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Ringe aus Eis und Staub

Cassini-Mission bringt neues Wissen über den Saturn
Foto: NASA/JPL/Space Science Institute

Foto: NASA/JPL/Space Science Institute

Galileo Galilei war der erste, der sie sah. 1610 beobachtete er die Ringe des Saturns durch ein einfaches Teleskop, ohne sie jedoch als solche zu erkennen. Er hielt sie für Trabanten des Planeten. Erst Christiaan Huygens erkannte Mitte des 17. Jahrhunderts eine Ringstruktur um den Saturn. Heute liefert die Raumsonde Cassini beeindruckende Bilder aus nächster Nähe, die die feinen Strukturen der Saturnringe offenbaren. Der Potsdamer Professor Frank Spahn gehört zu den Wissenschaftlern, die die Daten der Cassini-Mission auswerten.

Am Morgen des 15. Oktober 1997 startete von der Cape Canaveral Air Force Station in Florida eine Rakete, deren Ziel mehr als eine Milliarde Kilometer von der Erde entfernt liegt. An Bord befanden sich zwei Raumsonden – Cassini und Huygens. Ihre Mission: die Erforschung des Saturnsystems. Sieben Jahre später, am 30. Juni 2004, jubelte die internationale Community der Weltraumforscher. Das Duo Cassini-Huygens schwenkte erfolgreich auf eine Umlaufbahn des Saturns ein. Anschließend trennte sich Huygens mit drei kleinen Sprengladungen von Cassini und trat die Reise zum Saturnmond Titan an, um die Atmosphäre und die Oberfläche des Satelliten zu erforschen. Während die Huygens-Mission zwei Stunden und zehn Minuten nach der Landung auf Titan beendet war, kreist Cassini nach wie vor um den Saturn und sendet Daten und Fotos zur Erde.

Frank Spahn, Professor für Nichtlineare Dynamik am Institut für Physik und Astronomie der Universität Potsdam, beschäftigt sich seit fast 30 Jahren mit dem Saturn. Die Cassini-Mission ist für ihn ein Glückstreffer. „Das war wie ein Elfmeter“, erinnert er sich an die Anfänge. Die Erkenntnisse, die Cassini über den Saturn, seine Monde und Ringe offenbare, seien revolutionär, so der Physiker. Die scheibenförmigen Ringe, die den Saturn umgeben, haben es ihm besonders angetan. Sie bestehen aus Eis- und Staubteilchen, die wenige Mikrometer bis mehrere Meter groß sind und sich in kreisförmigen Bahnen um den Planeten bewegen. 300.000 Kilometer misst die Ausdehnung der Ringe von Außenkante zu Außenkante, bei einer Höhe von lediglich drei bis fünf Metern. Auf einem Quadratmeter liegen mehrere Tonnen Eis. Dank dieser dichten Struktur sind die hauchdünnen Ringe selbst mit einem einfachen Teleskop von der Erde aus zu erkennen. Für Planetenforscher sind die Saturnringe mehr als nur ein fantastisches Kunstwerk der Natur. „Diese Ringe kann man sich als dynamische Labore für die Entstehung von Planeten den Ringen viel Material auf engem Raum, die einzelnen Teilchen stoßen ständig aneinander und bewegen sich um ein Massezentrum. Astronomen vermuten, dass sich unter solchen Bedingungen größere Körper, sogenannte Planetesimale, bilden können – die Grundbausteine der Planeten. Die Gebiete, in denen sich jetzt die Entstehung von Sternen und Planeten vollzieht, liegen jedoch weit jenseits unseres Sonnensystems – für den Menschen heute unerreichbar. „Eines Tages werden wir so hoch auflösende Teleskope haben, dass wir den Planeten beim Wachsen zuschauen können“, ist Spahn überzeugt. Doch bevor es soweit ist, müssen sich die Forscher mit Modellen begnügen, deren Aussagekraft sie etwa an planetaren Ringen überprüfen. „Da können wir hinfliegen“, so der Wissenschaftler.

Dennoch gibt es einen wesentlichen Unterschied zwischen den Prozessen in präplanetaren Scheiben und den Saturnringen. Diese unterliegen nämlich der Gezeitenkraft des Saturns. Weil sich die Ringe dicht am Planeten befinden, wirkt auf die Teilchen eine enorme, zerreißende Kraft. Sie verhindert, dass sich Körper bilden, die größer als 30 Meter sind. Übersteigen sie dieses Maß, werden sie von der Gezeitenkraft auseinandergerissen. Trotzdem kommen Planetenforscher durch einen anderen glücklichen Umstand auf ihre Kosten: Der Saturn ist von zahlreichen Monden umgeben, die den Planeten jenseits der Ringe umkreisen. Seit Langem vermuten Wissenschaftler daher, dass innerhalb des Ringsystems kleinere Monde – sogenannte Moonlets – von bis zu mehreren Kilometern Durchmesser versteckt sind. Sollten diese aus stabilem Eis bestehen, können ihnen die Gezeitenkräfte nichts anhaben. Bereits in den 1980er Jahren bewegte Frank Spahn die Frage, welche Auswirkungen Moonlets auf die Ringstrukturen des Saturns haben könnten. Am Computer ließ er Simulationen mit Körpern in einer viskosen Scheibe laufen und berechnete so die Strukturen, die eventuell vorhandene Saturnmonde durch das Wirken von Gravitationskräften im Ring hinterlassen. Über diese verräterischen Spuren ließen sich die versteckten Monde aufspüren – so die theoretische Hoffnung.

Die Berechnungen zeigten: Moonlets mit einem Durchmesser von mehr als einem Kilometer sollten in den Ringen Lücken mit Bugwellen erzeugen. Später fanden die Forscher heraus, dass kleinere Moonlets durch propellerartige Strukturen in den Ringen erkennbar wären – sie selbst sind zu klein, um direkt abgebildet zu werden. Dank dieser Hypothesen konnten tatsächlich Moonlets in den Ringen Saturns ausfindig gemacht werden. Zunächst durch Bilder, die die Raumsonde Voyager 2 aufnahm, später dann durch Bilder von Cassini. „Bisher wurden über 300 größere Körper in den Saturnringen entdeckt“, erklärt Spahn. „Am schönsten sind die XXL-Propeller, die fast eine Lücke machen“, sagt er lachend. „Die haben alles, was wir vorhergesagt haben.“ Nach neueren Schätzungen von Astronomen ist die Zahl der Moonlets und größeren Eisbrocken in den Saturnringen enorm: Weit mehr als eine Million sollen es sein. Mit 30 Kilometern Durchmesser ist „Pan“ der bisher größte entdeckte Mond.

Die Monde in den Saturnringen geben den Forschern jedoch nicht nur Hinweise darauf, welche Muster entstehende Planeten in Gas- und Staubwolken hinterlassen. Sie liefern auch Anhaltspunkte für die Entstehungsgeschichte der Ringe um den Gasplaneten. Bisher gab es dazu zwei Theorien. Eine besagt, dass die Ringe Überbleibsel aus der Zeit der Saturnbildung vor fünf Milliarden Jahren sind. Allerdings dürfte es wegen der Gezeitenkraft keine Körper mit einem Durchmesser von mehr als 30 Metern geben. Der inzwischen gelungene Nachweis vieler solcher Moonlets mit einem Durch messer von 100 Metern bis mehreren Kilometern deutet also darauf hin, dass der Ring um den Saturn jünger ist als der Planet. Möglicherweise ist er zur Zeit des „Late Heavy Bombardment“, vor etwa vier Milliarden Jahren entstanden, als zahlreiche Asteroiden in die Planeten unseres Sonnensystems und deren Satelliten einschlugen. Einer oder mehrere der den Saturn umgebenden Eismonde wurden wohl durch Einschläge zerstört. Die Überreste verteilten sich gleichmäßig um den Planeten und bildeten schließlich die beeindruckenden Ringe.

Im Jahr 2017 wird die Cassini-Mission ihr Ende finden. Dann wird die Sonde durch die Ringe hindurch zum Saturn fliegen und letztlich auf dem Planeten einschlagen. „Darauf freue ich mich schon“, sagt Professor Spahn. „Dann sehen wir erstmals wirklich die Ringteilchen direkt.“

Der Saturn

Der zweitgrößte Planet unseres Sonnensystems hat einen Durchmesser von 120.500 Kilometern. der gasplanet besteht zu 96 Prozent aus Wasserstoff und ist etwa 1,4 Milliarden Kilometer von der Sonne entfernt. die Temperaturen im Saturnsystem betragen zwischen -150 und -200 Grad Celsius. Zahlreiche Eismonde umgeben den Saturn. charakteristisch ist das auffällige Ringsystem, das aus Wassereis besteht. knapp 30 Jahre benötigt der Saturn für seine Umlaufbahn um die Sonne.

Der Wissenschaftler

Prof. Dr. Frank Spahn ist theoretischer Physiker und bekleidet seit 2006 eine außerordentliche Professur am Institut für Physik und Astronomie der Universität Potsdam. Er ist Mitglied des Cosmic Dust Analyzer Teams der Cassini-Mission.

Kontakt

Universität Potsdam
Institut für Physik und Astronomie
Karl-Liebknecht-Str. 24–25
14476 Potsdam
E-Mail: frankagnld.uni-potsdamde

Text: Heike Kampe, Bearbeitung: Silvana Seppä