Der Saturnring – ein Trabantenkiller

Die Saturnringe sind majestätisch und mysteriös zugleich. Bereits im kleinen Teleskop zeigt sich die sog. Cassini-Teilung [1], die zahlreiche Tausend Einzelringe in zwei Bereiche zu unterteilen scheint. Bei genauer Betrachtung existieren zahlreiche größere und kleinere dieser Lücken. Die Ringe sind in der Reihenfolge ihrer Entdeckung alphabetisch benannt. Sie bestehen aus Eis und Gestein und sind vermutlich durch ein gewaltsames Ereignis in der Frühphase des Sonnensystems entstanden.

Moonlets und Schäfermonde
Das Ringsystem des Saturns weist eine interessante kleinskalige Struktur auf. Dabei entstanden bestimmte Ringbereiche durch die Einwirkung der sich darin befindlichen kleinen Moonlets (Kleinstmonde) [2] und durch Resonanzphänomene [1] mit nahen und entfernten Saturnmonden. Typische Durchmesser der Moonlets liegen zwischen 3-5 Kilometern. Die Stabilität der schmalen Einzelringe überrascht, bedenkt man mögliche Kollisionen ihrer Bestandteile, die zum Auseinanderfallen der Ringe beitragen sollten.

Die Entdeckung sog. Schäfermonde [1] erklärt die langjährige Stabilität dieser Ringe. Die kleinen im Ringsystem befindlichen Schäfermonde tauschen Energie und Bewegung mit den Bestandteilen des Ringes aus und halten diese bei fortschreitender Bewegung in ausreichendem Abstand voneinander – so wie ein Schäfer seine Schafe.

Der F-Ring
Der von Pioneer 11 [1] im Jahr 1979 entdeckte F-Ring des Saturn [1] ist der am besten untersuchte Ring (Abb. 1) des Ringplaneten. Der F-Ring besteht ausschließlich aus Wassereis. Er befindet sich 3.500 Kilometer vom äußeren Rand des Hauptrings entfernt und wird durch zwei Schäfermonde, Prometheus und Pandora [1], zusammengehalten.

Wissenschaftler hatten zuvor bereits entdeckt, dass ein naher Saturnmond periodische Strukturen sowie Verdrehungen innerhalb des F-Rings erzeugt. Die von Prometheus und möglicherweise von Pandora, dem kleineren und vom F-Ring entfernteren Schäfermond, erzeugten Störungen spiegeln sich im Aussehen des F-Ringes wider. In ähnlicher Weise erzeugen Monde im Hauptring des Saturn Lücken bzw. schließen diese und erzeugen an den Rändern dieser Lücken wellenförmige Strukturen.

Abb. 1 Detailaufnahme des F-Rings des Planeten Saturn durch die Cassini-Sonde.
Der F-Ring besteht aus zahlreichen strähnenartigen Bereichen (ring strands).
Der zentrale Bereich des F-Ringes ist der hellste Ringabschnitt (innen).
© Science/NASA/SSI (2004)

Auch der F-Ring enthält Moonlets. Sie befinden sich direkt im F-Ring oder auf Bahnen außerhalb den Zentralbereich dieses Ringes (auf anderen Bahnen) und kreuzen diesen während ihres Umlaufes.

Der Schäfermond Prometheus
Prometheus besitzt einen Durchmesser von rund 100 Kilometern und befindet sich auf einer exzentrischen Bahn direkt innerhalb des F-Ringes. Er kommt dem F-Ring alle rund 14,7 Stunden besonders nah. Alle 17 Jahre befindet sich Prometheus in einer besonderen Stellung zum F-Ring: in diesem Zeitraum kann Prometheus derart auf die sich im Ring befindlichen Teilchen bzw. Objekte einwirken, dass neue Minimonde oder Moonlets entstehen können (Abb. 2). Die durch die gravitative Wechselwirkung hinterlassene Spur zwischen F-Ring und Prometheus variiert zwischen 75 und 250 Kilometern.

Abb. 2 Ausschnitt der Bahn des Schäfermondes Prometheus.
Unterhalb des sich in der Bildmitte befindlichen F-Ringes ist Prometheus
deutlich als heller Klumpen sichtbar. Bei seiner Bewegung um den F-Ring
zieht er Materie auf einer deutlich sichtbaren Spur aus dem Ring.
© NASA/JPL

Der Schäfermond Prometheus unternimmt regelmäßige „Streifzüge“ in den inneren staubigen Rand des F-Ringes. Einige Wissenschaftler vermuten, dass die dabei entstehenden Oszillationen der elliptischen Bahnen beider Schäftermonde und des F-Rings den Mond Prometheus irgendwann in das Zentrum des F-Ringes katapultieren. Tatsächlich konnten Aufnahmen der Cassini-Sonde [3] zeigen, dass Prometheus bei seiner Annäherung an den Ring einen Teilchenstrom aus diesem in seine Richtung zieht. Dabei entstehen langlebige Kanäle zwischen Ring und Schäfermond. Während der Bahnbewegung von Ring und Mond entstehen Scherbewegungen, aus denen man die Wechselwirkung vergangener Aktivität ablesen kann (Abb. 2 und 3).

Abb. 3   Seitenansicht des F-Ringes.
In der Bildmitte sind deutlich Strukturen sichtbar, die von Störungen bzw.
der Wechselwirkung zwischen F-Ring und den Schäfermonden herrührt.
© NASA/JPL/Cassini (2008)

Das Ringsystem eines Planeten kann durch die gravitative Wechselwirkung mit seinen Satellitenmonden gestört werden. Die Störung des F-Ringes durch den Schäfermond Prometheus konnte mithilfe neuer Beobachtungen entschlüsselt werden. Diese Beobachtungen zeigen, dass der F-Ring aus 3-4 einzelnen, jedoch möglicherweise miteinander verbundenen Bereichen besteht, der durch die Schäfermonde zusammengehalten wird. Die Wechselwirkung ist für zahlreiche asymmetrische räumliche und zeitlich variierende Strukturen verantwortlich. Innerhalb der letzten Jahre konnten kleine Eis- und Gesteinsbrocken (moonlets), Jets mit spiraligem Aussehen, strömungskanalartige Strukturen und Minijets entdeckt bzw. identifiziert werden [4].

Die Existenz und Lebensdauer von ECs
Die beobachteten ausgedehnten hellen Klumpen (EC, extended clumps) innerhalb des F-Ringes besitzen Ausdehnungen von 3-40 Grad und konnten bereits von Pioneer 11, den Sonden Voyager 1 und 2 [1], dem Hubble Space Teleskop [1] sowie erdgebundenen Teleskopen und dem Cassini-Orbiter beobachtet werden. Die Analyse der Voyager-Aufnahmen zeigt die Existenz von rund 2-3 größeren und 20-49 kleineren ECs. Erstmalig konnte auch die Entstehung und die Zerstörung einiger ECs beobachtet und mit älteren Messungen verglichen werden [5].

Wissenschaftler des SETI-Institutes [1] konnten mithilfe von Aufnahmen der Cassini-Sonde aus den Jahren 2004-2010 und dem Vergleich mit Fotos der Voyager-Mission von vor dreißig Jahren deutliche Veränderungen im Aussehen des F-Ringes aufzeigen [5], die nur durch die Wechselwirkung mit kleinen Monden erklärt werden kann. Die neuen Beobachtungen zeigen, dass im Vergleich zu den Voyageraufnahmen wesentlich weniger große helle Klumpen im F-Ring existieren, während die Anzahl der kleineren Klumpen konstant blieb.

Die hellen klumpenartigen Bereiche innerhalb des F-Ringes kommen und gehen innerhalb von Stunden oder Tagen. Die maximale Lebensdauer zahlreicher Klumpen beträgt wahrscheinlich nicht mehr als 25 Tage. Die Mehrheit der Klumpen besitzt eine Lebensdauer von rund einem Monat. Nur wenige der hellen Klumpen existieren länger, zwischen 3-6 Monaten. Die Forscher konnten sogar das Anwachsen dieser Klumpen beobachten: drei größere Klumpen zeigten Größenveränderungen von 0,6-0,8° pro Tag.

Die Forschergruppe um French und Showalter glaubt, dass es sich dabei um kleine Monde handelt, nicht viel größer als ein Berg auf der Erde. Diese Moonlets kollidieren innerhalb des F-Ringes und brechen anschließend auseinander.

Durch die Beobachtung dieser drei ungewöhnlichen Klumpen lassen sich die ECs möglicherweise in zwei Gruppen unterteilen: die häufigsten ECs verändern sich nur wenig, werden anschließend lichtschwächer und verschwinden. Die zweite, seltene Gruppe bildet sich wahrscheinlich durch (wiederholte) Kollisionen mit kleinen Moonlets innerhalb des F-Ringes. Sie erreichen einen größeren Durchmesser als Objekte der ersten Gruppe.

Dabei spielt die Lage des F-Ringes um den Saturn eine spezielle Rolle: im Bereich des F-Ringes befindet sich die sog. Roche-Grenze [1]. Kommt ein Moonlet dieser Grenze (und damit dem Planeten Saturn) zu nahe, kann er aufgrund der Anziehung auseinanderbrechen. Die Position der Grenze hängt von der Masse des Kleinstmondes ab. Daher entstehen und vergehen im Bereich des F-Ringes immer wieder neue Moonlets. Der Durchmesser eines neu entstandenen Kleinstmondes liegt bei maximal 5 Kilometern.

Planetares Autoscooter-System
Die durch die Wechselwirkung neu entstandenen Moonlets bewegen sich mehrfach durch den F-Ring, ähnlich Autoscootern auf Kirmesständen, und erzeugen dabei helle klumpenartige Strukturen. Da sie sich an der Roche-Grenze befinden, werden sie kurz nach ihrer Entstehung wieder zerstört und verschwinden. Dies erklärt die schnelle Veränderung der beobachteten hellen Klumpen und möglicherweise das Auftreten von Minijets.

Die neuen Beobachtungen zeigen, dass unser Wissen über die Entstehung und Entwicklung eines Ringsystems lückenhaft und für das Verständnis der frühen Bildung und Evolution des Sonnensystems von großer Bedeutung ist.

Falls Sie Fragen und Anregungen zu diesem Thema haben, schreiben Sie uns unter kontakt@ig-hutzi-spechtler.eu

Ihre
IG Hutzi Spechtler – Yasmin A. Walter

Quellenangaben:

[1] Mehr Information über Objekte des Sonnensystems
www.wikipedia.de

[2] Mehr Information über Entdeckungen im Saturnsystem auf unserer Webseite
www.ig-hutzi-spechtler.eu/aktuelles_saturnringe.html

[3] Information zur Cassini-Sonde
www.nasa.gov/mission_pages/cassini/main/

[4] French, R. S., et al., Analysis of clumps in Saturn's F ring from Voyager and Cassini, Icarus 241, 200-220 (2014)

[5] Hamilton, D. P., et al., Nature Physics 1, 87-88 (2005)

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