Die Ringe des Saturn sind etwa 100 Millionen Jahre alt, aber es ist unklar, wie sie sich in so kurzer Zeit gebildet haben könnten. Der Gürtelriese dreht sich in einem Winkel von 26.7 Grad relativ zu der Ebene, in der er die Sonne umkreist.
Da Saturns Neigung Präzessionen, wie ein Kreisel, mit fast der gleichen Geschwindigkeit wie Neptuns Umlaufbahn, haben Astronomen lange die Hypothese aufgestellt, dass diese Neigung aus Gravitationswechselwirkungen mit seinem Nachbarn resultiert Neptun.
Während die beiden Planeten einst synchron gewesen sein mögen, haben Astronomen bei MIT und andere Universitäten haben das entdeckt Saturn hat sich seitdem Neptuns Anziehungskraft entzogen.
Was hat diese Neuausrichtung der Planeten verursacht?
Das Team stellt eine neue Hypothese auf. Sie schlugen vor, dass das Saturnsystem zuvor einen zusätzlichen Mond namens Chrysalis enthielt. Zusammen mit andere Monde, Chrysalis umkreiste Saturn mehrere Milliarden Jahre lang und zog und zerrte an dem Planeten auf eine Weise, die seine Neigung oder „Schiefe“ in Resonanz mit Neptun hielt.
Es wird jedoch angenommen, dass Chrysalis vor etwa 160 Millionen Jahren instabil wurde und seinem Planeten bei einer streifenden Begegnung zu nahe kam, die den Satelliten auseinander riss. Der Verlust des Mondes reichte aus, um Saturn von Neptuns Sog zu befreien und ihm die heutige Neigung zu geben. Darüber hinaus könnte ein Bruchteil der Fragmente der Chrysalis in der Umlaufbahn hängen geblieben sein und schließlich in kleine eisige Stücke zerbrochen sein, um die charakteristischen Ringe des Planeten zu bilden.
Astronomen vermuten, dass dieser fehlende Mond zwei langjährige Rätsel erklären könnte: Saturns heutige Neigung und das Alter seiner Ringe, die auf etwa 100 Millionen Jahre geschätzt wurden – viel jünger als der Planet selbst.
Jack Wisdom, Professor für Planetenwissenschaften am MIT und Hauptautor der neuen Studie, sagte: „Genau wie die Puppe eines Schmetterlings war dieser Satellit lange inaktiv und wurde plötzlich aktiv, und die Ringe tauchten auf.“
In den frühen 2000er Jahren stellten Wissenschaftler die Hypothese auf, dass Saturn aufgrund seiner Gravitationsresonanz oder Verbindung mit Neptun eine geneigte Achse hatte. Cassini, eine NASA-Raumsonde, die den Saturn von 2004 bis 2017 umkreiste, machte jedoch Entdeckungen, die dem Problem einen neuen Blickwinkel gaben. Titan, Saturns größter Satellit, wanderte mit einer Rate von ungefähr 11 Zentimetern pro Jahr vom Saturn ab, was schneller war als erwartet. Diese schnelle Migration und ihre Anziehungskraft ermöglichten es den Wissenschaftlern zu schließen, dass der Mond wahrscheinlich dafür verantwortlich war, Saturn zu neigen und in Resonanz mit Neptun zu halten.
Jack Wisdom, Professor für Planetenwissenschaften am MIT und Hauptautor der neuen Studie, sagte: „Um bei dem Problem voranzukommen, mussten wir das Trägheitsmoment des Saturn bestimmen.“
In dieser neuen Studie versuchten die Wissenschaftler, das Trägheitsmoment von Saturn zu bestimmen, indem sie einige der letzten Beobachtungen von Cassini in seinem „Grand Finale“ nutzten, einer Phase der Mission, während der sich das Raumschiff extrem nahe näherte, um das Gravitationsfeld genau zu kartieren um den ganzen Planeten. Aus dem Gravitationsfeld lässt sich die Massenverteilung auf dem Planeten bestimmen.
Sie modellierten das Innere des Saturn und identifizierten eine Massenverteilung, die mit dem von Cassini beobachteten Gravitationsfeld übereinstimmte. Überraschenderweise platzierte dieses neu identifizierte Trägheitsmoment Saturn nahe, aber knapp außerhalb der Resonanz mit Neptun. Die Planeten mögen einmal synchron gewesen sein, sind es aber nicht mehr.
Sie begannen mit der Durchführung von Simulationen zur Entwicklung der Orbitaldynamik von Saturn und seine Monde rückwärts in der Zeit. Sie wollten feststellen, ob natürliche Instabilitäten zwischen den vorhandenen Satelliten die Neigung des Planeten beeinflusst haben könnten. Diese Suche war leer.
Um besser zu verstehen, wie sich die Rotationsachse eines Planeten im Laufe der Zeit verschiebt, was als Präzession bezeichnet wird, untersuchten die Wissenschaftler die mathematischen Gleichungen, die sie beschreiben, erneut. Ein Term in dieser Gleichung hat Beiträge von allen Satelliten. Das Team argumentierte, dass die Entfernung eines Satelliten aus dieser Summe die Präzession des Planeten beeinflussen könnte.
Durch Simulationen ermittelten Wissenschaftler die Eigenschaften von Chrysalis, einschließlich seiner Masse und seines Umlaufradius, sowie die Umlaufbahndynamik, die erforderlich wäre, um Saturn aus der Resonanz zu schlagen. Sie schlussfolgern, dass die Resonanz zwischen Saturn und Neptun die aktuelle Neigung des Planeten verursachte und der Verlust des Satelliten Chrysalis, der ungefähr so groß ist wie Saturns drittgrößter Mond Iapetus, es Saturn ermöglichte, die Resonanz zu vermeiden.
Wissenschaftler stellten fest, „Irgendwann vor 200 bis 100 Millionen Jahren betrat Chrysalis eine chaotische Orbitalzone, erlebte mehrere enge Begegnungen mit Iapetus und Titan und kam schließlich Saturn zu nahe, in einer streifenden Begegnung, die den Satelliten in Stücke riss und einen kleinen Bruchteil zurückließ umkreisen den Planeten als ein mit Trümmern übersäter Ring.“
„Der Verlust von Chrysalis erklärt Saturns Präzession und seine heutige Neigung sowie die späte Bildung seiner Ringe.“
Weisheit sagte, „Es ist eine ziemlich gute Geschichte, aber wie jedes andere Ergebnis muss sie von anderen untersucht werden. Aber es scheint, dass dieser verlorene Satellit nur eine Puppe war, die darauf wartete, seine Instabilität zu erfahren.“
Journal Referenz:
- Jack Wisdomet al. Der Verlust eines Satelliten könnte die Schieflage und die jungen Ringe des Saturn erklären. WISSENSCHAFT. DOI: 10.1126/science.abn1234
