Hat der Phoebe-Ring die Monde rot gefärbt?

Saturns mysteriösester Ring könnte eine Schlüsselrolle bei der Veränderung der Oberflächen von Iapetus und Hyperion gespielt haben.

Iapetus, der zweifarbige Saturnmond aus Sicht von Cassini im Jahr 2015. Die beiden Mondhälften sind deutlich sichtbar. Bildnachweis: NASA / JPL-Caltech / Space Science Institute.

Iapetus, der drittgrößte Saturnmond, hat eine der merkwürdigsten Oberflächen im Sonnensystem. Eine Halbkugel, genannt Cassini Regio, ist dunkel mit einer leichten rötlichen Färbung, während die gegenüberliegende Halbkugel 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 zum ersten Mal 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 mit der Zeit das Wassereis von einer Seite des Mondes sublimiert wurde. Dies führte zu einer thermischen Rückkopplungsschleife, indem die Albedo der Hemisphäre geändert und daher die Oberflächentemperatur erhöht wurde, was zu einer stärkeren Sublimation führte. Jüngste Beobachtungen der Cassini-Raumsonde stützen diese Hypothese. Der Theorie fehlt jedoch eines: ein Weg, um diese Rückkopplungsschleife in Gang zu setzen.

Eine zylindrische Projektion von Iapetus aus einem Mosaik von Cassini-Bildern. Bildnachweis: NASA / JPL-Caltech / Institut für Weltraumforschung / 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 von einem anderen Saturnmond. Dies blieb jedoch bis 2009 zu vermuten, als das Infrarot-Spitzer-Weltraumteleskop eine überraschende Entdeckung machte: eine riesige Materialscheibe, die 25-mal größer ist als der Rest der Saturnringe. Lesen Sie weiter, um herauszufinden, was Spitzer gefunden hat, woher es stammt und warum es so wichtig ist.

Wie macht man einen 11 Millionen Kilometer breiten Ring?

Saturns 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 darüber hinaus dünnere und schwächere Ringe, einschließlich des dünnen E-Rings, der sich auf 480.000 km erstreckt, oder 8,25 Saturnradien.

Cassinis letztes Saturnbild 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, höchstwahrscheinlich durch einen Mond, der von Gezeitenkräften zerrissen wurde. Einige kleinere Ringe scheinen jedoch aktiv aufgefüllt zu werden. Zum Beispiel zeigte Cassinis Vorbeiflug, dass eisige Geysire von Enceladus winzige Partikel ausstoßen, die den E-Ring bilden. Im Jahr 2009 wurde ein weiterer Mond als mögliche Quelle für Ringmaterial ausgewählt: Phoebe, die sich in einer exzentrischen retrograden Umlaufbahn mit einer Halb-Hauptachse 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 enttäuschten nicht. Mosaike von Bildern zeigten einen großen Staubring zwischen 128 und 215 Saturnradien und erstaunliche 40 Saturnradien. Es war klar um den Mond zentriert und reichte weit genug nach innen, um nur die Umlaufbahn von Iapetus zu streifen. Modelle zeigten jedoch, dass der größte Teil des Materials nicht so nahe am Planeten lag. Um die Iapetus-Umlaufbahn zu erreichen, hätte sie etwa 8,7 Millionen Kilometer zurücklegen müssen. Wie könnte das passieren - und warum ist nur die Hälfte von Iapetus betroffen?

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

Der Prozess des Auswerfens schien ziemlich klar zu sein: Einschläge von Mikrometeoiden. Wenn kleine Felsbrocken auf Phoebes Oberfläche treffen, schleudern sie winzige Eis- und Silikatpartikel aus der Kruste, die dem Mond entweichen und einen staubigen Ring bilden. Der Auswurf breitete sich jedoch schnell über den sogenannten Poynting-Robertson-Effekt aus. Kleine Partikel absorbieren Sonnenstrahlung und senden sie dann asymmetrisch wieder aus, was zu einer Abnahme des Drehimpulses in der Umlaufbahn führt. Dank dieser Rückstrahlung fallen diese Partikel über zig Millionen Jahre in niedrigere Umlaufbahnen. Der Poynting-Robertson-Effekt ist ein wichtiger Faktor für die Entwicklung protoplanetarer Scheiben - und anscheinend Ringsysteme.

Dieses inspirierende Material würde Iapetus gleichmäßig bedecken, wenn es nicht einige ungewöhnliche Eigenschaften der Umlaufbahnen der Monde gäbe. Erstens ist Iapetus tidal an den Saturn gebunden, so dass 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 die entgegengesetzte Richtung der meisten Saturnmonde bewegt - und daher auch den Staubring. Dies bedeutet, dass Ringteilchen, die mit Iapetus kollidieren, nur auf der Vorderseite kollidieren, wodurch eine Hemisphäre dunkel wird und ihre Albedo abnimmt.

4, Verbischer et al. 2009. Numerische Simulationen der Partikelbewegung über 2000 Jahre zeigten, wie der Ring wachsen und die Umlaufbahnen von Iapetus und sogar Titan erreichen könnte, 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 wie Iapetus gerötet ist. Phoebe und Iapetus zeigen spektrale Ähnlichkeiten, darunter ein markantes Absorptionsmerkmal bei 3 μm, das auf Kohlenwasserstoffe in beiden Körpern zurückgeführt wird, was auf eine gemeinsame Vergangenheit hinweist (Cruikshank et al. 2008).

3 und 8, Cruikshank et al. 2008. Die Absorptionsbande bei 3 μm ist in den Infrarotspektren beider Monde deutlich sichtbar. Es wird angenommen, dass polycyclische aromatische Kohlenwasserstoffe (PAK) dafür 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 die Vorstellung, dass der Materialtransfer nach der Bildung der Monde stattgefunden hat.

1, Buratti et al. 2002.

Obwohl die spektralen Eigenschaften 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 eine 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 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 größte Teil der Verfärbung, die wir jetzt sehen, nicht direkt auf Ablagerungen vom Phoebe-Ring zurückzuführen ist.

Am Anfang erwähnte ich eine Art thermische Rückkopplungsschleife, die durch den Transfer von Material von Phoebe ausgelöst wurde. Das Material, das anfänglich auf der führenden Hemisphäre von Iapetus abgelagert wurde, 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 sublimieren, wodurch die Albedo des Mondes weiter verringert würde (siehe Spencer & Denk 2010).

Ein ähnlicher Vorgang könnte bei Hyperion auftreten. Hyperion ist jedoch nicht ständig an den Saturn gebunden. Tatsächlich ist seine Rotation so chaotisch, dass er durch den Weltraum stürzt. Dies bedeutet, dass es den Staub über seine Oberfläche angesammelt haben und ihn gleichmäßig abdunkeln sollte. Dieselbe Rückkopplungsschleife kann auftreten, hätte jedoch keine derart asymmetrische Verteilung von Farbe und Albedo hervorgerufen.

3, Verbischer et al. 2009. Diese Grafik zeigt die Emissionsintensität in verschiedenen Ringhöhen. Der helle Fleck 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 seine Größe und Masse noch genauer zu bestimmen. Egal, ob es sich um den Mechanismus der Verfärbung handelt, es bleibt vorerst der größte Saturnring.