De pracht van Saturnus’ delicate ringenstelsel is onbetwistbaar, maar de fascinatie van de mens voor dit fenomeen wordt niet alleen door schoonheid opgeroepen: de ringen kunnen ons ook op wetenschappelijk gebied veel interessants vertellen.
In een onderzoek dat onlangs in The Astrophysical Journal is verschenen, hebben wetenschappers de ringen van de reuzenplaneet gebruikt om een antwoord te vinden op een verrassend voor de hand liggende vraag: hoe lang duurt een dag op Saturnus? Het antwoord luidt: 10 uur, 33 minuten en 38 seconden.
Deze informatie is belangrijk omdat het “een van de fundamentele eigenschappen van een planeet in het zonnestelsel is,” zegt natuurkundige Bill Kurth van de University of Iowa, die werkte aan NASA’s Cassini-missie naar Saturnus maar die niet bij dit nieuwe onderzoek was betrokken. De lengte van de dag op een bepaalde planeet is van belang voor het bepalen van zijn zwaartekrachtveld en interne structuur. Maar in het geval van de geringde planeet is het een grootheid die nu pas door astronomen kon worden vastgesteld.
“Saturnus is de enige planeet waarvan de omwentelingssnelheid erg lastig is te meten,” zegt Matthew Tiscareno, een hoofdwetenschapper van het SETI Institute die niet bij de nieuwe studie was betrokken. Hij legt uit dat op het oppervlak van aardachtige planeten in het zonnestelsel duidelijke kenmerken zijn te zien die door de tijd heen gevolgd kunnen worden. Dat geldt niet voor de andere drie gasreuzen Jupiter, Uranus en Neptunus, maar deze planeten hebben gekantelde magneetvelden die heen en weer schommelen terwijl de planeten om hun as draaien, en die veranderingen kunnen worden gebruikt om hun omwentelingssnelheid te berekenen.
Maar Saturnus speelt op dat punt niet mee. Door het kolkende en chaotische wolkendek van de gasreus kan geen enkel kenmerk aan de oppervlakte door de tijd heen worden gevolgd. En uit gegevens van meerdere ruimtevaartuigen die zich in een omloopbaan rond Saturnus bevinden, is gebleken dat het magneetveld van de planeet bijna perfect aansluit op zijn rotatie-as. Dat betekent dat Saturnus’ rotatie geen meetbare veranderingen in het magneetveld van de planeet veroorzaakt.
Kosmisch snaarinstrument
Jarenlang was onduidelijk hoe dit raadsel verklaard kon worden. Maar toen kwamen onderzoekers onder leiding van Christopher Mankovich, doctoraalstudent astronomie en astrofysica aan de University of California in Santa Cruz, op een idee.
De ringen van Saturnus zijn verre van statisch. Ze vertonen soms rimpelingen of golven, doorgaans wanneer al dat ijs en stof wordt verstoord door de zwaartekracht van manen rondom de planeet. Maar deze golven kunnen ook worden veroorzaakt door fluctuaties in het raadselachtige binnenste van de gasreus. Als een bewegende hoeveelheid materiaal binnenin Saturnus tot een plaatselijke versterking of verzwakking van het zwaartekrachtveld van de planeet leidt, verstoort dat ook de ringen.
Het werkt een beetje zoals bij een kleine trom in een drumstel: de snaarmat onder het resonantievel van de kleine trom trilt mee als op de trom wordt geslagen.
“Hoewel je de fluctuaties niet kunt horen, doet Saturnus sterk denken aan een muziekinstrument,” zegt Mankovich. “De klankkleur van Saturnus, die wordt bepaald door de mogelijke frequenties van zijn trillingen, is onderhevig aan de bouw van de planeet als geheel: zijn omvang, vorm, samenstelling, temperatuur et cetera.”
Er is niet veel voor nodig om golven in de ringen te veroorzaken. Als een massa ter grootte van een van Saturnus’ minder grote manen binnenin de planeet beweegt, gaan de ringen daardoor heen en weer klotsen. En als dat geklots aansluit op de natuurlijke frequentie van de omloopbaan van de betreffende ring, zal die gaan resoneren en zal een kleine golfbeweging worden versterkt tot een duidelijk zichtbare en spiraalvormige golf.
De kenmerken van deze golven zijn afhankelijk van het materiaal waardoorheen ze zich verplaatsen en de oorsprong van de trilling. Dus creëerde Mankovich’ team een numeriek model waarin de diverse ringgolven werden gebruikt om de interne structuur van Saturnus te bepalen. Hun model leverde niet alleen inzicht in enkele processen in het binnenste van de planeet op, maar stelde de onderzoekers ook in staat om eindelijk de lengte van de Saturniaanse dag te berekenen.
Het team heeft bij het oplossen van dit hardnekkige probleem “zorgvuldig en betrouwbaar werk geleverd,” zegt Tiscareno.
Supersonde
Maar waarom heeft het zo lang geduurd? Het feit dat de interne massa van Saturnus en zijn bewegingen tot golven in de ringen kunnen leiden, was al begin jaren negentig van de vorige eeuw bekend, aldus Tiscareno. En in een reeks recente onderzoeken onder leiding van Matthew Hedman van de University of Idaho werd al gewerkt met een methode die het team ‘chronoseismologie’ noemt en waarmee processen in het binnenste van Saturnus onthuld kunnen worden door het analyseren van golven in de ringen – een concept dat al in 1982 voor het eerst werd geopperd.
Maar de uiteindelijke oplossing van het probleem kwam voor rekening van het onvolprezen ruimtevaartuig Cassini, zegt James O’Donoghue, een planetoloog van het Goddard Space Flight Center van de NASA die niet bij de nieuwe studie was betrokken.
Saturnus is door een hele reeks ruimtesondes bezocht, maar Cassini – de “supersonde” – heeft dertien jaar lang baantjes rond de geringde planeet getrokken en kon de ringen dankzij haar instrumenten met ongekend hoge resolutie onderscheiden. Daardoor zagen onderzoekers details die volgens O’Donoghue “onmogelijk zijn te bereiken” met behulp van telescopen op aarde. (Lees bijvoorbeeld meer over bewijzen van Cassini dat materiaal vanuit de ringen van Saturnus op de planeet neerregent.)
Hoewel we weten dat de golven in de ringen worden veroorzaakt door bewegingen binnenin de gasreus, weet niemand wat die bewegingen precies zouden kunnen zijn. Mankovich wijst op nieuw onderzoek dat onlangs op de website arXiv.org is gepubliceerd en waarin wordt gesteld dat kolossale inslagen in het verleden van Saturnus mogelijk verantwoordelijk zijn voor het “luiden van de klok” en daarmee voor een interne chaos in de planeet die tot op heden aanhoudt.
Maar voorlopig is de “ware boosdoener voor die fluctuaties binnenin Saturnus” volgens hem nog een “echt raadsel.”
Lees ook: Er valt regen uit de ringen van Saturnus – en een ruimtevaartuig proefde er wat van
Bekijk ook: De laatste beelden van de Cassini-missie
Dit artikel werd oorspronkelijk in het Engels gepubliceerd op NationalGeographic.com
