Dank u voor uw aanmelding voor Eos Buzz.

Meer dan tien jaar lang had het Cassini-ruimtevaartuig misschien wel het meest spectaculaire uitzicht in het zonnestelsel.

Keer op keer draaide het een lus rond Saturnus, waarbij het de prachtige ringen vanuit vele hoeken bekeek. Het bracht individuele ringen in kaart, zag golven en rimpelingen, en ontdekte “propellers” en andere vreemde kenmerken in het ringenstelsel.

En toen werd het uitzicht beter. Tijdens zijn laatste 22 omloopbanen dook Cassini in de ruimte tussen de wolkentoppen van Saturnus en de binnenrand van de ringen. Hij kwam zo dicht bij de ringen dat hij zijn radioschotel moest gebruiken als schild tegen ringdeeltjes.

Dit perspectief leverde niet alleen indrukwekkende vergezichten op, maar ook indrukwekkende wetenschap. De waarnemingen van Cassini onthulden de massa van de ringen en gaven betere schattingen van wanneer ze zijn ontstaan en hoe lang ze nog zouden kunnen bestaan.

“Vóór Cassini’s finale waren er twee grote onbekenden, en die zijn nu aangepakt: Wat is de massa van de ringen, en wat is de massaverliessnelheid van de ringen,” zei Luke Moore, een senior onderzoekswetenschapper aan de Universiteit van Boston.

Uit die metingen concludeerden de onderzoekers dat we de ringen van Saturnus toevallig zien in het midden van een relatief korte levensduur, die misschien 100 miljoen jaar geleden begon en misschien 100 miljoen jaar langer zou kunnen duren.

De ontdekkingen van Cassini hielden daar echter niet op. Het toestel vloog door “ringregen” – een regen van deeltjes uit de ringen in de atmosfeer van Saturnus – waardoor het direct de samenstelling van de ringen kon meten. De instrumenten hebben ook de effecten van de ringenregen op Saturnus’ atmosfeer gemeten. En wetenschappers gebruikten het uiterlijk van de ringen om de lengte van Saturnus’ dag af te leiden, waarmee Cassini’s verkenning van Saturnus’ ringen nog een prestatie werd toegevoegd.

De ringen van Saturnus worden “Lord of the Rings”

De hoofdringen van Saturnus beslaan ongeveer 275.000 kilometer – ongeveer twee derde van de afstand tussen de aarde en de maan – hoewel hun gemiddelde dikte niet meer dan enkele tientallen meters is. Van buiten naar binnen zijn de ringen aangeduid met A, B, C, en D, waarbij de eerste drie bestaan uit vele kleinere individuele ringen. (Buiten de A-ring bevinden zich een paar zwakke ringen met een lage massa, maar die zijn onbeduidend in vergelijking met de hoofdringen). A en B zijn breed en dicht, en zij bevatten de meeste massa van het ringensysteem.

De C-ring heeft astronomen geholpen een raadsel over Saturnus op te lossen: de lengte van zijn dag, die tot nu toe moeilijk te achterhalen was.

Chris Mankovich, een afgestudeerde student aan de Universiteit van Californië, Santa Cruz, heeft voor zijn proefschrift golven in de C-ring bestudeerd. Die golven worden opgewekt door bewegingen van lagen enkele duizenden kilometers onder de wolkentoppen van Saturnus.

“Massa binnenin de planeet klotst heen en weer, en de ringen ‘voelen’ dat door de zwaartekracht,” zei hij.

Cassini ontdekte de golven door het meten van stellaire occultaties door deeltjes in de C-ring, die veel minder dicht is dan de A- en B-ring. Het exacte patroon van de golven onthult de bewegingen van de planeet, die Mankovich vervolgens gebruikte om de rotatiesnelheid van Saturnus te berekenen: 10 uur, 33 minuten en 38 seconden.

Het meeste ringonderzoek was echter gericht op de ringen zelf en op hun interactie met Saturnus’ atmosfeer. Cassini passeerde de spookachtige D-ring, die tot op ongeveer 6500 kilometer van Saturnus’ wolken komt – zo dichtbij dat hij is ondergedompeld in de ijle buitenste atmosfeer van de planeet, die bekend staat als de exosfeer.

Cassini’s dips binnen de D-ring maakten deel uit van de grote finale van het vaartuig, een 5-maanden durende missiefase die eindigde met Cassini’s ondergang op 15 september 2017.

Toen de stuwstoffen van Cassini opraakten, besloten de missieplanners om de reis te beëindigen door het in de atmosfeer van Saturnus te duwen, waar het zou opbranden. Dat zou het risico uitsluiten dat hij de manen Titan en Enceladus, die bewijzen van bewoonbaarheid vertonen, zou raken en mogelijk zou besmetten met aardse microben die de ontberingen van de ruimte hadden kunnen overleven.

Ondernemers bedachten een vluchtroute die Cassini’s einde zou benutten om nieuwe inzichten in Saturnus en de ringen te verschaffen. Terwijl Cassini in een spiraal dichter bij Saturnus kwam, kon hij het inwendige van de planeet met grotere nauwkeurigheid onderzoeken, de wolkentoppen gedetailleerder bekijken en de ringen vanuit een nieuwe hoek bestuderen.

Een van de belangrijkste ontdekkingen van de grote finale was dat de wetenschappers door die “binnenstebuiten”-hoek de beste meting tot nu toe konden doen van de massa van Saturnus’ ringen.

Toen Cassini buiten de ringen bleef, werd hij aangetrokken door de gecombineerde zwaartekracht van Saturnus en het ringenstelsel, zodat het moeilijk was om de aantrekkingskracht van alleen de ringen te isoleren. Toen Cassini echter binnen de ringen passeerde, trok Saturnus het vaartuig in één richting, terwijl de ringen in een andere richting trokken.

Nauwkeurige radiotracking onthulde het zwaartekrachtseffect van de ringen op het pad van Cassini, waardoor wetenschappers hun massa konden berekenen: 41% van de massa van Saturnus’ kleine maan Mimas (plus of min 13%), of 0,05% van de massa van de maan van de aarde – ruwweg de helft van de waarde van veel schattingen van voor de grote finale.

In combinatie met andere parameters kon men op basis van de massa ook de leeftijd van de ringen schatten.

In een artikel in Science, gepubliceerd in januari, veronderstelden de leden van het radio-wetenschapsteam dat de ringen begonnen als bijna zuiver waterijs en donkerder zijn geworden door meteoroïdaal materiaal van buiten het Saturnus-systeem, dat met een welbekende snelheid op de ringen valt. De donkerte van de ringen onthult de verhouding tussen ijs en rots, die op zijn beurt hun leeftijd onthult: tussen 10 miljoen en 100 miljoen jaar.

“Ze kunnen niet ouder zijn dan ongeveer honderd miljoen jaar, omdat ze dan donkerder zouden zijn,” zei Burkhard Militzer, een universitair hoofddocent Aard- en planeetwetenschappen aan de Universiteit van Californië, Berkeley, en een auteur van het artikel. “Dat vertelt ons onomstotelijk dat de ringen erg jong zijn. Mijn favoriete commentaar op dit onderzoek kwam van een Russische website, die in feite zei dat we hebben gevonden wanneer Saturnus ‘Lord of the Rings’ werd.”

“De leeftijd is geen opgelost probleem, maar het verkleint wel de foutmarges,” zei Moore. “Het is consistent met de ringen van de andere reuzenplaneten. Het zijn heel verschillende omgevingen, maar het feit dat we bij Jupiter of de andere planeten geen vergelijkbare grote systemen zien, zou consistent zijn met een jonge leeftijd voor Saturnus’ ringen, die na verloop van tijd gewoon zouden verdampen.”

Ring in the Rain

Cassini’s waarnemingen kunnen wetenschappers ook helpen te bepalen hoe de ringen zijn ontstaan. Volgens de ene opvatting zijn ze ontstaan toen de zwaartekracht van Saturnus een passerende komeet uit elkaar trok en de overblijfselen de planeet omsloten, terwijl een andere opvatting zegt dat ze zijn ontstaan uit een of meer botsingen tussen kleine manen of tussen een maan en een komeet.

Aanwijzingen voor de oorsprong kunnen komen van Cassini’s directe metingen van ringmateriaal. Toen het ruimtevaartuig door het ringvlak dook, ontdekte het een verrassend zware “regen” van neutrale deeltjes met veel organisch materiaal op de evenaar – genoeg om de ringen snel te laten leeglopen.

Wetenschappers hadden al eerder een infall van de ringen op de midlatitudes van de planeet ontdekt, die Moore omschrijft als “klassieke ringregen” omdat het de eerste ringregen was die werd beschreven. Het werd voor het eerst voorspeld in de jaren tachtig op basis van Voyager-metingen van de ionosfeer. Wetenschappers merkten een onverwachte dip op in de lading van de ionosfeer op bepaalde breedtegraden, evenals donkere zones in de wolken.

Micrometeorieten slaan mogelijk in op het binnenste deel van de B-ring, waardoor een plasma ontstaat. Sommige van de plasmadeeltjes volgen de magnetische veldlijnen van Saturnus in de richting van de planeet en vallen in de atmosfeer langs de waargenomen breedtegraden. De deeltjes verbinden zich met elektronen in de ionosfeer, waardoor de elektronendichtheid op die breedtegraden afneemt. De regen verwijdert ook de nevel op grote hoogte, waardoor we dieper in de atmosfeer kunnen kijken en de donkere zones ontstaan.

Een eerder dit jaar in Icarus gepubliceerde studie, gebaseerd op een heranalyse van Keck Telescope waarnemingen uit 2011, bevestigde de infall in banden rond 45°NB en 39°Z breedtegraad. De studie zegt dat dit proces elke seconde ruwweg 432 tot 2.870 kilogram water naar de midlatitudes van Saturnus brengt, genoeg om de ringen in ongeveer 300 miljoen jaar leeg te zuigen.

Cassini bevestigde de bevindingen op de grond. Maar het ontdekte ook dat deze regenval misschien niet meer is dan een buitje vergeleken met de toevloed bij Saturnus’ evenaar.

De Cosmic Dust Analyzer ontdekte bijvoorbeeld dat het gebied tussen de D-ring en de buitenste atmosfeer gevuld is met een vrij constante populatie van waterijs- en silicaatkorrels met een doorsnede van enkele tientallen nanometers.

Het Magnetospheric Imaging Instrument (MIMI), dat is ontworpen om energetische neutrale atomen, ionen en elektronen te meten, ontdekte nog kleinere korrels (vergelijkbaar met de grootte van rookdeeltjes) op hoogtes van zo’n 1700 tot 3000 kilometer boven de evenaar van de planeet.

“Er was geen verwachting van stof precies bij de evenaar, dus het feit dat Cassini daar een geconcentreerde populatie vond, was nogal een verrassing,” zei Don Mitchell, een staffysicus aan het Johns Hopkins University Applied Research Laboratory in Baltimore, Md, en hoofdonderzoeker van MIMI. “We spraken met de stofjongens, en de eerste drie of vier keer dat we het hen vertelden geloofden ze ons niet.

De korrels zijn waarschijnlijk afkomstig van D68, het binnenste ringetje van de D-ring. Botsingen met waterstofatomen in de exosfeer van Saturnus treffen de stofkorrels, die vervolgens in slechts een paar uur de atmosfeer van de planeet in spiraliseren. De waargenomen populatie suggereert dat ongeveer 5 kilogram van deze deeltjes per seconde de atmosfeer van Saturnus binnendringen.

Breaking Up Isn’t Hard to Do

De meest intrigerende resultaten zijn echter afkomstig van de Ion and Neutral Mass Spectrometer (INMS), een instrument dat de samenstelling en structuur van ionen en neutrale deeltjes bepaalt. Het was ontworpen om Titan en Saturnus’ magnetosfeer te bestuderen, waar deeltjes zouden inslaan met snelheden van ongeveer 6 kilometer per seconde. Voor de grote finale bereikte Cassini echter pieksnelheden van meer dan 30 kilometer per seconde, waarmee de instrumenten op een manier werden getest die wetenschappers nooit hadden verwacht.

Deeltjes uit de bovenste atmosfeer van Saturnus kwamen een voorkamer binnen, reisden vervolgens naar detectoren waar ze werden gefilterd en geteld. Bij hoge snelheden werden grotere deeltjes in het instrument aan stukken geslagen, zodat complexere moleculen waarschijnlijk werden verbrijzeld, waardoor ze in kleinere moleculen uiteenvielen.

“We maakten ons zorgen over de fragmentatie, maar het leek goed uit te pakken op manieren die we nog niet helemaal begrijpen,” zei J. Hunter Waite, programmadirecteur bij het Southwest Research Institute in San Antonio, Texas, en hoofdonderzoeker voor INMS. “In sommige opzichten maakte het de zaak ingewikkelder, maar in andere opzichten was het onze beste vriend, omdat het ons in staat stelde enkele grote moleculen te zien die we niet hadden kunnen zien als ze niet uit elkaar waren gevallen.”

INMS ontdekte een mengelmoes van elementen en verbindingen, waarvan vele onverwacht waren, waaronder methaan (16% van de massa van het monster), ammoniak, koolmonoxide, kooldioxide, moleculaire stikstof, en de fragmenten van zwaardere organische verbindingen (37%). Ze vielen bijna allemaal van de binnenste D-ring tot een strook van 8° gecentreerd op de evenaar.

“Water is aanwezig, maar het lijkt niet te overheersen,” zei Moore. “Dat was een grote verrassing, want als je de ringen spectroscopisch bekijkt, bestaat 90 procent van de ringen uit waterijs.”

Het binnenstromende materiaal kan de atmosferische chemie van Saturnus veranderen. Uit één onderzoek bleek bijvoorbeeld dat een vreemde overvloed aan methaan in Saturnus’ atmosfeer kan worden verklaard als de huidige infallingssnelheid gedurende de levensduur van de ringen zou zijn aangehouden. Het methaan zou bij de evenaar binnenkomen en zich dan in de loop van miljoenen jaren over de rest van de planeet verspreiden.

Honderd miljoen jaar te gaan

Instrumentwetenschappers schatten dat er elke seconde in totaal 4.500 tot 48.000 kilo materiaal van de D-ring in de atmosfeer regent. “De D-ring zou in 10.000 tot 70.000 jaar verdwijnen met de huidige snelheid van infall,” zei Waite, en de C-ring zou niet langer dan een paar miljoen jaar blijven bestaan.

Maar Cassini detecteerde variaties in de snelheid, zowel in de lengtegraad als in de tijd, wat suggereert dat de snelheid niet constant is, dus Cassini zou de ringen bestudeerd kunnen hebben in een tijd van ongewoon zware infall. In de afgelopen decennia kunnen grote meteoroïden bij de inslag met de ringen zijn gebroken, waardoor vers materiaal is aangevoerd.

“Een deel van de D-ring is in 2015 aanzienlijk helderder geworden,” zei Mitchell. “De gedachte is dat een paar vrij grote brokken materiaal op elkaar zijn gebotst of dat anders een meteoroïde is binnengekomen en op een brok materiaal in de D-ring is gebotst.”

Bovendien “zijn er duidelijke aanwijzingen van episodische overdracht van materiaal van de C-ring naar de D-ring,” aldus Waite. Maar hij zei dat er geen manieren bekend zijn om materiaal van de A- en B-ring, die het overgrote deel van de massa van het ringensysteem bevatten, over te brengen om de lichtere binnenringen in stand te houden.

Die balans van binnenvallend ringmateriaal versus toevoegingen aan het ringsysteem door kometen en meteoroïden laat het lot van de ringen een beetje onzeker, hoewel Mitchell zei dat ze waarschijnlijk niet zo lang meer zullen leven – naar astronomische maatstaven.

“Oorspronkelijk werd geschat dat de ringen vier en een half miljard jaar geleden zijn ontstaan en vrij stabiel zijn gebleven,” zei Mitchell. “Maar het lijkt erop dat ze vrij recent zijn. En als je alle verliezen van de ringen berekent, zullen ze er waarschijnlijk niet langer dan nog eens honderd miljoen jaar of zo zijn, wat veel korter is dan de levensduur van het zonnestelsel. Dat is veel korter dan de levensduur van het zonnestelsel.”

“Misschien moeten we de ringen een beetje meer waarderen als we ze de volgende keer door een telescoop bekijken,” zei Militzer met een grinnik. “

Damond Benningfield (), Science Writer