Wie kam Saturn zu seinen Ringen?

Der anhand der Cassini-Daten ermittelte Wert der Ringmasse ist kleiner, als alle Experten es zuvor geschätzt hatten. Er deutet darauf hin, dass die Saturnringe viel jünger sind als der Planet selbst, der es auf ein stattliches Alter von 4600 Millionen Jahre bringt. Demnach sind seine Ringe nur 10 bis 100 Millionen Jahre alt – womöglich also jünger als die Dinosaurier. Das passt zu Cassinis Analysen der chemischen Zusammensetzung: Die Ringe bestehen aus fast reinem Wassereis. „Sie hatten kaum Zeit, durch Mikrometeoriten mit Gesteinsmaterial verunreinigt zu werden“, sagt Jürgen Schmidt, Planetenforscher an der Freien Universität Berlin.

Aus dem jungen Alter der Ringe ziehen Iess und sein Team Rückschlüsse auf die Entstehung des Systems. Ihre Hypothese: Einst wurde ein Komet oder ein anderer eishaltiger Körper aus dem äußeren Sonnensystem von Saturns Schwerkraft eingefangen. Dabei kam der unglückliche Durchreisende dem Planeten zu nah, sodass dessen Gezeitenkräfte ihn zerrissen. Die Trümmer verteilten sich daraufhin als Ringe in der Umlaufbahn. Lange nach der wilden Jugend des Sonnensystems (bdw 1/2022, „Wie Kleinplaneten groß wurden“) haben sich also weitere Katastrophen wie die Zerstörung von Himmelskörpern ereignet, schreiben die Wissenschaftler.

Die Kraft der Gezeiten

Die Hypothese vom zerfetzten Kometen klingt überzeugend. Sie ist aber nicht konkurrenzlos. Und es gibt auch weniger gewaltsame Folgen der Gezeitenkräfte. Man kann sie auf der Erde an vielen Küsten ständig erleben – als schwankende Höhe des Meeresspiegels.

Schon im antiken Griechenland wurde der Wechsel von Ebbe und Flut mit dem Mond in Verbindung gebracht. Doch erst mit der Gravitationstheorie von Isaac Newton waren sie physikalisch erklärbar: Die lunare Schwerkraft ist auf der dem Mond zugewandten Erdseite stärker als auf der abgewandten. Deshalb wird die Erde in Richtung Mond etwas gedehnt. Die Landmassen sind davon nur wenig betroffen, in den viel leichter verformbaren Ozeanen entstehen jedoch Wölbungen, die einerseits zum Mond und andererseits von ihm weg zeigen. Unter diesen beiden Flutbergen rotiert die feste Erde gleichsam hindurch. Da sie die beiden Berge in etwas mehr als einem Tag durchläuft, entstehen in diesem Zeitraum zwei Fluten.

Es gibt noch weitere Gezeiteneffekte: Die Eigendrehung der Erde wird gebremst, die irdischen Tage werden also länger, im Mittel um zwei Millisekunden pro Jahrhundert. Gleichzeitig weicht der Mond vor der Erde zurück: um 3,8 Zentimeter pro Jahr. Das wird seit Jahrzehnten mit Laserreflexen vom Mond exakt gemessen.

Titans eilige Drift

Ähnlich wie sich der Erdmond langsam von uns entfernt, verhalten sich auch andere Monde. Das gilt insbesondere für Saturn und den größten seiner 83 bekannten Trabanten: Titan. Dessen Durchmesser, 5150 Kilometer, übertrifft denjenigen unseres Mondes um das Anderthalbfache. Titan umkreist Saturn in einer Distanz von 1,22 Millionen Kilometern – das entspricht mehr als dem dreifachen mittleren Abstand von Erde und Mond. Deshalb ging man bisher von einer fast vernachlässigbaren Driftgeschwindigkeit des Riesen aus. Doch das war ein Irrtum, wie Cassinis Messungen zeigten: Titan wandert hundertmal so schnell nach außen wie angenommen: elf Zentimeter pro Jahr. Das hohe Tempo deutet darauf hin, dass Titan dem Planeten einst viel näher war.

Das ist ein wichtiges Puzzlestück im Verständnis des Alters der Saturnringe und der Entstehung seiner Monde, sagt Valery Lainey vom Pariser Observatorium. Er hat mit einem internationalen Team 2020 in der Fachzeitschrift Nature Astronomy über Titans Eile berichtet. Die Forscher kartierten für ihre Analyse Sterne im Hintergrund auf den Cassini-Fotos und verfolgten so die Position von Titan. Zur Überprüfung verglichen sie ihre Ergebnisse mit Messungen der Radiowellen, die Cassini während zehn enger Vorbeiflüge an Titan zur Erde gefunkt hatte. Aus den Frequenzänderungen der Signale konnten die Wissenschaftler zudem abschätzen, wie sich die Umlaufbahn von Titan verändert hatte.

Die beiden voneinander unabhängigen Datensätze ergaben ein konsistentes Bild: Titan entfernt sich von Saturn viel schneller, als es mit der klassischen Theorie zu erwarten gewesen wäre. Das bestärkt eine neue Hypothese, wie Planeten die Umlaufbahnen ihrer Monde beeinflussen. Sie stammt von dem Astrophysiker Jim Fuller vom California Institute of Technology und betrachtet die innere Entwicklung eines Planeten als wichtigen, bislang vernachlässigten Faktor bei der Gezeitenwechselwirkung mit den Monden. Besonders bei den Gasriesen kann es dabei zu einem dauerhaften „resonance locking“ kommen. Dabei geht es um das Verhältnis von Frequenzen mindestens zweier verschiedener Schwingungstypen. Im Saturnsystem sind dies die Umlauffrequenz Titans und Frequenzen bestimmter Schwingungsmodi im Innern des hauptsächlich aus Gasen aufgebauten Saturnkörpers. Wenn beide Frequenzen in Resonanz sind, kann das eine Abwanderung des Mondes deutlich beschleunigen.

„Die neuen Messdaten implizieren, dass diese Art von Planet-Mond-Wechselwirkung stärker sein kann als bislang gedacht“, sagt Fuller. Er gehörte zum Team von Valery Lainey und hatte bereits 2016 vorausgesagt, dass sich die äußeren Monde Saturns mit ähnlichen Geschwindigkeiten von dem Ringplaneten wegbewegen wie die inneren Monde.

Zustimmung kommt von Aurellian Crida: Jim Fullers Hypothese sei die einzige, welche die schnelle Bewegung von Titan erklären kann, sagt der Astrophysiker von der Université Côte d’Azur im französischen Nizza, der an der Studie nicht beteiligt war.

Ein verpuppter Saturnmond?

Andere Experten widersprechen allerdings. Dazu gehört ein Team um den renommierten Astronomen Jack Wisdom vom Massachusetts Institute of Technology. Es hat im September 2022 ein auf Computersimulationen gestütztes Szenario in der Fachzeitschrift Science publiziert.

Wisdom zufolge muss auch der äußerste Planet Neptun berücksichtigt werden. Mit dessen Umlaufbahn soll Saturns Drehachse in Resonanz gewesen sein. Außerdem postulieren die Wissenschaftler die Existenz eines weiteren Mondes, der Saturn einst umkreist habe. Sie nennen ihn Chrysalis, analog zur Bezeichnung des Puppenstadiums von Insekten. Dieser Mond könnte etwa so groß wie Saturns Iapetus gewesen sein, also gut 1400 Kilometer.

Die Hypothese: Ursprünglich bewegte sich auch Chrysalis nach außen. Doch dann wurde seine elliptische Bahn instabil, weil es zu Dutzenden von Begegnungen mit Titan und Iapetus kam. Er näherte sich Saturn und wurde von den Gezeitenkräften zerrissen. Die Trümmer lieferten das Rohmaterial für die Ringe, der Großteil der Masse stürzte allerdings auf Saturn. Diese Hypothese kann nicht nur das junge Alter der Saturnringe erklären, sondern auch die bislang rätselhaft große Neigung seiner Drehachse von 26,7 Grad.