De ringen van Saturnus zijn klein en kunnen snel verdwijnen

Cassini mission data suggests that Saturn’s rings are young, possibly only a few hundred million years old, and could disappear in a similar timescale. The rings’ mass, purity, and debris accumulation rates indicate their relatively young age and short lifespan. Two studies show that the rings formed relatively recently and are rapidly losing mass, while a third predicts their disappearance within the next few hundred million years.

While no human could ever have seen Saturn without its rings, in the time of the dinosaurs, the planet may not yet have acquired its iconic accessories – and future Earth dwellers may again know a world without them.

Three recent studies by scientists at NASA’s Ames Research Center in California’s Silicon Valley examine data from NASA’s Cassini mission and provide evidence that Saturn’s rings are both young and ephemeral – in astronomical terms, of course.

The new research looks at the mass of the rings, their “purity,” how quickly incoming debris is added, and how that influences the way the rings change over time. Put those elements together, and one can get a better idea of how long they’ve been around and the time they’ve got left.

Although all four giant planets have ring systems, Saturn’s is by far the most massive and impressive. Scientists are trying to understand why by studying how the rings have formed and how they have evolved over time. Three recent studies by NASA researchers and their partners provide evidence that the rings are a relatively recent addition to Saturn and that they may last only another few hundred million years. Credit: NASA/JPL-Caltech/Space Science Institute

The rings are almost entirely pure ice. Less than a few percent of their mass is non-icy “pollution” coming from micrometeoroids, such as asteroid fragments smaller than a grain of sand. These constantly collide with the ring particles and contribute debris to the material circling the planet. The rings’ age has been hard to pin down, because scientists hadn’t yet quantified this bombardment in order to calculate how long it must have been going on.

Now, one of the three new studies^[1] Het geeft een beter idee van de totale aankomstsnelheid van niet-glaciaal materiaal, en dus in hoeverre het de ringen moet hebben “vervuild” sinds hun vorming. Dit onderzoek, dat werd geleid door de Universiteit van Colorado, Boulder, geeft ook aan dat micrometeorieten niet zo snel komen als wetenschappers denken, wat betekent dat de zwaartekracht van Saturnus materie effectiever in de ringen kan trekken. Dit bewijs gaat verder met te zeggen dat de ringen niet langer dan een paar honderd miljoen jaar kunnen worden blootgesteld aan deze kosmische hagelbui – een kleine fractie van Saturnus en de 4,6 miljard jaar van het zonnestelsel.

Deze conclusie wordt ondersteund door het tweede artikel,^[2] Geleid door Indiana University, die een andere kijk heeft op het constante kloppen van de ringen door kleine ruimtestenen. De auteurs van het onderzoek hebben twee dingen geïdentificeerd die grotendeels zijn verwaarloosd in het onderzoek. Ze keken met name naar de fysica die de langetermijnevolutie van ringen bepaalt en ontdekten dat twee belangrijke componenten het bombardement van micrometeorieten waren en de manier waarop het puin van die botsingen binnen de ringen wordt verdeeld. Rekening houdend met deze factoren blijkt dat de ringen hun huidige massa in een paar honderd miljoen jaar zouden kunnen hebben bereikt. De resultaten geven ook aan dat ze, omdat ze zo jong zijn, waarschijnlijk zijn gevormd toen onstabiele zwaartekrachten binnen het Saturnus-systeem enkele van zijn ijzige manen vernietigden.

“Het idee dat de iconische grote ringen van Saturnus een recent kenmerk van ons zonnestelsel zouden kunnen zijn, is controversieel”, zegt Jeff Causey, een onderzoeker bij Ames en co-auteur van een van de recente artikelen. “Maar onze nieuwe bevindingen vormen een aanvulling op een trifecta van Cassini-metingen die deze ontdekking moeilijk te vermijden maken.” Causey diende ook als een interdisciplinaire wetenschapper op de Cassini-missie naar de ringen van Saturnus.

Het kan dus meer dan 4 miljard jaar geleden zijn dat Saturnus zijn huidige vorm aannam. Maar hoe lang kun je rekenen op het dragen van de prachtige ringen die we vandaag kennen?

De Cassini-missie ontdekte dat de ringen snel massa verliezen, omdat materiaal uit de diepere regionen van de planeet valt. Derde papier^[3] Ook, geleid door Indiana University, bepaalt voor het eerst hoe snel geringde materie in deze richting afdrijft – en meteorieten spelen opnieuw een rol. Hun botsingen met bestaande ringdeeltjes en de manier waarop het resulterende puin naar buiten wordt geslingerd, vormen samen een soort transportband voor beweging die ringmateriaal naar Saturnus transporteert. Door te berekenen wat al die stromende deeltjes betekenen voor hun uiteindelijke verdwijning in de planeet, hebben onderzoekers hard nieuws voor Saturnus bedacht: het zou zijn ringen in de komende paar honderd miljoen jaar kunnen verliezen.

“Ik denk dat deze resultaten ons vertellen dat het constante bombardement door al dit buitenaardse puin niet alleen de planetaire ringen vervuilt, maar ze na verloop van tijd ook zou moeten verzwakken”, zegt Paul Estrada, een onderzoeker bij Ames en co-auteur van alle drie de studies. “misschien[{” attribute=””>Uranus’ and Neptune’s diminutive and dark rings are the result of that process. Saturn’s rings being comparatively hefty and icy, then, is an indication of their youth.”

Young rings but – alas! – relatively short-lived, as well. Instead of mourning their ultimate demise, though, humans can feel grateful to be a species born at a time when Saturn was dressed to the nines, a planetary fashion icon for us to behold and study.

References:

“Micrometeoroid infall onto Saturn’s rings constrains their age to no more than a few hundred million years” by Sascha Kempf, Nicolas Altobelli, Jürgen Schmidt, Jeffrey N. Cuzzi, Paul R. Estrada and Ralf Srama, 12 May 2023, Science Advances.
DOI: 10.1126/sciadv.adf8537

“Constraints on the initial mass, age and lifetime of Saturn’s rings from viscous evolutions that include pollution and transport due to micrometeoroid bombardment” by Paul R. Estrada and Richard H. Durisen, 9 May 2023, Icarus.
DOI: 10.1016/j.icarus.2022.115296

“Large mass inflow rates in Saturn’s rings due to ballistic transport and mass loading” by Richard H. Durisen and Paul R. Estrada, 9 May 2023, Icarus.
DOI: 10.1016/j.icarus.2022.115221