In het inwendige van de op één na grootste planeet van het zonnestelsel – vernoemd naar de Romeinse god van de overvloed – ligt een onverwachte schat verborgen: de reusachtige kern van Saturnus blijkt tot wel zestig procent van de diameter van de gasreus te beslaan. De omvang van de nu opnieuw opgemeten kern van Saturnus kan mede worden afgeleid uit subtiele rimpelingen in de ringen rond de planeet, die erop wijzen dat het binnenste van Saturnus bestaat uit een zompige brei van ijs, gesteente en gas met onregelmatige grenzen.
“Hij is reusachtig,” zegt Chris Mankovich van het California Institute of Technology (Caltech), een van de auteurs van een nieuwe studie in het tijdschrift Nature Astronomy waarin de kern van Saturnus wetenschappelijk is beschreven. “Het was zeker niet iets wat we hadden verwacht.”
De kenmerken van Saturnus’ immense hart dwingt wetenschappers ertoe om de ontstaansgeschiedenis van de geringde planeet en het mechanisme achter zijn merkwaardig regelmatige magneetveld te herzien. “Het blijkt nog ingewikkelder te zijn dan we dachten,” zegt planetologe Sabine Stanley van de Johns Hopkins University, die niet bij de nieuwe studie was betrokken.
Om het inwendige van Saturnus te bestuderen keken de wetenschappers naar de ringen rond de planeet, die als een soort seismograaf fungeren en zo het interne geklots en de pulseringen van de kern verraden. Door subtiele rimpelingen in de ringen te ontcijferen kon het team aantonen dat het hart van Saturnus uit zeventien aardmassa’s aan materie bestaat en dat het niet de bescheiden en compacte kern van steen en ijzer is die de wetenschappers hadden verwacht.
“Het is echt moeilijk om iets over de diepste regio’s van een planeet te weten te komen, vooral van de reuzenplaneten,” zegt Stanley. “Alle informatie die we kunnen bemachtigen, verbetert het beeld dat we eerder hadden.”
De wetenschappers moeten nu uitzoeken hoe gasreuzen als Saturnus met zo’n grote en chaotische kern zo groot konden worden. En om de zaken nog ingewikkelder te maken, maakt de nu onthulde kern van Saturnus het lastiger om te verklaren welk mechanisme achter het krachtige magneetveld van de planeet steekt.
“Een heet hangijzer wat betreft Saturnus is dat we geen goede verklaring hebben voor zijn magneetveld, dat om meerdere redenen tamelijk bizar is,” zegt Mankovich. “Het gaat om een zeer ongebruikelijk beeld voor het binnenste van een planeet.”
Inkijkje in Saturnus
Saturnus is waarschijnlijk het bekendst om zijn glinsterende ringen, die een baan rond de planeet vormen en van enige afstand vaste schijven lijken te zijn. In werkelijkheid bestaan ze uit ontelbare brokken ijs, waarvan sommige zo groot zijn als huizen en andere zo klein als kiezels. Door de wisselwerking met de zwaartekracht van Saturnus en zijn vele manen wordt er van alle kanten aan deze ijsbrokken getrokken. Sommige maantjes banen zich een weg door de ringen en creëren zo lege banen, terwijl andere de randen ervan ‘snoeien’ en strak houden.
Lees ook: Ontdekking van 20 nieuwe manen geeft Saturnus recordstatus
De ringen vertellen ook veel over de mechanismen in het inwendige van Saturnus. Normaliter maken wetenschappers gebruik van fluctuaties in het zwaartekrachtsveld van een planeet om diep in zijn binnenste te kijken, maar in het geval van een gasreus als Saturnus heeft deze methode een ondiep bereik. Maar de ringen kunnen wél iets zeggen over het hart van de planeet.
In de vroege jaren negentig stelde planetoloog Mark Marley dat wervelingen in het binnenste van Saturnus tot zichtbare rimpelingen in de C-ring van de planeet zouden moeten leiden. De C-ring is een brede maar niet erg heldere ring die een nabije baan om de gasreus vormt. Terwijl de vloeibare kern van Saturnus heen en weer klotst, ontstaan er regelmatige pulseringen. Via de zwaartekracht creëert de wisselwerking tussen deze schommelingen en de brokstukken in de ringen zogenaamde spiraaldichtheidsgolven binnen de C-ring.
Al deze hypotheses “blijken honderd procent te kloppen,” zegt Mankovich. Maar er zijn twintig jaar en een miljarden dollars kostende ruimtemissie voor nodig geweest om deze voorspellingen definitief te bevestigen.
In 2013 wisten wetenschappers die onderzoek deden naar de gegevens van de NASA-sonde Cassini – die van 2004 tot 2017 in een omloopbaan rond Saturnus vloog – voor het eerst seismische handtekeningen van het binnenste van de planeet in de ringen te ontwaren en die te gebruiken om de kern van de planeet nader te onderzoeken. Het Cassini-team bedacht de term ‘krono-seismologie’ om dit nieuwe onderzoekterrein te omschrijven en slaagde erin om de meeste van de waargenomen rimpelingen in verband te brengen met fluctuaties in het binnenste van Saturnus. In 2019 konden andere wetenschappers met behulp van krono-seismologisch onderzoek vaststellen dat Saturnus ongeveer elke tien uur en 33 minuten om zijn as draait.
“Het is niet een onderzoeksgebied voor ongeduldige mensen,” zegt Marley grinnikend. Hij is inmiddels verbonden aan de University of Arizona en was een van de wetenschappers die de nieuwe studie voor publicatie heeft beoordeeld. “Gebleken is dat al deze golven reëel zijn en dat zo’n 25 van deze rimpelingen zich min of meer gedragen zoals we hadden voorspeld.”
Maar er is minstens één golf die Marley niet had voorspeld en dat is de rimpeling die nu door Mankovich en Jim Fuller van Caltech is gebruikt om diep in het hart van Saturnus te kijken.
“Ze weten overtuigend aan te tonen dat je deze extra golf samen met alle andere golven kunt verklaren als je ervan uitgaat dat Saturnus een rafelige, niet vastomlijnde kern heeft,” zegt Marley. “Deze specifieke spiraaldichtheidsgolf in de ringen van Saturnus is bijzonder gevoelig voor hetgeen zich diep in de planeet afspeelt.”
Lees ook: Hoe lang duurt een dag op Saturnus?
Kolossaal hart
Aan de hand van de bewegingen van die rimpeling ontdekten Mankovich en Fuller dat de kolossale kern van Saturnus het grootste deel van de planeet uitmaakt. In tegenstelling tot de verwachtingen bestaat die kern niet uit een solide bol van gesmolten steen en ijzer, maar uit een diffuse brei van waterstof, helium, ijs en gesteente. Als je Saturnus doormidden zou snijden, zou je dus niet de keurige lagen zien die je in het binnenste van een ui, een toverbal of de planeet aarde zou zien. In plaats daarvan heeft Saturnus’ kern geen duidelijk afgebakende grens. Hoe dieper je in het interieur van de planeet doordringt, des te hoger wordt de dichtheid van de aanwezige materie.
Gezien de extreme temperaturen en dichtheden die in de kern van Saturnus heersen, gedragen gassen zich daar meer als metallische vloeistoffen dan als gassen. De kern is een chaotische mix van exotische materialen die in laboratoria op aarde moeilijk zijn na te bootsen. Toen Mankovich en Fuller zagen hoe buitenissig hun interpretatie van Saturnus’ kern was, probeerden ze eerst een andere verklaring voor de seismische rimpelingen in de ringen van de planeet te vinden.
“We hebben alles geprobeerd om onze eigen interpretatie onderuit te halen,” zegt hij, maar het nieuwe beeld van Saturnus’ kern “lijkt aan de vereisten van alle meetgegevens te voldoen.”
Hoewel het nieuwe model van het hart van Saturnus verrassend is, komt het goed overeen met de schat aan zwaartekrachtsmetingen die van en rond de gasreus zijn verzameld. En het sluit ook aan bij de resultaten van de NASA-sonde Juno, waaruit blijkt dat de kern van Jupiter uit een soortgelijke brei van ingrediënten zou kunnen bestaan.
Maar Jupiter heeft helaas geen dicht ringenstelsel die fluctuaties in het binnenste van de planeet kan weerspiegelen. “We zouden een van de maantjes van Jupiter moeten opblazen,” grapt Marley, om een ring te creëren die de pulseringen in het hart van Jupiter zou vastleggen.
Bekijk de fotogalerij: Is er leven mogelijk op de maan van Saturnus?
Nog veel raadsels
De klassieke ontstaansgeschiedenis van een grote gasreus begint met brokjes materie die samenklonteren en zo steeds grotere en dichtere brokstukken vormen. Deze brokstukken vormen uiteindelijk een protoplaneet met voldoende massa om door zijn zwaartekracht omringende wolken van gas in te vangen. Maar het is niet duidelijk of in dit scenario een kern kan ontstaan zoals die nu door Mankovich en Fuller is beschreven.
Lees ook: Is er leven mogelijk op de maan van Saturnus?
Het is mogelijk dat de kern van Saturnus zich in de loop van zijn 4,5 miljard jaar langzaam verder heeft ontwikkeld, waarbij steeds meer metallische waterstof is ontstaan of zich andere, nog onbekende processen hebben afgespeeld. “We weten het gewoon nog niet,” zegt Mankovich.
Een andere verrassing is het feit dat Mankovich en Fuller tot de slotsom kwamen dat er in de kern van Saturnus geen convectie plaatsvindt, wat betekent dat de hitte er niet wordt verspreid zoals werd aangenomen. Deze observatie zou kunnen verklaren waarom Saturnus in het infrarood zo verrassend helder straalt. “Jupiter is ongeveer zo helder als je mag verwachten na 4,5 miljard jaar van ontwikkeling, maar Saturnus is veel te helder,” zegt Marley. “Omdat in Saturnus’ kern geen convectie plaatsvindt, koelt de planeet minder snel af en straalt hij dus helderder in infrarood dan je zou verwachten.”
Maar een niet-convectieve kern sluit niet goed aan op de aanwezigheid van het krachtige magneetveld rond Saturnus. Normaliter worden planetaire magneetvelden aangedreven door een dynamo: een roterende en convectieve laag van elektrisch geleidende vloeistof in de kern van de planeet. Maar volgens de nieuwe studie is dat binnen Saturnus dus onmogelijk, aangezien zestig procent van de gasreus niet-convectief is. Wetenschappers vragen zich nu af of er binnenin de kern of misschien net daarbuiten een dunne laag vloeibare metallische waterstof rondkolkt.
Maar ook dat soort ideeën kunnen niet goed verklaren waarom Saturnus zo’n verrassend symmetrisch magneetveld heeft en zo anders is dan de gekantelde en onregelmatige magneetvelden van bijvoorbeeld Jupiter en de aarde. Een van de verklaringen kan zijn dat dat magnetische veldlijnen die in het binnenste van Saturnus worden opgewekt, als het ware worden rechtgetrokken in een laag in de atmosfeer van de gasreus waar het helium regent, nog voordat de veldlijnen de buitenste atmosfeer van Saturnus bereiken. Maar ook dat scenario sluit niet goed aan op de aanwezigheid van een kern met een omvang zoals die in de nieuwe studie is vastgesteld.
“Het is erg moeilijk om magnetische veldlijnen op zo’n manier te reguleren, zeker in het geval van een dynamo en al helemaal op de schaal van een reuzenplaneet,” zegt Stanley, die samen met Mankovich en Fuller de puzzel van Saturnus’ magneetveld probeert op te lossen. “Dit is wat wetenschap zo leuk maakt.”
Om antwoorden op al deze Saturniaanse vragen te vinden, zullen onderzoekers de schat aan informatie moeten doorspitten die de Cassini-sonde heeft verzameld, verfijnde simulaties van het binnenste van de planeet op supercomputers moeten doorvoeren en experimenten met telescopen op aarde moeten uitvoeren. En in de toekomst zullen wetenschappers al deze methoden ook kunnen gebruiken om de ringen rond de andere gasreuzen, Uranus en Neptunus, te onderzoeken op tekenen van het inwendige van deze planeten.
“Ook die ringen werpen een aantal mysteries op, dus zullen we moeten zien of zich daar soortgelijke dingen afspelen,” zegt Marley.
Dit artikel werd oorspronkelijk in het Engels gepubliceerd op NationalGeographic.com
