Het is druilerig op Saturnus. Elke seconde regenen vanuit de ringen van de planeet mogelijk duizenden kilo’s aan waterijs, organische moleculen en andere bestanddelen op de bovenste atmosfeer van de gasreus neer.
Wetenschappers hebben nu eindelijk meer inzicht gekregen in de verbluffend gecompliceerde wisselwerking tussen Saturnus en zijn ringen – dankzij de NASA-sonde Cassini, die in de laatste week van zijn leven 22-maal tussen de ringen en de planeet doorvloog en daarbij de regenval op zijn instrumenten ‘proefde’.
Het verkrijgen van meer inzicht in die complexe verhoudingen is niet alleen maar een interessant avontuur, maar een stap op weg naar een verklaring voor een van de meest hardnekkige geheimen van het Saturnus-systeem: de oorsprong en ouderdom van het beroemdste ringenstelsel van ons zonnestelsel. Inzicht in de samenstelling van de ringen en in het tempo waarop ze materiaal verliezen, is van cruciaal belang voor het ontrafelen van de geschiedenis van de reuzenplaneet.
“Hebben we gewoon het geluk dat we in een tijd leven waarin Saturnus deze magnifieke ringen heeft?” vraagt Sean Hsu van de University of Colorado in Boulder zich af. “Ook is het fascinerend om je voor te stellen dat als een van de ringen nog niet zo lang geleden is ontstaan, dat gevolgen heeft voor andere ijzige manen rond Saturnus.”
Dagen met regen
Materiaal dat vanuit de ringen van Saturnus op de planeet neervalt, is op zichzelf niets nieuws; al tientallen jaren wordt daarover gespeculeerd en ook waarnemingen wijzen daarop. Maar het was tot nu toe onduidelijk hoe dat materiaal zich precies door het systeem verplaatst, hoeveel regen er op de wolken van Saturnus neerdaalt en hoe de chemische samenstelling van de wolken in de bovenste atmosfeer erdoor wordt beïnvloed.
Vorige week verschenen op dezelfde dag drie verslagen over de regenval uit Saturnus’ ringen in het wetenschappelijke tijdschrift Science. De drie artikelen maken deel uit van een reeks observaties die Cassini in de laatste dagen van zijn bestaan heeft gedaan, kort voordat het ruimtevaartuig zich eind 2017 tijdens zijn spectaculaire zwanenzang in het wolkendek van de reuzenplaneet boorde.
Op die laatste reis schoot Cassinimet een snelheid van bijna 108.000 kilometer per uur door de tussenruimte tussen Saturnus en zijn ringen – een snelheid die veel en veel hoger lag dan waarop de instrumenten aan boord ooit waren getest. De consequenties van zo’n hoge snelheid was een uitdaging voor de wetenschappers die de binnenkomende gegevens probeerden te ontcijferen.
“Ze hebben allemaal enorm hun best moeten doen en heel slim uitgedokterd wat de instrumenten hen vertelden,” zegt Jack Connerney van de NASA. “Dit lag volledig buiten het bereik van hun ontwerpen en hun ervaring.”
Tijdens zijn reis door de nauwe tussenruimte mat Cassinide massa van de ringen en de zwaartekracht en het magneetveld van de planeet. Daarnaast verzamelden zijn instrumenten tientallen stukjes materiaal die uit de ringen op de planeet neerregenden. Drie instrumenten aan boord van Cassiniwaren gevoelig genoeg om verschillende ‘smaken’ van neerslag uit de ringen te identificeren en begonnen de opgeslokte deeltjes meteen te analyseren. Het was misschien geen verrassing dat de wetenschappers daarbij zaken ontdekten die ze helemaal niet hadden verwacht.
Om te beginnen bleek een volstrekt onverwachte laag van deeltjes in de hemel boven Saturnus te zweven, bestaande uit een zweem van minuscule vlokjes die op moleculen in de atmosfeer botsen, uiteindelijk steeds dichter naar de planeet zweven en boven de evenaar op het wolkendek neerregenen.
“Voordat Cassini die extra rondjes tijdens zijn grootse finale maakte, waren deze deeltjes volstrekt onbekend,” zegt Hsu.
Andere instrumenten registreerden in de neerslag organische moleculen– bestanddelen als methaan, butaan en propaan – en daarnaast grote hoeveelheden silicatenrijke korreltjes die op Saturnus neerdaalden. Deeltjes met een sterke elektrische lading regenden vooral op het zuidelijk halfrond van Saturnus neer, omdat ze de magnetische veldlijnen van de planeet volgen. Ander materiaal leek rond de evenaar van de gasreus neer te komen.
Gezien het feit dat Saturnus’ ringen voor 95 en 99 procent uit waterijs bestaan, observeerden de wetenschappers minder van dit materiaal dan ze hadden verwacht.Jeff Cuzzivan het Ames Research Center van de NASA denkt dat hij dat gebrek aan waterijs kan verklaren: ijsachtige deeltjes worden van hun watermoleculen ontdaan door een tot dusver onontdekte gordel van stralingbinnen de D-ring, de binnenste ring van Saturnus. In dat scenario zouden deeltjes die zich dichterbij de planeet bevinden, overblijfselen zijn van materialen die de hoge straling goed hebben doorstaan, zoals silicaten en organische materialen.
Regenmeters
Nog verbluffender was dat de drie teams zeer uiteenlopende schattingen maakten van de hoeveelheden materiaal die op de atmosfeer van Saturnus neerregenden, afhankelijk van de locatie rond de planeet.
Een van de teams berekende een neerslag van circa vierenhalve kilo aan nanopartikels per seconde vanuit de D-ring. Aan het andere uiteinde van de schaal regende bijna 45.000 kilo per seconde aan waterijsdeeltjes, organisch materiaal en silicaten op de planeet neer.
De wetenschappers denken dat de grotere hoeveelheden verklaard kunnen worden door een tijdelijke ‘wolkbreuk’ aan neerslag vanuit de ringen, mogelijk als gevolg van een recente botsing met een komeet. De hoge getallen zouden niet verklaard kunnen worden als ze stabiel zouden blijven, zegt Cuzzi; de ringen bevatten simpelweg niet genoeg materiaal om gedurende hun vermoedelijk zeer lange bestaan zulke grote hoeveelheden neerslag te produceren.
Hoewel het duidelijk is dat neerslag vanuit de ringen rond Saturnus op de reuzenplaneet neerdaalt, is het volgens Cuzzi nog te vroeg om op basis van de verschillende hoeveelheden regen in te schatten hoe oud de ringen zijn (die om andere redenen overigens relatief jong lijken te zijn).
“De gedachte dat je de ringen kunt dateren door te schatten hoeveel massa eruit neervalt – dat is in principe een heel goed idee,” zegt Cuzzi. “Maar zoals veel goede ideeën ligt het in de praktijk wat ingewikkelder.”
Verscheurde maan
De nieuwe resultaten van Cassinidragen ook bij aan de oplossing van een ander mysterie rond Saturnus: waardoor zijn de ringen van de planeet in de eerste plaats ontstaan? De gegevens die tot nu zijn verzameld, wijzen op de mogelijkheid van een aan stukken gescheurde maan of komeet, gezien de vergelijkbare samenstellingen van ringen, manen en kometen.
Bovendien ligt er volgens Cuzzi een merkwaardige ophoping van silicatenrijk materiaal binnen de C-ring van Saturnus verborgen, en dat is precies wat je zou verwachten als een maan aan stukken zou zijn gescheurd. Tijdens de opbouw van de maan werd het binnenste ervan steeds heter, waardoor silicatenrijk gesteente smolt en naar de kern afzonk, terwijl lichter, ijzig materiaal de mantel rond de maan zou hebben gevormd.
Bekijk de fotogalerij: De laatste beelden van de Cassini-missie
Bekijk ook: Cassini's missie komt tot zijn einde, dit is wat het ons allemaal heeft geleerd
Lees ook: Hoe NASA’s Cassini-sonde in vlammen opgaat
Dit artikel werd oorspronkelijk in het Engels gepubliceerd op NationalGeographic.com
Toen deze hypothetische maan door de zwaartekracht van Saturnus aan stukken werd gescheurd, bleef het puin van de maankern in de dikke C-ring hangen, terwijl de ijs- en waterhoudende mantel van de maan de heldere A- en B-ring vormde.
Op de vraag hoe dat alles in een relatief recent verleden kan zijn gebeurd – in de afgelopen honderden miljoenen jaren – in een systeem dat vermoedelijk al miljarden jaren stabiel is, is nog geen antwoord gevonden. Ook is de precieze wisselwerking tussen de planeet en de aan stukken gescheurde maan nog niet bekend.
“Het definitieve verhaal is nog niet geschreven,” zegt Connerney. “Maar veel van de hoofdstukken liggen al in hoofdlijnen vast.”
