Hat der Phoebe-Ring die Monde rot gefärbt?

Der mysteriöseste Ring des Saturn könnte eine Schlüsselrolle bei der Transformation der Oberflächen von Iapetus und Hyperion gespielt haben.

Iapetus, der zweifarbige Saturnmond, wie er 2015 von Cassini gesehen wurde. Die beiden Mondhälften sind deutlich sichtbar. Bildnachweis: NASA / JPL-Caltech / Space Science Institute.

Iapetus, der drittgrößte Mond des Saturn, hat eine der merkwürdigsten Oberflächen im Sonnensystem. Eine Hemisphäre namens Cassini Regio ist dunkel mit einer leichten rötlichen Färbung, während die gegenüberliegende Hemisphäre stark weiß ist. Zusätzlich hat die andere Seite eine wesentlich höhere Albedo, was bedeutet, dass sie viel mehr Licht reflektiert als die dunkelrote Seite. Diese eigentümliche Diskrepanz wurde erstmals vor drei Jahrhunderten von Giovanni Cassini bemerkt und 2007 von der nach ihm benannten Sonde detailliert fotografiert.

Die führende Theorie für den Helligkeitsunterschied besagt, dass im Laufe der Zeit Wassereis von einer Seite des Mondes sublimiert wird. Dies führte zu einer thermischen Rückkopplungsschleife, indem die Albedo der Hemisphäre verändert und damit ihre Oberflächentemperatur erhöht wurde, was zu einer stärkeren Sublimation führte. Jüngste Beobachtungen des Cassini-Raumfahrzeugs stützen diese Hypothese. In der Theorie fehlt jedoch eines: eine Möglichkeit für den Start dieser Rückkopplungsschleife.

Eine zylindrische Projektion von Iapetus aus einem Mosaik von Cassini-Bildern. Bildnachweis: NASA / JPL-Caltech / Space Science Institute / Lunar and Planetary Institute.

Eine mögliche Erklärung ergab sich: Vielleicht stammten die dunkelroten Partikel, die für den Start des Prozesses verantwortlich waren, von einem anderen astronomischen Körper, vielleicht einem anderen Saturnmond. Dies blieb jedoch bis 2009 eine Vermutung, als das Infrarot-Spitzer-Weltraumteleskop eine überraschende Entdeckung machte: eine enorme Materialscheibe, die 25-mal größer ist als die übrigen Saturnringe. Lesen Sie weiter, um herauszufinden, was Spitzer gefunden hat, woher es kommt und warum es so wichtig ist.

Wie macht man einen 11 Millionen Kilometer breiten Ring?

Das Saturn-Ringsystem ist das größte im Sonnensystem und mit Sicherheit das komplexeste. Es besteht aus einer Reihe unterschiedlicher Fels- und Eisbänder, die durch leere Lücken getrennt sind, die von Hirtenmonden gepflegt werden. Während der helle A-Ring 137.000 km vom Planeten entfernt endet, gibt es dahinter dünnere und schwächere Ringe, einschließlich des dünnen E-Rings, der sich auf 480.000 km oder 8,25 Saturnradien erstreckt.

Cassinis letztes Bild des Saturn aus dem Jahr 2017. Mehrere Monde sind beschriftet, wenn auch äußerst schwach. Bildnachweis: NASA / JPL-Caltech / Space Science Institute.

Es wird angenommen, dass sich die Hauptringe vor etwa 100 Millionen Jahren gebildet haben, aller Wahrscheinlichkeit nach von einem Mond, der von Gezeitenkräften zerrissen wurde. Einige kleinere Ringe scheinen jedoch aktiv nachgefüllt zu werden. Zum Beispiel zeigte Cassinis Vorbeiflug, dass eisige Geysire von Enceladus winzige Partikel ausstoßen, die den E-Ring bilden. 2009 wurde ein weiterer Mond als mögliche Quelle für Ringmaterial ins Visier genommen: Phoebe, die sich in einer exzentrischen retrograden Umlaufbahn mit einer Semi-Major-Achse von 215 Saturnradien bewegt.

Das Spitzer-Weltraumteleskop bildete Saturn bei 24 und 70 μm ab, Wellenlängen, bei denen kühler Staub am besten sichtbar sein sollte. Die Beobachtungen haben nicht enttäuscht. Mosaike von Bildern zeigten einen großen Staubring zwischen 128 und 215 Saturnradien und erstaunliche 40 Saturnradien. Es war klar um den Mond zentriert und erstreckte sich weit genug nach innen, um nur die Umlaufbahn des Iapetus zu berühren. Modelle zeigten, dass sich der größte Teil des Materials jedoch nicht so relativ nahe am Planeten befand. Um die Umlaufbahn von Iapetus zu erreichen, hätte es ungefähr 8,7 Millionen Kilometer zurücklegen müssen. Wie könnte das dann passieren - und warum ist nur die Hälfte von Iapetus betroffen?

Abbildung 1, Verbischer et al. 2009. Der Phoebe-Ring ist im Mosaik mit der Bezeichnung MIPSON zwischen 128 und 180 Saturnradien am deutlichsten sichtbar. Die großen diagonalen Linien sind lediglich Beobachtungsartefakte.

Der Auswurfprozess schien ziemlich klar zu sein: Mikrometeoroid-Einschläge. Wenn kleine Felsbrocken auf Phoebes Oberfläche treffen, stoßen sie winzige Eis- und Silikatpartikel aus der Kruste aus, die dem Mond entkommen und einen staubigen Ring bilden. Die Ejekta breitete sich jedoch schnell über den sogenannten Poynting-Robertson-Effekt aus. Kleine Teilchen absorbieren Sonnenstrahlung und emittieren sie dann asymmetrisch wieder, was zu einer Abnahme des Drehimpulses führt. Über zig Millionen Jahre fallen diese Teilchen dank dieser Rückstrahlung in niedrigere Bahnen. Der Poynting-Robertson-Effekt ist ein wichtiger Faktor bei der Entwicklung protoplanetarer Scheiben - und anscheinend von Ringsystemen.

Dieses inspirierende Material würde Iapetus gleichmäßig bedecken, wenn es keine ungewöhnlichen Eigenschaften der Umlaufbahnen der Monde gäbe. Erstens ist Iapetus gezeitengebunden an Saturn gebunden, sodass eine Hemisphäre immer die "führende" Seite und die andere immer die "nachlaufende" Seite ist. Zweitens hat Phoebe eine rückläufige Umlaufbahn, was bedeutet, dass sie sich in umgekehrter Richtung wie die meisten Saturnmonde bewegt - und daher auch ihr Staubring. Das heißt, wenn Ringpartikel mit Iapetus kollidieren, tun sie dies nur auf der Vorderseite, wodurch eine Hemisphäre dunkel wird und die Albedo abnimmt.

Abbildung 4, Verbischer et al. 2009. Numerische Simulationen der Teilchenbewegung über 2000 Jahre zeigten, wie der Ring wachsen kann, um die Umlaufbahnen von Iapetus und sogar Titan zu erreichen, dargestellt durch dünne blaue Ringe um den Saturn.

Spektroskopie: Probleme und Lösungen

Die Theorie ist nicht ohne Probleme. Das Hauptproblem wurde durch spektroskopische Beobachtungen von Phoebe, Iapetus und Hyperion entdeckt - einem kleinen, unregelmäßigen Saturnmond, der auf die gleiche Weise wie Iapetus gerötet ist. Phoebe und Iapetus zeigen spektrale Ähnlichkeiten, einschließlich eines auffälligen Absorptionsmerkmals bei 3 μm, das auf Kohlenwasserstoffe in beiden Körpern zurückgeführt wurde, was auf eine gemeinsame Vergangenheit hinweist (Cruikshank et al. 2008).

3 und 8, Cruikshank et al. 2008. Die bei 3 μm zentrierte Absorptionsbande ist in den Infrarotspektren beider Monde deutlich sichtbar. Es wird angenommen, dass polycyclische aromatische Kohlenwasserstoffe (PAK) verantwortlich sind.

Das Vorhandensein des gleichen Materials in zwei Monden bedeutet nicht, dass Material von einem zum anderen transportiert wurde. Eine einfache Erklärung könnte sein, dass sie sich einfach in ähnlichen Umgebungen gebildet haben - eine Idee, die durch die Tatsache gestützt wird, dass Iapetus Phoebes nächster Nachbar ist. Es wird jedoch angenommen, dass Phoebe und Iapetus von verschiedenen Orten stammen. Phoebe ist wahrscheinlich ein gefangener Asteroid, der sich im Kuipergürtel gebildet hat, während sich Iapetus in situ um den Saturn gebildet hat. Dies unterstützt mehr die Idee, dass der Materialtransfer nach der Bildung der Monde erfolgte.

Abbildung 1, Buratti et al. 2002.

Während die spektralen Merkmale der Kohlenwasserstoffe und anderer Moleküle eine gute Nachricht zu sein scheinen, stützen nicht alle spektroskopischen Daten die Theorie, dass die Monde verwandt sind. Beispielsweise zeigt die Spektralanalyse der drei Monde und einer Reihe kleinerer Monde und Asteroiden aus den frühen 2000er Jahren (Buratti et al. 2002) starke Unterschiede zwischen Phoebe und den beiden anderen Monden bei Wellenlängen von 0,4–1,0 μm. Die dunklen Bereiche von Hyperion und Iapetus sind sehr ähnlich; Phoebes Oberfläche ist es nicht. Auf den ersten Blick scheint dies ein klarer Beweis für die gesamte Theorie zu sein, aber die Schwierigkeiten werden vermieden, wenn wir annehmen, dass der Großteil der Verfärbung, die wir jetzt sehen, nicht direkt auf die Ablagerung aus dem Phoebe-Ring zurückzuführen ist.

Am Anfang erwähnte ich eine Art thermische Rückkopplungsschleife, die durch den Materialtransfer von Phoebe ausgelöst wurde. Das Material, das ursprünglich auf der führenden Hemisphäre von Iapetus abgelagert war, fiel auf einen Großteil seiner eisigen Oberfläche. Der Staub hatte eine niedrige Albedo, was bedeutet, dass er den größten Teil des Lichts absorbiert, das auf ihn trifft. Das heizt es auf. Diese Wärme würde dann auf das vom Staub bedeckte Eis übertragen und das Eis würde sublimieren, wodurch die Albedo des Mondes weiter verringert würde (siehe Spencer & Denk 2010).

Ein ähnlicher Prozess könnte bei Hyperion auftreten. Hyperion ist jedoch nicht an Saturn gebunden - tatsächlich ist seine Rotation so chaotisch, dass es durch den Raum stürzt. Dies bedeutet, dass es den Staub auf seiner Oberfläche angesammelt und ihn gleichmäßig verdunkelt haben sollte. Dieselbe Rückkopplungsschleife kann auftreten, hätte jedoch keine solche asymmetrische Verteilung von Farbe und Albedo erzeugt.

Abbildung 3, Verbischer et al. 2009. Diese Grafik zeigt die Emissionsintensität in unterschiedlichen Höhen im Ring. Der helle Punkt ist eine Hintergrundgalaxie.

Es gibt Hinweise darauf, dass der Phoebe-Ring für die seltsamen Oberflächen von Iapetus und Hyperion verantwortlich ist, und es gibt Hinweise darauf, dass der Zyklus von einer anderen Materialquelle gestartet wurde. Der Ring selbst wird noch untersucht, sowohl bei infraroten als auch bei optischen Wellenlängen, um zu versuchen, seine Größe und Masse noch genauer zu erkennen. Egal, ob es der Mechanismus hinter der Verfärbung ist, es bleibt vorerst der größte Ring des Saturn.