Hoe oud zijn de ringen van Saturnus?

De ringen van de planeet Saturnus bieden één van de fascinerendste schouwspelen in het zonnestelsel. Op het ogenblik worden ze grondig onderzocht door de ruimtesonde Cassini. Eén vraag houdt de onderzoekers daarbij in het bijzonder bezig: welke mechanismen zijn verantwoordelijk voor de instandhouding van het ringenstelsel gedurende zo lange tijd? Hoewel verscheidene modellen bediscussieerd worden is de vraag nog steeds niet beantwoord. Kan het zijn dat de ringen wezenlijk jonger zijn dan gewoonlijk wordt aangenomen? Tiscareno (2013) geeft toe dat “verscheidene aspecten van de ringen moeilijk te verenigen zijn met een even hoge ouderdom van de ringen als van Saturnus zelf.”¹

Volgens de gangbare wetenschappelijke voorstelling is ons zonnestelsel zo’n 4,6 miljard jaar oud. De planeten, manen, asteroïden en kometen zouden gelijktijdig met de Zon zijn ontstaan en sindsdien nagenoeg ongehinderd en onveranderlijk onder invloed van de wederzijdse aantrekking door de zwaartekracht hun baan trekken. Zodoende worden alle objecten en verschijnselen als overeenkomstig oud ingedeeld. Deze voorstelling roept echter steeds weer vragen op (zie bijvoorbeeld Korevaar 2014).

Hierna worden de ringen van Saturnus beschreven, en de ringaspecten die de onderzoekers voor verklaringsmoeilijkheden stellen en de besproken en overwogen verklaringspogingen, inclusief de mogelijkheid van een jong ringenstelsel, bediscussieerd.

De ringen van Saturnus

Al in 1610 stelde Galileo Galileï met één van de eerste telescopen vast dat Saturnus “een hengsel” had. Christiaan Huygens begreep in 1655 dat dit “hengsel” in werkelijkheid een dunne, vlakke ring was, die Saturnus niet raakte. Nog twintig jaar later stelde Giovanni Domenico Cassini vast dat het niet ging om een enkele ring maar veeleer om een uit meerdere ringen bestaand ringenstelsel. Goed zichtbaar is de naar hem genoemde Cassinischeiding, die de beide ringen A en B van elkaar scheidt. Daarnaast vermoedde Cassini toen al dat de ringen uit losse deeltjes bestonden.

Dit vermoeden van Cassini zou bewaarheid worden: wij weten intussen dat het ringenstelsel uit meerdere hoofdringen bestaat, die zich in talloze kleinere ringen verdelen. Vooral de foto’s van ruimtesonde Cassini tonen de ringen in hoge resolutie. Geschat wordt dat het ringenstelsel uit tot 100.000 enkele, duidelijk van elkaar gescheiden deelringen bestaat; en dat deze weer bestaan uit ijs- en steenbrokken met een grootte tot enkele meters. Het ringenstelsel is met 10-100 meter extreem dun in vergelijking tot de totale diameter van het ringenstelsel van zo’n 1 miljoen kilometer. Zou men het ringenstelsel met gewoon kopieerpapier, dat een dikte van 0,1 mm heeft, op schaal nabouwen, dan zou deze papierring een doorsnee van 2 km hebben! Al klinkt dit erg verbazingwekkend, er is een aannemelijke verklaring voor dat het ringenstelsel zo dun is en ook stabiel dun blijft: de planeet Saturnus is als gasplaneet door de hoge draaisnelheid sterk afgeplat en roept daarmee een aanvullende gravitatiecomponent (Quadrupool J2 genoemd) op, die materiaal dat om de planeet draait precies het draaivlak van de planeet in leidt. Een ‘uitbreken’ naar boven of beneden wordt daardoor continu gecorrigeerd.

Het ontstaan van de ringen

Charnoz (2009) gaat uitvoerig in op de vraag naar de ouderdom en het ontstaan van de ringen. Daarbij wordt onderscheid gemaakt tussen de ouderdom van het materiaal waaruit de ringen bestaan en de ouderdom van de nu waargenomen ringstructuur. Deze onderscheiding is zinvol, want uit oud materiaal kunnen nieuwe structuren worden gevormd.

Astronomen nemen algemeen aan dat het ringenstelsel van Saturnus al vroeg in de ontwikkeling van het zonnestelsel ontstaan is. Er zouden toentertijd meerdere perioden zijn geweest waarin vele pas ontstane gesteente- en ijsbrokken op een instabiele baan dwars door het zonnestelsel vlogen en daarbij in heel wat gevallen op een maan of planeet zijn ingeslagen. In de laatste van deze catastrofale perioden, wel LHB² genoemd, zouden door inslag onder andere de grote maria op de Maan zijn ontstaan, deze haar typische maangezicht verschaffend.

Eén van deze brokken zou nu, aldus de theorie, niet op Saturnus zijn gestort, maar binnen de Rochelimiet van Saturnus ingevangen en door de sterke getijdenkrachten uiteengereten zijn en zo het materiaal voor het ringenstelsel geleverd hebben. De verwoestende getijdenkrachten zijn dicht bij de planeet het sterkst; de Rochelimiet is de afstand vanaf het middelpunt van de planeet, waarbinnen de getijdenkrachten sterker zijn dan de eigen zwaartekracht die het ingevangen object bijeenhoudt. De Rochelimiet is afhankelijk van het materiaal en bedraagt bij Saturnus ca. 140.000 km voor waterijs. Aangezien de ringen bijna uitsluitend bestaan uit waterijs moet het oorspronkelijk ingevangen object een hoog ijsaandeel hebben gehad, dat wil zeggen óf geheel uit ijs bestaan hebben óf met een dikke ijsmantel bedekt geweest zijn.

Dat zo’n invang pas onlangs en niet bij het LHB miljarden jaren geleden zou zijn gebeurd wordt door de astronomen uitgesloten, aangezien er in het recentere verleden geen grotere rampen in het zonnestelsel hebben plaatsgevonden. De waarschijnlijkheid dat een enkel object dat Saturnus treft de ringen doet ontstaan, is erg klein. Dat object moet namelijk de juiste baanrichting, snelheid, grootte en samenstelling hebben om binnen de Rochelimiet ingevangen en verwoest te worden en daardoor het ringenstelsel te laten ontstaan. Vandaar dat gewezen wordt op het LHB, omdat in dat tijdsgewricht vele objecten door het zonnestelsel zoefden, wat de waarschijnlijkheid vergrootte dat één daarvan de juiste eigenschappen in zich verenigde en zo het ringenstelsel in het aanzijn riep. Deze verklaringspoging laat evenwel de kritische vraag open, waarom de planeet Jupiter niet eveneens zo’n ringenstelsel heeft; Jupiter moet immers doordat hij groter en zwaarder is meer LHB-objecten hebben aangetrokken dan Saturnus.

De ouderdom van de ringstructuren

Er zijn verschillende argumenten die ervoor pleiten dat de ringstructuren die wij vandaag de dag waarnemen wezenlijk jonger zijn dan de vermeende hoge ouderdom van het ringmateriaal. De volgende bewijsgronden zijn ontleend aan Charnoz (2009).

1. Viskeuze uitzetting van de ringen

De ijs- en steenbrokken waaruit de ringen van Saturnus bestaan bewegen zich ieder op een nagenoeg cirkelvormige baan om de planeet; de baansnelheid neemt echter af met de afstand tot Saturnus. De brokken bewegen zich ook ten opzichte van hun buren. Samen met minimale afwijkingen van de cirkelvorm leidt dit ertoe dat er voortdurend botsingen plaatsvinden in het ringenstelsel. Door deze botsingen worden de brokken in een enigszins andere baan gestuurd; de netto-opbrengst is dat de ringen zich verbreden. Volgens schattingen is de breedte van de A-ring in hooguit enkele miljoenen jaren verdubbeld. Deze tijdsspanne is wezenlijk korter dan de vermeende ouderdom van het ringmateriaal en dat zorgt voor een onopgeloste discrepantie: waren de ringen al enkele miljarden jaren oud, dan zou er vanwege deze uitzetting geen A-ring meer zijn. De zeer heldere B-ring daarentegen zou beduidend langzamer uitzetten en zou daarmee theoretisch ouder kunnen zijn dan de A-ring en, als zijn massa hoger is dan tot dusverre geschat, zelfs uit de tijd van het LHB stammen. Anderzijds houden Colwell et al. (2009) bovendien rekening met het effect van de eigen zwaartekracht van het ringmateriaal en komen daarmee op een beduidend kortere tijdschaal van minder dan miljoen jaar voor de uitzetting van de ring.

2. Inwerking van meteorieten

Het ringenstelsel is door aanhoudende beschieting door meteorieten en meteorietenstof uitgezet. Door de grote oppervlakte botsen vele meteorieten met ringdeeltjes. Volgens schattingen kan het ringenstelsel in de loop van de vermeende hoge ouderdom van het zonnestelsel een zo grote hoeveelheid materiaal hebben verzameld, dat die vergelijkbaar is met de massa van de ringen zelf. Maar als dit zo was zou het aandeel waterijs op maximaal 50% en niet op de gemeten 96% liggen. Bovendien zouden de ringen door de inwerking van het koolstofhoudende meteorietenstof veel donkerder moeten zijn. Cuzzu & Estrada (1998) besluiten daaruit dat de ringen wezenlijk jonger zijn dan het zonnestelsel. Belangwekkend is dat de veel minder uitgesproken ringen om Jupiter, Uranus en Neptunus wel degelijk zo’n vervuiling en verdonkering vertonen, wat het verschil met de lichte, zuivere ringen van Saturnus op des te indrukwekkender wijze duidelijk maakt.

3. Invloed van Saturnus’ binnenste manen

Enkele manen van Saturnus bevinden zich zeer dicht bij het ringenstelsel (Mimas, Enceladus) en enkele erg kleine objecten, “moonlets” (dwergmanen) genoemd, bevinden zich zelfs binnen het ringenstelsel. Deze manen en dwergmanen waren van tijd tot tijd als het ware een hoopdrager voor de stabilisatie van de ringen. Men hoopte dat zij de uitzetting van de ringen konden verhinderen. Intussen is echter bekend dat dit niet mogelijk is (Tiscareno 2013). In tegendeel, deze objecten trekken draaimoment uit het ringenstelsel weg en kunnen de uitbreiding hooguit iets remmen, maar niet tegenhouden. Bovendien worden de dwergmanen door de voortdurende botsingen in het ringenstelsel beetje bij beetje in hooguit 10 miljoen jaar vernietigd en het enkele feit van hun aanwezigheid is dus een verdere aanwijzing voor een betrekkelijk geringe ouderdom van de ringstructuur.

4. Het bestaan van de talloze deelringen

De hoogwaardige beelden van Cassini tonen indrukwekkend hoe fijn gestructureerd het ringenstelsel is. Hoe kunnen zulke structuren worden verklaard en hoe lang kunnen ze bestaan zonder ‘versmeerd’ te raken? Om precies te zijn gaat het niet om afzonderlijke onderringen, maar veeleer om dichtheidsvariaties. In werkelijkheid zijn de donkere gedeelten tussen de onderringen niet leeg, maar bevatten eenvoudigweg minder materiaal dan de onmiddellijke omgeving. Deze fijne structuur is naar volledige tevredenheid te verklaren met resonantie die door de kleine manen wordt opgewekt. Daarbij speelt in het bijzonder de maan Mimas een rol, doordat die zich zeer dicht bij het ringenstelsel bevindt. Zo lang deze manen hun baan trekken blijft de fijne structuur van de ringen behouden. Zonder de manen zouden deze dichtheidsvariaties in korte tijd (binnen een maand) versmeren. Hoewel de fijne structuur op zich dus niet van korte duur is biedt zij geen argument tegen een hoge ouderdom van de ringen of de ringstructuur, omdat de structuur door de manen van Saturnus actief in stand gehouden wordt.

Discussie

De discrepantie tussen de vermeende hoge ouderdom van het ringenstelsel en van het ringmateriaal enerzijds en de duidelijk geringere ouderdom van de dynamische ringstructuur stelt astronomen voor een grote uitdaging. Openlijk wordt toegegeven dat het ontstaan, de ouderdom en de instandhouding van de ringen nog onopgelost zijn. Dit werpt de terechte vraag op of de ringen jonger zijn dan tot dusver aangenomen. Gewoonlijk worden grotere catastrofen in de jongste tijd van het zonnestelsel ontkend. Maar het steeds groter wordende aantal anomalieën in het zonnestelsel (Korevaar 2007, 2014), niet alleen bij Saturnus, zou erop kunnen wijzen dat over het algemeen het ontstaansscenario van het zonnestelsel, met als laatste grote catastrofe het LHB vier miljard jaar geleden, eenvoudigweg niet volstaat als enige verklaring voor alle waarnemingen in ons zonnestelsel.

Hier dringt zich de vergelijking met de geologie op: vanaf het begin van de negentiende eeuw tot in de jaren zeventig van de twintigste eeuw werden alle geologische bevindingen verklaard binnen het raamwerk van het uniformitarianisme. Natuurrampen werden daarbij verwaarloosd als een onbeduidend randverschijnsel. Pas in de laatste decennia werd men er zich weer van bewust dat natuurrampen het aardoppervlak in belangrijke mate hebben gevormd, wat voor vele formaties een beduidend kortere ontstaanstijd te verstaan geeft.

Het is niet onwaarschijnlijk dat in de planetaire astronomie een vergelijkbare verandering in denken in aantocht is. Als er in het recente verleden van het zonnestelsel grotere natuurrampen hebben plaatsgevonden, bijvoorbeeld veroorzaakt door een beduidend hoger aantal kometen of door het uiteenbreken van een planeet tussen Mars en Jupiter, zouden vele anomalieën, met inbegrip van de vraag naar het ontstaan en de ouderdom van de ringen van Saturnus, worden opgelost.

Literatuur

Cuzzi, J.N. & Estrada, P.R., 1998, Compositional evolution of Saturn’s rings due to meteoroid bombardment, Icarus 132, 1-35.
Colwell, J.E., Esposito L.W. & Srem evi, M., 2006, Self-gravity wakes in Saturn’s A ring measured by stellar occultations from Cassini, Geophys. Res. Lett. 33, L07201.
Colwell, J.E. et al., 2007, Self-gravity wakes and radial structure of Saturn’s B ring, Icarus 190, 127-144.
Korevaar, P., 2007, Woher stammen kurzperiodische Kometen?, Stud. Integr. J. 14, 38-39.
Korevaar, P., 2014, Zu viele Zufälle im Sonnensystem, Stud. Integr. J. 21, 38-39.
Tiscareno, M.S., 2013, Planetary Rings. Planets, Stars and Stellar Systems, Volume 3, 309-375, Springer.

Dit artikel is met toestemming overgenomen uit Studium Integrale Journal. De volledige bronvermelding luidt: Korevaar, P., 2014, Das Alter der Saturnringe, Studium Integrale Journal 21 (2): 91-94 (Artikel).

1. Oorspronkelijke tekst: “Several aspects of the rings are difficult to reconcile with a ring age comparable to that of Saturn.”
2. LHB: Het Late Heavy Bombardement (laatste zware bombardement) zou zo’n vier miljard jaar geleden de onrustige ontstaansfase van het zonnestelsel hebben afgesloten. Daarbij moeten de grote gasplaneten in hun huidige stabiele baan terechtgekomen zijn en daarbij vele asteroïden en kometen verstoord en dwars door het zonnestelsel geslingerd hebben. Het gaat hierbij niet om een bewezen feit, maar om een werkhypothese.