstehung könnte exemplarisch für das gesamte Sonnensystem sein.

Planet mit Henkel

Der Erste, der Saturn im Teleskop erblickte, war Galileo Galilei. 1610 nahm er den Planeten ins Visier. Bei 20-facher Vergrößerung staunte er über den seltsamen Anblick in seinem selbst gebauten Instrument: Zuerst erschien Saturn nicht als einzelner Himmelskörper, sondern machte vielmehr den Eindruck, als bestünde er aus drei Komponenten. Dann sah Galilei an dem Planeten links und rechts zwei „Henkel”. 1612 notierte der Gelehrte verwundert, dass diese spurlos verschwunden seien. Vier Jahre später eine neue Überraschung: Galilei sah an beiden Seiten des Planeten zwei halbe Ellipsen.

Zeitlebens blieb Galileo die Ringnatur des mysteriösen Objektes verschlossen. Erst der Niederländer Christiaan Huygens berichtete 1655 von einem „flachen, dünnen Ring, der Saturn an keiner Stelle berühre”. Huygens lag richtig, das Ringsystem des Saturn ist tatsächlich sehr dünn. Und sein Verschwinden hatte einen einfachen Grund: 1612 schaute man von der Erde aus genau auf die Ringkante – das geschieht alle 14,6 Jahre. Da der Ring jedoch kaum 100 Meter dick ist, kann man ihn bei dieser Konstellation nicht sehen. Das verdeutlicht ein eindrucksvoller Vergleich: Eine Schallplatte mit dem gleichen Verhältnis von Durchmesser zu Dicke wäre kaum ein zehntausendstel Millimeter dick.

Schon zu Huygens’ Zeit erkannten die Astronomen übrigens, dass der Ring aus mehreren Komponenten besteht. Heute geht man von Tausenden Einzelringen aus (siehe Kasten „Das Alphabet der Ringe” , S. 46). Darin kreisen die Ringteilchen wie winzige Monde, mit einem wichtigen Unterschied: Anders als friedlich kreisende Trabanten stoßen die Ringpartikel ständig zusammen – die Rempelei passiert Dutzende Mal pro Umlauf.

Immer noch rätseln Astronomen wie die Unzahl der Ringe entstanden ist. Im Wesentlichen konkurrieren zwei Vorstellungen: Einerseits könnten die Ringe Überreste aus der Urzeit des Sonnensystems sein, als sich Saturn zu einem Planeten zusammenfügte. Nach dieser These verhinderten damals die starken Saturn-Gezeiten – also die wechselnden Schwerkraft-Verhältnisse – und die häufigen gegenseitigen Kollisionen das Zusammenbacken zu einem Mond.

DURCH GEZEITEN ZERRISSEN

Dem stehen mehrere Varianten von Katastrophen-Theorien entgegen. Die bekannteste stammt vom Astronomen und Mathematiker Édouard Roche (1820 bis 1883). Der Franzose stellte sich einen Mond vor, der dem Saturn zu nahe kam und von dessen Gezeitenkräften zerrissen wurde. Die Trümmer des Unglücksmondes verteilten sich in der Umlaufbahn – und der Saturn-Ring war geboren.

Roche verdanken die Astronomen das Konzept des „Roche-Limit”. Diese Grenze gibt an, wie weit ein Körper – den Roche aus rechnerischen Gründen als flüssig annahm – mindestens von einem Planeten entfernt sein muss, um nicht als Opfer von dessen Gezeiten zu enden. Im Fall von Saturn liegt die Grenze im äußeren A-Ring, bei etwa 131 000 Kilometer Saturn-Abstand. Für reale feste Monde beginnt die Todeszone etwas weiter innen.

Eine vielbeachtete Hypothese französischer Forscher besagt, dass viele Saturn-Monde deutlich jünger sind als ihr Heimatplanet – bis in geologisch jüngere Zeit sollen sie in den Saturn-Ringen entstanden sein. Bereits im Jahr 2010 stellten die Astronomen um Sebastien Charnoz von der Université de Paris- Diderot ihr neues Modell im Fachblatt Nature vor und wandten es auf eine Gruppe kleiner, ringnaher Saturn-Monde an. Mit einer Computer-Simulation zeigten sie, dass die Mini-Monde entstanden sein könnten, weil sich die Ringe ausdehnten.

Diese Expansion ist die Folge der gegenseitigen Zusammenstöße der Partikel, erläutert Jürgen Schmidt, der als Experte für die Dynamik der Ringe an der Universität von Oulu in Finnland forscht. „Die Ringpartikel verlieren dabei an Energie, wandern nach innen und stürzen als Sternschnuppen in den Saturn. Der gesamte Drehimpuls muss aber erhalten bleiben, das verlangen die physikalischen Gesetze. Deshalb wird die Drehimpuls-Bilanz von anderen Partikeln ausgeglichen, die nach außen wandern. Einige überschreiten dabei die Roche-Grenze.”

vom Ring abgenabelt

Doch der Ring ist dort nicht mehr stabil, da die gegenseitige Anziehung der Teilchen überhand nimmt. Nach und nach ballen sich immer neue Kleinmonde zusammen. Und auf ihrem Weg nach außen „ nabeln” sich diese Monde von den Ringen ab. Die Mini-Monde Atlas bis Janus sollen so entstanden sein.

Für das neue Modell führen die Autoren ein zentrales Argument ins Feld: Den auffälligen Zusammenhang zwischen dem Abstand zum Saturn und der Masse des jeweiligen Trabanten: Je weiter entfernt ein Mond kreist, desto größer ist seine Masse. Auch die ungewöhnlich geringe Dichte der Kleinmonde, die auf reichlich Hohlraum in ihrem Innern hindeutet, spricht für die Entstehung aus Ringmaterie.

Im Dezember 2011 legte Charnoz im Fachjournal Icarus nach, diesmal unterstützt durch eine Reihe von Kollegen aus den USA. Sie erweiterten das bereits bei den Mini-Monden erfolgreiche Modell auf die mittelgroßen Trabanten, die sogenannten Eismonde. Demnach sollen die Monde Mimas bis Rhea durch den gleichen Mechanismus aus dem Ringmaterial entstanden sein, da sie ein ähnliches Abstand-Masse-Verhalten wie die Mini-Monde zeigen. Ansätze, die von einer Gas- und Staubscheibe um den entstehenden Ursaturn ausgehen, könnten diese „Architektur” des Mondsystems nicht erklären, betonen die Autoren.

Noch einem weiteren Rätsel des Ringplaneten sind die Forscher auf der Spur: dem mysteriösen chemischen Aufbau der Eismonde. „ Die wohl verwirrendste Eigenschaft dieser Monde ist ihr beträchtlich variierender Anteil an Silikaten”, sagt Charnoz.

Zwar entfällt bei den meisten Trabanten der Löwenanteil auf Wassereis, doch muss auch schweres Silikatgestein in ihrem Innern vorhanden sein. Die Planetologen wissen das, weil sie die Monde bei Vorbeiflügen mithilfe der Radiowellen Cassinis gleichsam auf die Waage gelegt haben. Doch der Gesteinsanteil zeigt einen sonderbaren Verlauf: Am weitesten innen kreist Mimas mit einem Silikatanteil von 26 Prozent. Dann folgt Enceladus, der mit 57 Prozent aus dem Rahmen fällt. Die Monde Tethys und Dione sind Nachbarn, aber mit einem Gesteinsanteil von 6 beziehungsweise 50 Prozent trotzdem völlig unterschiedlich. Der äußerste Mond dieser Gruppe ist Rhea und enthält 33 Prozent Gestein.

Wenn sich die Monde tatsächlich zeitgleich mit Saturn aus dem Urnebel gebildet hätten, so müssten sich damals nah am Saturn die schweren Silikate gesammelt haben, denn dorthin wären sie vom Schwerefeld des Urplaneten gezogen worden. Nach außen würde man einen kontinuierlich abnehmenden Anteil an Silikaten erwarten. Doch die Forscher stellten keinen eindeutigen Trend fest – warum? Und wieso haben manche Eismonde beträchtliche Gesteinsanteile, während Saturns Ringe doch fast ausschließlich aus Wassereis bestehen?

RELIKTE IN RINGEN

Behalten die Icarus-Autoren recht, so liegt der Grund in einem „Export” von Ringmaterial: Als der Ring einst durch das Zerbersten eines Vorläuferkörpers entstand, gelangten neben fein verteilten Eismassen auch große Gesteinstrümmer des zerstörten Himmelskörpers in die Ringe. Über 100 Kilometer groß sollen solche Brocken gewesen sein. Sie zogen Eis aus ihrer Umgebung an, das sie bald als äußere Mantelschicht umgab. Durch Wechselwirkung mit dem Ring wanderten diese embryonalen Monde nach außen. An der Ringkante angekommen, trafen sie auf Artgenossen, mit denen sie bei Kollisionen verschmolzen.

Da dieser Prozess das Silikat von den Ringen in die Monde exportierte, wurde der Ring nach und nach von Gestein gesäubert. Wie hoch der Silikatanteil eines Mondes ist, beruht demnach auf einem Zufall. „Einerseits können Monde mit einem hohen Gesteinsanteil entstanden sein, anderseits sind Monde wie Tethys möglich, in denen Eis dominiert, weil sie zufällig nur wenige Gesteinsbrocken angezogen haben”, erklärt Charnoz.

Und woher stammte der Körper, dem die Autoren die Rolle des Ringvorläufers zuweisen? War es ein Saturn-Mond, der wie in Roches Szenario dem Planeten zu nahe kam? Oder war ein auswärtiger Irrläufer beteiligt, dem auf der Durchreise ein Crash mit einem Mond oder die Saturn-Gezeiten zum Verhängnis wurden? Ebenfalls fraglich ist, wann diese Katastrophe geschehen sein soll. Die Antwort darauf steht noch aus.

Einen ähnlichen Ansatz verfolgt Robin Canup vom Southwest Research Institute im US-Bundesstaat Colorado. 2010 brachte sie in einer Publikation im Fachmagazin Nature einen großen Urmond Saturns ins Spiel. Dieser Ring-Vorläufer soll ähnliche Ausmaße wie der heutige Riesenmond Titan gehabt haben. Das Ende des hypothetischen Mondes war besiegelt, so Canups Idee, als er – von außen kommend – die Roche-Grenze erreichte: Dort begannen Saturns Gezeiten, seinen Eismantel gleichsam abzuschälen. Bald umschwirrten blanke Eisbrocken den Saturn – der Rohstoff für das Ringsystem. Der Gesteinskern des todgeweihten Trabanten stürzte schließlich in den Saturn. Wie lange hätte die Ringgeburt gedauert? „Vom Beginn des Eisverlusts bis zum Absturz rechnen wir mit etwa 10 000 Jahren”, meint Astrophysikerin Canup.

Auch Ringexperte Joseph Burns von der Cornell University im Bundesstaat New York begrüßt die neue Hypothese: „Sie könnte sich als revolutionär erweisen, denn sie zeichnet ein völlig neues Bild der synchronen Entstehung von Monden und Ringen. Wie jedes gute Modell baut sie auf neuen Beobachtungen auf, hauptsächlich auf solchen der Cassini-Mission”, sagt der Astrophysiker.

Jugendliches Alter

Doch andere Forscher sind skeptisch: Jürgen Schmidt aus dem finnischen Oulu hält die Ausweitung auf so viele Monde für fraglich. Er räumt jedoch ein: „Für die kleinen Monde in der Nähe der Ringe ist das Modell recht überzeugend.” Das gelte auch für das jugendliche Alter der Ringmonde, die nach dem französischen Modell erst vor geologisch kurzer Zeit entstanden wären. Die Akkretion, also die Zusammenballung von Ringmaterie, dauert Schmidt zufolge womöglich immer noch an: „Vielleicht ist auch der außerhalb der Hauptringe liegende F-Ring ein Zwischenstadium zu einem künftigen Mond.”

Für problematisch hält Schmidt die Ausdehnung der Theorie auf die Monde anderer Planeten. Bereits für die mittelgroßen Eismonde des Saturn müssen die Forscher annehmen, dass die Urringe viel massereicher waren als heute – sie gehen von bis zu 1000 Mal so viel Ringmaterie aus. Bei den anderen Planeten ist insbesondere Saturns Nachbar Jupiter ein Problemfall: Seine vier planetengroßen Monde entziehen sich der Erklärung durch das neue Modell.

Und der Mond der Erde? Charnoz sieht keinen Widerspruch zur Geburt im Szenario der Giant-Impact-Kollision (siehe Beitrag „Der schlimmste Tag der Erde” ab S. 38): „Der Erdmond entstand auf dieselbe Art – aus einer Trümmerscheibe, die die Erde nach der Kollision umgab. Diese Scheibe ist ein natürlicher Bestandteil der Giant-Impact-Theorie. Man kann sie auch als temporären Ring betrachten – analog zu Saturns Ring.”

Ein einziger Mond oder viele?

Ende November veröffentlichten Charnoz und sein Kollege Aurélien Crida von der Universität Nizza weitere Überlegungen im Wissenschaftsblatt Science. Sie argumentierten, dass die Zahl der produzierten Monde vom Tempo abhängt, mit denen sich die Ringscheibe über die Roche-Grenze ausdehnt: Geschieht das langsam, bildet sich ein ganzes System von Monden – wie bei Saturn, Uranus und Neptun. Ist die Ausdehnung hingegen schnell, kann sich nur ein großer Mond formieren. So geschah es beim Erde-Mond-System und Plutos Riesenmond Charon. Die vier kleinen Pluto-Trabanten wären demnach eingefangen worden. Ob sich Charnoz’ Hypothese bei den Monden anderer Planeten bewährt, bleibt abzuwarten.

Die Erforschung von Saturns Ringsystem wird jedenfalls weitergehen. Ringexperte Burns betont: „Wenn wir neue Daten bekommen, werden wir das Modell weiter testen.” Er wird nicht lange warten müssen, denn Cassini soll bereits 2017 wieder auf Tuchfühlung mit den Ringen gehen – so nahe wie nie zuvor. Doch anders als bei der „Valley Forge” im Science-Fiction Film „ Lautlos im Weltraum” wird das Manöver das furiose Ende der Raumsonde einläuten.

Nach 20 Umlaufbahnen durch die Zone zwischen dem innersten D-Ring und der obersten Wolkendecke wird die altersschwache Sonde in den Saturn stürzen. Sie wird als Feuerball verglühen – wie die Ringteilchen, die als Sternschnuppen enden. Eine Kollision mit diesen Teilchen würde die Mission bereits vorzeitig beenden. Doch gerade die Risiko-Orbits geben Cassini die Chance für die entscheidenden Messungen der bislang unbekannten Gesamtmasse der Ringe und deren genauer chemischer Zusammensetzung. Die beteiligten deutschen Wissenschaftler freuen sich besonders auf die Analysen, da sie pro Orbit Hunderte von Messungen mit ihrem Staubdetektor erwarten. Frank Postberg vom Cassini-Team ist gespannt auf die künftigen Ergebnisse der Ringforschung, denn er ist überzeugt: „Das Beste kommt erst noch.” ■

von Thorsten Dambeck