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Mehr als ein Jahrzehnt lang hatte die Raumsonde Cassini den vielleicht spektakulärsten Blick im Sonnensystem.

Immer wieder umrundete sie den Saturn und betrachtete die prächtigen Ringe aus vielen Winkeln. Sie zeichnete einzelne Ringe auf, entdeckte Wellen und Kräuselungen und entdeckte „Propeller“ und andere seltsame Merkmale, die in das Ringsystem eingebettet sind.

Und dann wurde die Sicht noch besser. Während seiner letzten 22 Umläufe tauchte Cassini in den Raum zwischen den Wolken des Saturn und dem inneren Rand der Ringe ein und kam ihnen so nahe, dass es seine Radioantenne als Schutzschild gegen Ringpartikel einsetzen musste.

Diese Perspektive brachte nicht nur beeindruckende Ansichten, sondern auch beeindruckende Wissenschaft hervor. Cassinis Beobachtungen enthüllten die Masse der Ringe und lieferten bessere Schätzungen darüber, wann sie sich gebildet haben und wie lange sie bestehen bleiben könnten.

„Vor dem Finale von Cassini gab es zwei große Unbekannte, und diese sind nun geklärt: Was ist die Masse der Ringe, und was ist die Massenverlustrate der Ringe“, sagte Luke Moore, ein leitender Forscher an der Boston University.

Aus diesen Messungen schlossen die Forscher, dass wir die Saturnringe in der Mitte einer relativ kurzen Lebensspanne sehen, die vielleicht vor 100 Millionen Jahren begann und noch 100 Millionen Jahre länger andauern könnte.

Cassinis Ring-Entdeckungen endeten jedoch nicht dort. Das Raumschiff flog durch den „Ringregen“ – einen Schauer von Partikeln aus den Ringen in die Saturnatmosphäre – und konnte so die Zusammensetzung der Ringe direkt messen. Mit den Instrumenten wurden auch die Auswirkungen des Ringregens auf die Saturnatmosphäre gemessen. Und aus dem Erscheinungsbild der Ringe konnten die Wissenschaftler sogar die Länge des Saturntages ableiten – eine weitere Errungenschaft bei der Erkundung der Saturnringe durch Cassini.

Werden Sie „Herr der Ringe“

Die Hauptringe des Saturns erstrecken sich über eine Länge von etwa 275.000 Kilometern – etwa zwei Drittel der Entfernung zwischen Erde und Mond -, obwohl ihre durchschnittliche Dicke nicht mehr als ein paar zehn Meter beträgt. Von außen nach innen sind die Ringe mit A, B, C und D beschriftet, wobei die ersten drei aus vielen kleineren Einzelringen bestehen. (Ein paar schwache, massearme Ringe lauern außerhalb des A-Rings, aber sie sind unbedeutend im Vergleich zu den Hauptbändern). A und B sind breit und dicht, und sie enthalten den größten Teil der Masse des Ringsystems.

Der C-Ring half den Astronomen, ein rätselhaftes Geheimnis des Saturns zu lösen: die Länge seines Tages, die schwer zu bestimmen war.

Chris Mankovich, Doktorand an der University of California, Santa Cruz, untersuchte für seine Doktorarbeit Wellen im C-Ring. Diese Wellen werden durch Bewegungen von Schichten erzeugt, die sich mehrere tausend Kilometer unter den Wolkenoberseiten des Saturns befinden.

„Die Masse im Inneren des Planeten schwappt hin und her, und die Ringe ’spüren‘ das durch die Schwerkraft“, sagte er.

Cassini entdeckte die Wellen durch die Messung von Sternbedeckungen durch Partikel im C-Ring, der viel weniger dicht ist als die Ringe A und B. Das genaue Muster der Wellen verrät die Bewegungen des Planeten, aus denen Mankovich dann die Rotationsrate des Saturns errechnete: 10 Stunden, 33 Minuten, 38 Sekunden.

Der Großteil der Ringforschung konzentrierte sich jedoch auf die Ringe selbst und auf ihre Wechselwirkungen mit der Saturnatmosphäre. Cassini passierte den geisterhaften D-Ring, der sich in etwa 6.500 Kilometern Entfernung von Saturns Wolken befindet – so nahe, dass er in die dünne äußere Atmosphäre des Planeten, die so genannte Exosphäre, eintaucht.

Cassinis Eintauchen in den D-Ring war Teil des großen Finales der Sonde, einer fünfmonatigen Missionsphase, die mit Cassinis Ende am 15. September 2017 endete.

Als die Treibstoffvorräte von Cassini zur Neige gingen, beschlossen die Missionsplaner, die Reise durch einen Einschlag in die Saturnatmosphäre zu beenden, wo sie verglühen würde. Das würde das Risiko eliminieren, dass es die Monde Titan und Enceladus trifft, die Anzeichen von Bewohnbarkeit zeigen, und sie möglicherweise mit irdischen Mikroben kontaminiert, die die Unbilden des Weltraums überlebt haben könnten.

Ingenieure entwarfen eine Flugbahn, die Cassinis Ende ausnutzen würde, um neue Einblicke in den Saturn und die Ringe zu liefern. Während Cassini sich dem Saturn näherte, sollte es das Innere des Planeten mit größerer Genauigkeit untersuchen, einen detaillierteren Blick auf seine Wolkendecken werfen und die Ringe aus einem neuen Blickwinkel studieren.

Zu den wichtigsten Entdeckungen des großen Finales gehört, dass dieser „Inside-Out“-Winkel den Wissenschaftlern die bisher beste Messung der Masse der Saturnringe ermöglichte.

Wenn Cassini außerhalb der Ringe blieb, wurde sie von der kombinierten Schwerkraft des Saturns und des Ringsystems angezogen, so dass es schwierig war, nur die Schwerkraft der Ringe zu isolieren. Als Cassini jedoch innerhalb der Ringe vorbeiflog, zog Saturn das Raumschiff in eine Richtung, während die Ringe in eine andere Richtung zogen.

Die präzise Funkverfolgung zeigte die Gravitationswirkung der Ringe auf Cassinis Bahn, was den Wissenschaftlern ermöglichte, ihre Masse zu berechnen: 41% der Masse des kleinen Saturnmondes Mimas (plus oder minus 13%), oder 0,05% der Masse des Erdmondes.

In Kombination mit anderen Parametern erlaubte die Masse den Wissenschaftlern auch, das Alter der Ringe zu schätzen.

In einem im Januar erschienenen Artikel in der Fachzeitschrift „Science“ nehmen die Wissenschaftler an, dass die Ringe als fast reines Wassereis begannen und durch meteoroidales Material von außerhalb des Saturnsystems verdunkelt wurden, das mit einer bekannten Rate auf die Ringe fällt. Die Dunkelheit der Ringe verrät das Verhältnis von Eis zu Gestein, was wiederum ihr Alter verrät: zwischen 10 Millionen und 100 Millionen Jahren.

„Sie können nicht älter als etwa hundert Millionen Jahre sein, weil sie dann dunkler wären“, sagte Burkhard Militzer, ein außerordentlicher Professor für Erd- und Planetenwissenschaften an der Universität von Kalifornien, Berkeley, und ein Autor der Arbeit. „Das sagt uns schlüssig, dass die Ringe sehr jung sind. Mein Lieblingskommentar zu dieser Forschung kam von einer russischen Website, die im Grunde sagte, dass wir herausgefunden haben, wann Saturn zum ‚Herrn der Ringe‘ wurde.“

„Das Alter ist kein gelöstes Problem, aber es engt die Fehlerbalken ein“, sagte Moore. „Es ist konsistent mit den Ringen der anderen Riesenplaneten. Es sind sehr unterschiedliche Umgebungen, aber die Tatsache, dass wir keine ähnlich großen Systeme beim Jupiter oder den anderen Planeten sehen, würde zu einem jungen Alter der Saturnringe passen, die mit der Zeit einfach verdampfen würden.“

Ringing in the Rain

Cassinis Beobachtungen könnten den Wissenschaftlern auch dabei helfen, zu bestimmen, wie sich die Ringe gebildet haben. Eine Idee besagt, dass sie entstanden sind, als Saturns Schwerkraft einen vorbeiziehenden Kometen auseinanderzog und die Überreste den Planeten umkreisten, während eine andere besagt, dass sie aus einer oder mehreren Kollisionen zwischen kleinen Monden oder zwischen einem Mond und einem Kometen entstanden sind.

Hinweise auf den Ursprung könnten aus Cassinis direkten Messungen von Ringmaterial kommen. Beim Eintauchen durch die Ringebene entdeckte die Raumsonde einen überraschend starken „Regen“ von organikreichen, neutralen Teilchen auf den Äquator – genug, um die Ringe in kürzester Zeit abzusaugen.

Wissenschaftler hatten bereits einen Einfall der Ringe in den mittleren Breiten des Planeten entdeckt, den Moore als „klassischen Ringregen“ bezeichnet, weil er der erste beschriebene Ringregen war. Er wurde erstmals in den 1980er Jahren auf der Grundlage von Voyager-Messungen der Ionosphäre vorhergesagt. Die Wissenschaftler bemerkten einen unerwarteten Abfall der Ladung der Ionosphäre in bestimmten Breitengraden, sowie dunkle Zonen in den Wolken.

Mikrometeoriten treffen möglicherweise auf den inneren Teil des B-Rings und erzeugen ein Plasma. Einige der Plasmateilchen folgen den Magnetfeldlinien des Saturns in Richtung des Planeten und fallen entlang der beobachteten Breitenbänder in die Atmosphäre. Die Teilchen verbinden sich mit den Elektronen in der Ionosphäre und reduzieren die Elektronendichte in diesen Breitengraden. Der Regen klärt auch die hoch gelegenen Dunstschleier, so dass wir tiefer in die Atmosphäre sehen können, was die dunklen Zonen erzeugt.

Eine Studie, die Anfang dieses Jahres in Icarus veröffentlicht wurde und auf einer Reanalyse von Keck-Teleskop-Beobachtungen aus dem Jahr 2011 basiert, bestätigte den Einfall in Bändern um 45°N und 39°S geografischer Breite. Die Studie besagt, dass dieser Prozess jede Sekunde etwa 432 bis 2.870 Kilogramm Wasser in die mittleren Breiten des Saturns liefert, genug, um die Ringe in etwa 300 Millionen Jahren zu entwässern.

Cassini bestätigte die bodengebundenen Ergebnisse. Aber es fand auch heraus, dass dieser Niederschlag ein bloßer Schauer im Vergleich zu dem Zustrom am Saturnäquator sein könnte.

Der Cosmic Dust Analyzer fand zum Beispiel heraus, dass die Region zwischen dem D-Ring und der äußeren Atmosphäre mit einer ziemlich konstanten Population von Körnern aus Wassereis und Silikaten gefüllt ist, die ein paar zehn Nanometer groß sind.

Das Magnetospheric Imaging Instrument (MIMI), das energetische neutrale Atome, Ionen und Elektronen messen soll, entdeckte noch kleinere Körner (vergleichbar mit der Größe von Rauchpartikeln) in Höhen von etwa 1.700 bis 3.000 Kilometern über dem Äquator des Planeten.

„Es wurde kein Staub direkt am Äquator erwartet, so dass die Tatsache, dass Cassini eine dort konzentrierte Population fand, eine ziemliche Überraschung war“, sagte Don Mitchell, ein Physiker am Johns Hopkins University Applied Research Laboratory in Baltimore, Md, und leitender Forscher bei MIMI. „Wir haben mit den Staubjungs gesprochen, und sie haben uns die ersten drei oder vier Male nicht geglaubt, als wir es ihnen erzählt haben. Schließlich kamen sie zur Vernunft und erkannten, dass es tatsächlich passiert.“

Die Körner stammen wahrscheinlich aus D68, dem innersten Ring im D-Ring. Durch Kollisionen mit Wasserstoffatomen in der Exosphäre des Saturns werden die Staubkörner aufgeschlagen, die dann in wenigen Stunden in die Atmosphäre des Planeten eindringen. Die beobachtete Population deutet darauf hin, dass etwa 5 Kilogramm dieser Teilchen pro Sekunde in die Saturnatmosphäre eindringen.

Aufbrechen ist nicht schwer

Die vielleicht faszinierendsten Ergebnisse stammen jedoch vom Ionen- und Neutralmassenspektrometer (INMS), einem Instrument, das die Zusammensetzung und Struktur von Ionen und neutralen Teilchen bestimmt. Es wurde entwickelt, um Titan und die Magnetosphäre des Saturns zu untersuchen, wo die Teilchen mit einer Geschwindigkeit von etwa 6 Kilometern pro Sekunde auftreffen würden. Für das große Finale erreichte Cassini jedoch Spitzengeschwindigkeiten von mehr als 30 Kilometern pro Sekunde, die die Instrumente in einer Weise beanspruchten, die die Wissenschaftler nicht erwartet hatten.

Teilchen aus der oberen Atmosphäre des Saturns traten in eine Vorkammer ein und wanderten dann zu Detektoren, wo sie gefiltert und gezählt wurden. Bei hohen Geschwindigkeiten wurden größere Partikel im Instrument zerschmettert, so dass komplexere Moleküle wahrscheinlich zerbrachen und in kleinere Moleküle zerlegt wurden.

„Wir waren besorgt über die Fragmentierung, aber es schien auf eine Art und Weise zu funktionieren, die wir noch nicht ganz verstehen“, sagte J. Hunter Waite, ein Programmdirektor am Southwest Research Institute in San Antonio, Texas, und leitender Forscher für INMS. „

INMS entdeckte eine Vielzahl von Elementen und Verbindungen, von denen viele unerwartet waren, darunter Methan (16 % der Masse der Probe), Ammoniak, Kohlenmonoxid, Kohlendioxid, molekularer Stickstoff und die Fragmente schwerer organischer Verbindungen (37 %). Fast alle von ihnen fielen vom inneren D-Ring auf einen 8°-Streifen in der Mitte des Äquators.

„Wasser ist vorhanden, aber es scheint nicht zu dominieren“, sagte Moore. „Das war eine große Überraschung, denn wenn man sich die Ringe spektroskopisch ansieht, bestehen sie zu 90 Prozent aus Wassereis.“

Das einfallende Material könnte die Chemie der Saturnatmosphäre verändern. Eine Studie fand zum Beispiel heraus, dass ein merkwürdiger Überschuss an Methan in der Saturnatmosphäre erklärt werden könnte, wenn die derzeitige Rate des Einfalls über die gesamte Lebensdauer der Ringe aufrechterhalten worden wäre. Das Methan würde am Äquator eintreten und sich dann über Millionen von Jahren über den Rest des Planeten verteilen.

A Hundred Million Years to Go

Die Wissenschaftler schätzten, dass insgesamt 4.500 bis 48.000 Kilogramm Material pro Sekunde vom D-Ring in die Atmosphäre regnen. „Der D-Ring würde bei der momentanen Fallrate in 10.000 bis 70.000 Jahren verschwinden“, so Waite, während der C-Ring nur noch einige Millionen Jahre überdauern würde.

Aber Cassini entdeckte Schwankungen in der Rate sowohl nach Längengrad als auch nach Zeit, was darauf hindeutet, dass die Rate nicht konstant ist, so dass Cassini die Ringe zu einer Zeit mit ungewöhnlich starkem Einfall untersucht haben könnte. In den letzten Jahrzehnten könnten nämlich große Meteoroiden beim Aufprall auf die Ringe zerbrochen sein und frisches Material geliefert haben.

„Ein Teil des D-Rings hat sich 2015 deutlich aufgehellt“, sagt Mitchell. „Die Überlegung ist, dass ein paar ziemlich große Materialbrocken kollidiert sind, oder ein Meteoroid kam herein und kollidierte mit einem Materialbrocken im D-Ring.“

Außerdem „gibt es klare Hinweise auf einen episodischen Transfer von Material vom C-Ring zum D-Ring“, sagte Waite. Aber er sagte, dass es keine bekannten Möglichkeiten gibt, Material von den A- und B-Ringen, die den Großteil der Masse des Ringsystems enthalten, zu übertragen, um die leichteren inneren Ringe zu erhalten.

Dieses Gleichgewicht zwischen dem einfallenden Ringmaterial und den Zugängen zum Ringsystem durch Kometen und Meteoroiden lässt das Schicksal der Ringe ein wenig ungewiss, obwohl Mitchell sagte, dass sie wahrscheinlich nicht viel länger leben werden – nach astronomischen Maßstäben.

„Ursprünglich wurde geschätzt, dass die Ringe vor viereinhalb Milliarden Jahren geboren wurden und ziemlich stabil blieben“, sagte Mitchell. „Aber es sieht so aus, als wären sie relativ jung. Und wenn man alle Verluste der Ringe berechnet, werden sie wahrscheinlich nicht mehr als weitere hundert Millionen Jahre oder so existieren, was viel kürzer ist als die Lebensdauer des Sonnensystems.

„Vielleicht sollten wir die Ringe ein bisschen mehr schätzen, wenn wir sie das nächste Mal durch ein Teleskop betrachten“, sagt Militzer und lacht. „Das ist ein besonderer Moment – die Ringe wird es nicht ewig geben.“

-Damond Benningfield (), Wissenschaftsjournalist