Van de wonderen van ons zonnestelsel is er één het symbool van alles wat vreemd en buitenaards is: de majestueuze ringen van Saturnus, die schitterend en glinsterend boven de boterachtige, met wolken begroeide voorkant van de reuzenplaneet uitsteken.
De ringen, die zich bijna 300.000 kilometer van punt tot punt uitstrekken en ontelbare ijzige deeltjes bevatten, variërend in grootte van “microscopisch klein” tot “mobiel thuis”, maken Saturnus onmiskenbaar tot een blikvanger. Maar meer dan louter versiering zijn ze een van de meest blijvende raadsels in de planeetwetenschap. Simpel gezegd zijn deskundigen het er niet over eens hoe de ringen zijn ontstaan of zelfs hoe oud ze zijn. Zijn de ringen van Saturnus een oerelement van het zonnestelsel en zijn ze ongeveer 4,5 miljard jaar geleden ontstaan, toen chaos en botsingen veel van wat we vandaag zien vorm gaven? Of zijn ze veel recenter ontstaan?
Het antwoord is niet alleen van belang voor wetenschappers die werken aan het begrijpen van planetaire ringen en het reconstrueren van de geschiedenis van het zonnestelsel; het zou duizelingwekkende implicaties kunnen hebben voor astrobiologen die zich afvragen of buitenaards leven zou kunnen gedijen onder de ijzige korst van Enceladus, een kleine binnenmaan van Saturnus waarvan de begraven, wereldwijde zee wordt beschouwd als een van de beste plaatsen om te zoeken naar biologie buiten de Aarde.
Hoewel niet definitief, de beste beschikbare gegevens om het debat te beslechten zijn afkomstig uit de laatste jaren van NASA’s Cassini ruimtevaartuig, dat van 2004 tot 2017 in een baan om Saturnus draaide. Op basis van Cassini’s metingen van de massa en helderheid van de ringen, geloven veel wetenschappers nu dat ze opmerkelijk jong zijn, dat ze misschien nog maar 100 miljoen jaar geleden zijn ontstaan, toen dinosaurussen nog op aarde rondliepen – wat betekent dat Saturnus, gezien door een saurische telescoop, bizar genoeg zonder ringen had kunnen zijn.
Maar niet iedereen is overtuigd; volgens sommige critici is het gewoon te moeilijk om zulke grote ringen te maken in het relatief rustige zonnestelsel van nu en bijna vroeger.
“Ik heb geen bezwaar tegen jonge ringen. Ik denk alleen dat niemand een heel plausibele manier heeft gevonden om ze te maken,” zegt ringenexpert Luke Dones van het Southwest Research Institute. “
Een decennia oud debat
Het huidige debat over de herkomst van Saturnus’ ringen vindt zijn oorsprong in tientallen jaren geleden, vooral in de eerste verkenningen van het stelsel van dichtbij door de interplanetaire Voyager 1- en Voyager 2-missies. Uit die waarnemingen bleek dat de ringen verrassend licht waren en niet zwaar genoeg om hun parelmoeren glans te behouden gedurende de vele miljarden jaren dat het zonnestelsel bestaat. Het leek erop dat de ringen vrij jong waren, maar theoretici hadden moeite om een mechanisme te bedenken om hun relatief recente vorming te verklaren.
Toen kwam Cassini. Tegen het einde van de missie maakte het ruimtevaartuig twee dozijn gewaagde duiken tussen de wolkentoppen van Saturnus en de binnenste rand van het ringenstelsel. Terwijl het de naald in de ringen stak, mat Cassini zorgvuldig de massa van de ringen en kwam met een getal dat vergelijkbaar was met dat van de Voyager: ruwweg de helft van de massa van Mimas, een kleine ijzige maan die een griezelige gelijkenis vertoont met het ruimtestation “Death Star” uit Star Wars.
Maar dat is slechts een deel van het verhaal. Eerder in zijn missie had het ruimtevaartuig ook de randen van de ringen geschampt, stof en andere deeltjes opgeschept om te helpen schatten hoeveel donker puin de structuren uit hun omgeving hebben opgezogen – een andere cruciale meting voor het vaststellen van hun leeftijd. Cassini’s metingen van stof in de omgeving van Saturnus duidden, net als de metingen van de massa van het systeem, op jeugdige ringen: Hoewel ze voortdurend worden bestoven door donker puin van groezelige objecten in het buitenste zonnestelsel, zijn Saturnus’ ringen van waterijs nog steeds stralend wit. De logica is dat hoe ouder de ringen zijn, hoe donkerder ze zouden moeten zijn – tenzij ze massief genoeg zijn om op de een of andere manier gedurende miljarden jaren donker stof op te hopen en toch hun jeugdige glans te behouden.
Robin Canup, van het Southwest Research Institute, noemt deze bewijsvoering het “vervuilingsargument” voor jonge ringen. “Het feit dat de ringen helder zijn, zegt ons op de een of andere manier dat ze niet efficiënt zijn vervuild, of in ieder geval dat we daar geen bewijs van zien,” zegt ze.
Aanvullende waarnemingen suggereren dat de ringen niet alleen materiaal absorberen, ze verliezen het ook in enorme hoeveelheden, waarbij ze voortdurend buien van ijzige deeltjes de atmosfeer van de planeet in sturen. Volgens één schatting zouden deze buien de ringen binnen 300 miljoen jaar kunnen uitputten, zodat Saturnus’ meest kenmerkende eigenschap wel eens verrassend kortstondig zou kunnen zijn.
“Het idee dat ze er 4,5 miljard jaar kunnen zijn, is echt niet uit te leggen.
Het idee dat ze er 4,5 miljard jaar kunnen zijn, is voor mij niet uit te leggen,” zegt Erik Asphaug van de universiteit van Arizona, die de wisselwerking tussen Saturnus’ ringen en zijn vele manen bestudeert.
Jonge ringen, op bestelling
Evengoed zijn er nog veel dwingende argumenten tegen de vermeende jeugdige ringen van Saturnus. Het maken van zo’n uitgebreid ringensysteem zo kort geleden, blijkt geen geringe opgave; de kansen zijn er niet naar. Zeker, de planeet zou een passerende komeet geheel of gedeeltelijk in stukken kunnen hebben geschoten, waarbij de gestripte resten in ringen werden verstrooid; of, ja, misschien is een tussenliggend object wel tegen een van Saturnus’ manen gebotst, waarbij ringen werden gevormd uit de uit elkaar gespatte, verpulverde maankorrels. Maar voor elke eerlijke theoreticus rieken zulke scenario’s naar een speciaal pleidooi.
“We hebben een vrij goed idee, een telling, van hoeveel kometen er in het buitenste zonnestelsel rondvliegen, en je hebt er gewoon niet genoeg om dat scenario waarschijnlijk te maken,” zegt Dones. “In de laatste honderden miljoenen jaren is de kans daarop misschien een paar procent.”
Maar stel dat er helemaal geen kometen in het spel waren – dat de moederlichamen van de ring helemaal van binnen en niet van buiten het Saturnusstelsel afkomstig zouden zijn. Toen Matija Ćuk van het SETI Instituut en zijn collega’s de vreemde banen van de nabije manen van de planeet bestudeerden, vonden zij iets verrassends. In computermodellen die de banen van deze manen terug in de tijd traceerden, ging alles zo’n 100 miljoen jaar geleden een beetje uit de hand, waarbij de manen in banen werden geduwd die vandaag de dag eenvoudigweg niet worden waargenomen.
“Hun banen worden veel meer uit het vlak van de evenaar van Saturnus geduwd dan wij waarnemen,” zegt Ćuk. “Dat betekent dat de geschiedenis die we nu modelleren nooit heeft plaatsgevonden, en dat de huidige manen jonger moeten zijn dan dat.”
Met andere woorden, een vroeger systeem van manen moet zijn herschikt tot het systeem dat we nu zien.
In het begin was het niet duidelijk wat de oorzaak van deze herschikking zou kunnen zijn, maar later werk wees op een onverwachte boosdoener: de zon. Zelfs over grote afstanden kan de zwaartekracht van de zon de bewegingen van planeten verstoren, en wat nog belangrijker is voor dit verhaal, hun manen. Ćuk en zijn collega’s ontdekten dat het mogelijk is dat de baan van Saturnus een punt heeft bereikt waarop de ijle zwaartekracht van de zon een grote, binnenste maan een andere kant op kan duwen, wat kan leiden tot een botsing met een broer of zus.
“En dan vorm je een ring die tien keer zo groot is als de ring die je nu hebt, waarvan een deel aangroeit en nieuwe manen vormt,” zegt hij.
Een verwarrend gevolg van dit scenario is dat de bestaande binnenste manen van Saturnus, zoals Ćuk zegt, zouden zijn samengesmolten en gegroeid uit de brokstukken van de botsing – wat betekent dat Enceladus, Mimas en elk lichaam dat even dicht of dichter bij de planeet draait dan de grote maan Rhea, ook ongeveer 100 miljoen jaar oud zouden zijn. Dit scenario staat echter in schril contrast met leeftijdsschattingen voor de binnenste manen op basis van het tellen van kraters op hun oppervlak. Ook zou een jonge Enceladus grote problemen kunnen opleveren voor astrobiologen die hopen dat de globale, ondergrondse zee van de maan lang genoeg heeft bestaan om daar leven te laten ontstaan.
“Ik denk niet dat mensen dat graag horen,” zegt Ćuk.
Canup en anderen zeggen dat de hypothese van Ćuk weliswaar plausibel is, maar niet verklaart hoe het materiaal dat ontstaat bij een maan-botsing een ring zou kunnen vormen. Om dat te doen, zou het puin van de botsing dicht genoeg bij Saturnus moeten zijn zodat de zwaartekracht van de planeet het verspreid houdt, in plaats van in de verder afgelegen gebieden waar manen worden gevormd en leven.
“Hoe krijg je materiaal van dat soort botsingen terug in lage banen waar de ringen zijn, en hoe krijg je dat materiaal dat alleen maar ijs is?” vraagt Canup zich af.
Primordiale vervuiling?
Het is een feit dat oudere ringen gewoon makkelijker te maken zijn. Miljarden en miljarden jaren geleden, toen de planeten zich op hun huidige positie vestigden, schoten ze kleinere lichamen door het zonnestelsel als overgeëvaporeerde biljarters met een wankel doel. Dus, zegt Canup, de meest voor de hand liggende verklaring is dat een of ander oeroud cataclysme de voorheen ringloze wereld heeft opgesierd, en wetenschappers moeten hun verontreinigingsargument dat op jonge ringen wijst, opnieuw bekijken.
Als de snelheid waarmee donker stof op de ringen valt, varieert in de tijd, of als de basisaannames over hoe dat stof de ringen donkerder maakt, onjuist zijn, dan is het mogelijk dat de ringen oeroud zijn – zij het met een bovenaards glanzende glans.
“Het is duidelijk dat sneeuw mooi en helder is als het valt, en er is niet veel vuil nodig om de sneeuw er heel donker uit te laten zien,” zegt Dones. Maar, zo merkt hij op, door de snelle botsingen tussen stof en ijzige ringdeeltjes kleuren de ringen misschien niet precies zoals wetenschappers vermoeden, en wordt er misschien minder schaduw afgezet dan verwacht.
Voller voor het verhaal van de oude ringen, zegt Canup, zijn simulaties van een oude, ringvormende botsing. Als de oorspronkelijke massa van het puin aanzienlijk groter is dan die in de huidige ringen, zal het zich snel verspreiden en verdwijnen. Een deel ervan zal in Saturnus vallen, een deel zal in een baan om Saturnus ontsnappen, en de rest zal in manen en ringen terechtkomen. Vreemd genoeg, zegt ze, of je nu begint met één of tien keer de massa van Mimas, over miljarden jaren zal het volgens de basisdynamica in de baan uitmonden in bijna de exacte hoeveelheid materiaal die we nu zien.
“De ringen hebben toevallig precies de massa die je zou verwachten als ze vier miljard jaar lang zouden hebben gebotst en zich zouden hebben verspreid,” zegt Canup. En wanneer de waarnemingen van Cassini tegelijkertijd oude ringen en jonge ringen ondersteunen, zij het op verschillende manieren, is het lastig om tot een definitief antwoord te komen.
“Wanneer je voorspellingen of interpretaties hebt die onafhankelijk van elkaar zijn en uiteindelijk haaks op elkaar staan, wordt het interessant,” zegt ze.
One Ring (System) to Rule Them All
Onze meanderende pogingen om de waarheid van Saturnus te achterhalen zijn verre van compleet. Iets heeft ringen om de planeet gelegd, ook al begrijpen we nog niet hoe.
“Ik zie het Saturnus-systeem alsof het midden in een cascade zit – een chaotische cascade. Het ziet er voor mij niet af uit,” zegt Asphaug.
Het hele Saturnus-systeem is inderdaad een raadsel. Niet alleen de ringen van de planeet zijn verbijsterend, maar ook de enorme verscheidenheid aan manen is moeilijk te verklaren. Van Iapetus, een tweekleurige maan die op een walnoot lijkt door een bizarre equatoriale kam en afgeplatte polen, tot de wazige Titan, een gigantische maan met olieachtige meren en een buitenaardse chemie, tot binnenste manen die ooit zelf ringen gehad zouden kunnen hebben, het Saturnus systeem is een cornucopia van rariteiten. Dus elk verhaal dat pretendeert de ringen te verklaren, moet op de een of andere manier ook rekenschap geven van deze en andere rariteiten.
“Ik zie een heleboel onmogelijke geologische dingen. Ik zie een planeet die op Callisto zou moeten lijken, maar in plaats daarvan op Titan lijkt. Ik zie satellieten die niet zouden moeten bestaan, zoals Enceladus en Mimas, die een zware kratergeschiedenis hebben – of dat betekent dat ze oud zijn of niet, weten we niet. En dan zie je Enceladus als een raket uitbarsten, en dat is het meest betrouwbare eruptieve lichaam in het zonnestelsel, en dat begrijp ik als geoloog niet,” zegt Asphaug. “Mimas wordt meer verwarmd door de getijden dan Enceladus en het is zo dood als een pier. Het slaat allemaal nergens op!”
De oplossingen voor Saturnus’ mysteries liggen misschien in het domein van de planetaire dynamica, waar simulaties van zwaartekrachtinteracties het verleden (en de toekomst) reconstrueren van wat we vandaag de dag waarnemen. Of het antwoord zou kunnen berusten op onderzoek in laboratoria naar botsingen met hoge snelheid tussen donker stof en ijsdeeltjes, om te bepalen hoe stof ijs precies kleurt. Het zou kunnen betekenen dat aannames over hoe waarschijnlijk het is dat een komeet een noodlottige ontmoeting met Saturnus zal hebben, opnieuw moeten worden onderzocht. Of er moet een gedetailleerdere analyse worden gemaakt van de gerafelde oppervlakken van Saturnus’ binnenste manen, om hun ware leeftijd beter te leren kennen, misschien met een ander ruimteschip dat in de buurt van de planeet rondzwerft.
“Dat oude idee dat de ringen oeroud zijn en gestaag zijn bestookt met vervuilend materiaal dat hetzelfde is als wat we nu zien? Dat idee werkt niet,” zegt Larry Esposito, van de Universiteit van Colorado Boulder. “Maar welk mogelijk mechanisme zou ringen zo recent kunnen vormen? Geen enkele bestaande theorie is bevredigend.”