Von den Wundern unseres Sonnensystems ist eines das Sinnbild für alles, was fremd und jenseitig ist: die majestätischen Ringe des Saturns, die sich glänzend und schimmernd über dem butterweichen, wolkenverhangenen Gesicht des Riesenplaneten erheben.
Mit einer Ausdehnung von fast 300.000 Kilometern von Spitze zu Spitze und unzähligen eisigen Partikeln, deren Größe von „mikroskopisch“ bis „Wohnmobil“ reicht, sind die Ringe ein unbestreitbarer Blickfang des Saturn. Aber sie sind mehr als nur Dekoration, sie sind eines der dauerhaftesten Rätsel der Planetenforschung. Vereinfacht gesagt, sind sich die Experten nicht einig, wie sich die Ringe gebildet haben oder sogar wie alt sie sind. Sind die Ringe des Saturn ein ursprüngliches Merkmal des Sonnensystems, das vor etwa 4,5 Milliarden Jahren entstand, als Chaos und Kollisionen vieles von dem formten, was wir heute sehen?
Die Antwort ist nicht nur für Wissenschaftler wichtig, die daran arbeiten, Planetenringe zu verstehen und die Geschichte des Sonnensystems zu rekonstruieren; sie könnte auch schwindelerregende Auswirkungen für Astrobiologen haben, die sich fragen, ob außerirdisches Leben unter der eisigen Kruste von Enceladus gedeihen könnte, einem kleinen inneren Saturnmond, dessen vergrabenes, globales Meer als einer der besten Orte gilt, um nach Biologie außerhalb der Erde zu suchen.
Die besten verfügbaren Daten, um die Debatte zu klären, stammen aus den letzten Jahren der NASA-Raumsonde Cassini, die den Saturn von 2004 bis 2017 umkreiste, obwohl sie nicht endgültig sind. Basierend auf Cassinis Messungen der Masse und Helligkeit der Ringe glauben viele Wissenschaftler nun, dass sie bemerkenswert jung sind und vielleicht erst vor 100 Millionen Jahren entstanden sind, als die Dinosaurier noch auf der Erde lebten – was bedeutet, dass der Saturn, durch ein saurisches Teleskop betrachtet, auf bizarre Weise ohne Ringe gewesen sein könnte.
Aber nicht jeder ist davon überzeugt; es ist einfach zu schwierig, sagen einige Kritiker, solch ausgedehnte Ringe in dem relativ ruhigen Sonnensystem von heute und vorgestern herzustellen.
„Ich habe nichts gegen junge Ringe. Ich denke nur, dass niemand einen sehr plausiblen Weg gefunden hat, sie zu erzeugen“, sagt Ringexperte Luke Dones vom Southwest Research Institute. „Es erfordert ein unwahrscheinliches Ereignis.“
Eine jahrzehntealte Debatte
Die heutige Debatte über die Herkunft der Saturnringe geht auf mehrere Jahrzehnte zurück, vor allem auf die erste Naherkundung des Systems durch die interplanetaren Missionen Voyager 1 und Voyager 2. Diese Beobachtungen deuteten darauf hin, dass die Ringe überraschend leicht waren und nicht genug Gewicht besaßen, um ihren perlmuttartigen Schimmer über die Milliarden Jahre der Geschichte des Sonnensystems hinweg zu behalten. Die Ringe schienen recht jung zu sein – doch Theoretiker taten sich schwer, einen Mechanismus zu finden, der ihre relativ junge Entstehung erklären könnte.
Dann kam Cassini. Gegen Ende der Mission führte die Raumsonde zwei Dutzend waghalsige Tauchgänge zwischen den Wolkengipfeln des Saturns und dem innersten Rand des Ringsystems durch. Beim Einfädeln dieser Nadel maß Cassini sorgfältig die Masse der Ringe und kam zu einer Zahl, die der von Voyager ähnelt: etwa die Hälfte der Masse von Mimas, einem kleinen Eismond, der eine unheimliche Ähnlichkeit mit der Raumstation „Todesstern“ aus Star Wars hat.
Aber das ist nur ein Teil der Geschichte. Zuvor hatte die Sonde auch die Ränder der Ringe gestreift und dabei Staub und andere Partikel aufgesammelt, um abzuschätzen, wie viel dunkle Trümmer die Strukturen aus ihrer Umgebung aufgesaugt haben – eine weitere wichtige Messung, um ihr Alter zu bestimmen. Ebenso wie die Messungen der Masse des Systems deuteten auch Cassinis Messungen des Staubs in der Umgebung des Saturns auf junge Ringe hin: Obwohl sie ständig von dunklen Trümmern bestäubt werden, die von schmuddeligen Objekten im äußeren Sonnensystem abgeworfen werden, sind die aus Wassereis bestehenden Ringe des Saturn immer noch strahlend weiß. Je älter die Ringe sind, desto dunkler sollten sie sein – es sei denn, sie sind massiv genug, um über Milliarden von Jahren dunklen Staub anzusammeln und trotzdem ihren jugendlichen Glanz zu bewahren.
Robin Canup vom Southwest Research Institute nennt diese Beweisführung das „Verschmutzungsargument“ für junge Ringe. „Die Tatsache, dass die Ringe hell sind, sagt uns in gewisser Weise, dass sie nicht effizient verschmutzt wurden, oder dass wir zumindest keine Beweise dafür sehen“, sagt sie.
Zusätzliche Beobachtungen deuten darauf hin, dass die Ringe nicht nur Material aufnehmen, sondern es auch in massiven Mengen verlieren, indem sie ständig Schauer von eisigen Partikeln in die Atmosphäre des Planeten schicken. Eine Schätzung besagt, dass solche Schauer die Ringe innerhalb von 300 Millionen Jahren aufbrauchen könnten. Es scheint also, dass das markanteste Merkmal des Saturns in der Tat überraschend vergänglich sein könnte.
„Die Idee, dass sie für 4.Die Vorstellung, dass sie 4 bis 5 Milliarden Jahre existieren könnten, ist für mich unerklärlich“, sagt Erik Asphaug von der University of Arizona, der die Wechselwirkungen zwischen den Ringen und den vielen Monden des Saturns erforscht.
Junge Ringe, wie sie im Buche stehen
Allerdings gibt es viele zwingende Argumente, die gegen die vermeintlich jungen Ringe des Saturns sprechen. Es stellt sich heraus, dass die Entstehung eines so ausgedehnten Ringsystems in so kurzer Zeit keine kleine Aufgabe ist; die Chancen stehen schlecht dagegen. Sicher, der Planet könnte einen vorbeiziehenden Kometen ganz oder teilweise zerfetzt haben, wobei die abgestreiften Überreste zu Ringen verstreut wurden; oder, ja, vielleicht ist ein eindringendes Objekt in einen der Saturnmonde eingeschlagen und hat aus den zerstreuten, pulverisierten Mondstücken Ringe gebildet. Aber für jeden ehrlichen Theoretiker haben solche maßgeschneiderten Szenarien den Beigeschmack von Sonderwünschen.
„Wir haben eine ziemlich gute Vorstellung, eine Zählung, wie viele Kometen um das äußere Sonnensystem fliegen, und man hat einfach nicht genug von ihnen, um dieses Szenario wahrscheinlich zu machen“, sagt Dones. „Innerhalb der letzten Hunderte von Millionen Jahren liegt die Wahrscheinlichkeit dafür vielleicht bei ein paar Prozent.“
Aber nehmen wir stattdessen an, dass überhaupt keine Kometen involviert waren – dass die Mutterkörper des Rings komplett aus dem Inneren und nicht von außerhalb des Saturnsystems stammen. Matija Ćuk vom SETI Institute und seine Kollegen fanden bei der Untersuchung der kuriosen Umlaufbahnen der nahegelegenen Monde des Planeten etwas Überraschendes. In Computermodellen, die die Bahnen dieser Monde in die Vergangenheit zurückverfolgten, lief vor etwa 100 Millionen Jahren alles ein wenig aus dem Ruder: Die Monde wurden auf Bahnen geschoben, die heute einfach nicht mehr beobachtet werden.
„Ihre Bahnen werden viel mehr aus der Ebene des Saturnäquators herausgeschlagen, als wir beobachten“, sagt Ćuk. „Das bedeutet, dass diese Geschichte, die wir modellieren, nie stattgefunden hat, und die heutigen Monde müssen jünger sein als das.“
Mit anderen Worten, ein früheres System von Monden muss in das System umgewandelt worden sein, das wir heute sehen.
Zunächst war nicht klar, was diese Umordnung hervorgerufen haben könnte, aber spätere Arbeiten haben einen unerwarteten Schuldigen ausgemacht: die Sonne. Selbst über große Entfernungen hinweg kann die Schwerkraft der Sonne die Bewegungen von Planeten – und, was für diese Geschichte noch wichtiger ist, ihrer Monde – stören. Ćuk und seine Kollegen fanden heraus, dass es möglich ist, dass sich die Umlaufbahn des Saturns einem Punkt genähert hat, an dem der schwache Gravitationseinfluss der Sonne einen großen inneren Mond auf eine andere Bahn schieben könnte, was zu einer Kollision mit einem Geschwisterchen führt.
„Und dann bildet man einen Ring, der zehnmal größer ist als der Ring, den man jetzt hat, von dem ein Teil akkretiert und neue Monde bildet“, sagt er.
Eine verwirrende Konsequenz dieses Szenarios ist, dass die existierenden inneren Monde des Saturns, wie Ćuk sagt, aus den Trümmern der Kollision zusammengewachsen wären – was bedeutet, dass Enceladus, Mimas und jeder Körper, der den Planeten so nah oder näher umkreist als der große Mond Rhea, ebenfalls etwa 100 Millionen Jahre alt sein würde. Dieses Szenario steht jedoch in krassem Gegensatz zu den Altersschätzungen für die inneren Monde, die auf dem Zählen von Kratern auf ihren Oberflächen basieren. Außerdem könnte ein junger Enceladus Astrobiologen vor große Probleme stellen, die hoffen, dass das globale, unterirdische Meer des Mondes lange genug existiert hat, damit sich dort Leben entwickeln konnte.
„Ich glaube nicht, dass die Leute das gerne hören“, sagt Ćuk.
Canup und andere sagen, dass Ćuks Hypothese zwar plausibel ist, aber nicht erklärt, wie das Material, das bei einer Mond-Mond-Kollision entsteht, einen Ring bilden würde. Dazu müssten sich die Trümmer der Kollision nahe genug am Saturn befinden, damit die Schwerkraft des Planeten sie verstreut hält, anstatt in den weiter entfernten Regionen, wo sich Monde bilden und leben.
„Wie bekommt man Material von dieser Art von Kollision zurück in niedrige Umlaufbahnen, wo die Ringe sind, und wie bekommt man dieses Material dazu, nur aus Eis zu bestehen?“ fragt Canup.
Primordiale Verschmutzung?
Tatsache ist, dass ältere Ringe einfach einfacher zu machen sind. Vor Milliarden und Abermilliarden von Jahren, als sich die Planeten in ihre heutige Position begaben, schossen sie kleinere Körper durch das Sonnensystem wie überkoffeinierte Billardspieler mit wackligem Ziel. Also, sagt Canup, ist die parsimonischste Erklärung, dass irgendein uralter Kataklysmus die zuvor ringlose Welt geschmückt hat, und die Wissenschaftler müssen ihr Verschmutzungsargument, das auf junge Ringe hindeutet, überdenken.
Wenn die Rate, mit der dunkler Staub auf die Ringe fällt, im Laufe der Zeit variiert, oder wenn grundlegende Annahmen darüber, wie dieser Staub die Ringe verdunkelt, falsch sind, ist es möglich, dass die Ringe ursprünglich sind – wenn auch mit einem übernatürlich hellen Glanz.
„Es ist klar, dass Schnee schön und hell ist, wenn er fällt, und es braucht nicht viel Schmutz, um den Schnee ziemlich dunkel aussehen zu lassen“, sagt Dones. Aber er merkt an, dass Hochgeschwindigkeitseinschläge zwischen Staub und eisigen Ringpartikeln die Ringe vielleicht nicht genau so färben, wie die Wissenschaftler vermuten, und vielleicht weniger Schatten ablagern als erwartet.
Überzeugender für die Geschichte mit den alten Ringen, sagt Canup, sind Simulationen einer uralten, ringbildenden Kollision. Wenn die anfängliche Masse der Trümmer wesentlich größer ist als die der heutigen Ringe, wird sie sich schnell ausbreiten und auflösen. Ein Teil davon wird in den Saturn fallen, ein Teil wird in die Umlaufbahn entweichen, und der Rest wird sich in Monden und Ringen absetzen. Merkwürdigerweise sagt sie, dass unabhängig davon, ob man mit der ein- oder zehnfachen Masse von Mimas beginnt, die grundlegende Bahndynamik darauf hindeutet, dass sich über Milliarden von Jahren fast genau die Menge an Material absetzen wird, die wir heute sehen.
„Die Ringe haben zufällig genau die Masse, die man erwarten würde, wenn sie vier Milliarden Jahre lang kollidiert wären und sich ausgebreitet hätten“, sagt Canup. Und wenn Cassini-Beobachtungen gleichzeitig alte Ringe und junge Ringe unterstützen, wenn auch auf unterschiedliche Weise, ist es schwierig, eine endgültige Antwort zu finden.
„Wenn man Vorhersagen oder Interpretationen hat, die unabhängig voneinander sind und am Ende im Widerspruch zueinander stehen, wird es interessant“, sagt sie.
One Ring (System) to Rule Them All
Unsere mäandernden Bemühungen, die Wahrheit über den Saturn herauszufinden, sind noch lange nicht abgeschlossen. Irgendetwas hat Ringe um den Planeten gelegt, auch wenn wir noch nicht verstehen, wie.
„Ich sehe das Saturnsystem als inmitten einer Kaskade – einer chaotischen Kaskade. Es sieht für mich nicht fertig aus“, sagt Asphaug.
In der Tat ist das gesamte Saturnsystem so etwas wie ein Rätsel. Nicht nur die Ringe des Planeten sind rätselhaft, auch die vielen verschiedenen Monde sind schwer zu erklären. Von Iapetus, einem zweifarbigen Mond, der aufgrund eines bizarren Äquatorialkamms und abgeflachter Pole einer Walnuss ähnelt, über den dunstigen Titan, einen riesigen Mond mit öligen Seen und außerirdischer Chemie, bis hin zu inneren Monden, die einst selbst Ringe gehabt haben könnten, ist das Saturnsystem ein Füllhorn an Seltsamkeiten. Jede Geschichte, die vorgibt, die Ringe zu erklären, muss also auch irgendwie diese und andere Merkwürdigkeiten erklären.
„Ich sehe eine Menge unmöglicher geologischer Dinge. Ich sehe einen Planeten, der wie Kallisto aussehen sollte, aber stattdessen wie Titan aussieht. Ich sehe Satelliten, die nicht existieren sollten, wie Enceladus und Mimas, die eine schwere Kratergeschichte haben – ob das bedeutet, dass sie alt sind oder nicht, wissen wir nicht. Und dann sieht man, dass Enceladus wie eine Rakete abgeht, und er ist der zuverlässigste eruptive Körper im Sonnensystem, und das ergibt für mich als Geologe keinen Sinn“, sagt Asphaug. „Mimas wird durch die Gezeiten stärker aufgeheizt als Enceladus, und er ist mausetot! Nichts davon macht Sinn!“
Die Lösungen für die Rätsel des Saturn liegen vielleicht im Bereich der Planetendynamik, wo Simulationen der Gravitationswechselwirkungen die Vergangenheit (und Zukunft) dessen rekonstruieren, was wir heute beobachten. Oder die Antwort könnte auf laborgestützten Untersuchungen von Hochgeschwindigkeitskollisionen zwischen dunklem Staub und eisigen Partikeln beruhen, um festzustellen, wie genau Staub das Eis färbt. Es könnte bedeuten, Annahmen darüber zu überprüfen, wie wahrscheinlich es ist, dass ein Komet eine schicksalhafte Begegnung mit Saturn hat. Oder es könnte eine detailliertere Analyse der zerkratzten Oberflächen von Saturns Gefolge innerer Monde erfordern, um ihr wahres Alter besser zu kennen, vielleicht durch eine weitere Raumsonde, die in die Nachbarschaft des Planeten geschickt wird.
„Diese alte Idee, dass die Ringe uralt sind und ständig von verschmutzendem Material bombardiert wurden, das dem entspricht, was wir heute sehen? Diese Idee funktioniert nicht“, sagt Larry Esposito von der University of Colorado Boulder. „Aber welcher mögliche Mechanismus könnte Ringe in so kurzer Zeit bilden? Keine bestehende Theorie ist zufriedenstellend.“