Ringschauer auf Saturn

Die Raumsonde Cassini gehört zu den großen Erfolgsgeschichten der NASA. Im Jahr 1997 gestartet, kam sie 2004 am Saturn an und konnte den Planeten zwölf Jahre lang ein­gehend unter­suchen. Das Multi­milliarden-Dollar-Projekt hat nicht nur das Ver­ständnis des Gas­riesen funda­mental voran­ge­bracht, sondern auch den Nach­weis erbracht, dass unter der Ober­fläche eisiger Gas­riesen-Monde poten­ziell lebens­freund­liche Bedin­gungen herrschen. Um die Saturn­monde, insbe­sondere Ence­ladus, vor einer mög­lichen Konta­mina­tion mit irdischen Bakterien zu bewahren, lenkte die NASA Cassini in einem „Grand Finale“ genannten Schluss­spurt schließ­lich in den Gas­planeten.

Dabei nutzten die Missionsplaner die langsam zur Neige gehenden Treib­stoff­reserven von Cassini, um die Sonde vor dem Absturz auf Saturn noch auf unge­wöhn­liche Bahnen zu bringen, die man in einem frühen Missions­stadium nicht riskiert hätte. So konnte Cassini noch einige Regionen durch­fliegen, die bis­lang uner­forscht geblieben waren. Zunächst flog Cassini zwanzig Mal scharf an den äußeren Kanten der Saturn­ringe vorbei. Dann nahm sie nach einem Vorbei­flug an Titan Kurs Saturn und durch­flog die Region zwischen dem Planeten und der inneren Kante der Ringe – und zwar 22 Mal in ver­schie­denen, stark geneigten Orien­tie­rungen, um mög­lichst viel­fältige Messungen zu erhalten. Dabei konnte Cassini als erste Raum­sonde über­haupt diese Region inner­halb der Ringe erkunden und Messungen bis in eine Höhe von gerade einmal 1600 Kilo­metern über dem Planeten machen. Schließ­lich trat Cassini mit einer Geschwin­dig­keit von 35 Kilo­metern pro Sekunde in die ober­sten Atmo­sphären­schichten des Gas­riesen ein und ver­glühte.

Bei der Analyse des Magnetfelds stieß ein Forscher­team um Michele Dougherty vom Imperial College London auf kleine, aber lang­lebige magne­tische Struk­turen in und um den Planeten. Die Ursache hierfür ist wohl ein komplexer Dynamo­prozess, der sich durch ver­schie­dene Schichten inner­halb der Saturn­atmo­sphäre zieht. Inner­halb der Atmo­sphäre ändert sich die Leit­fähig­keit sehr stark in Abhän­gig­keit vom Radius. Wie die Berech­nungen der Forscher zeigen, liegt die Dynamo­tätig­keit wohl in elektro­magne­tischer Induk­tion begründet, die mindes­tens ein Achtel des Saturn­radius unter seiner Ober­fläche statt­findet.

Forscher um Elias Roussos vom MPI für Sonnensystem­forschung konnten einen neuen Strah­lungs­gürtel um den Saturn ent­decken, der sich inner­halb der Ringe befindet. Es war bereits bekannt, dass das starke magne­tische Dipol­feld des Saturn hoch­energe­tische Teil­chen in diversen Strah­lungs­gürteln ein­fangen kann, die durch die Monde und das Ring­system in ver­schie­dene Segmente unter­teilt sind. Mit Hilfe des Magneto­sphere Imaging Instru­ment gelang es nun, knapp über der Ober­fläche des Gas­riesen einen weiteren Strah­lungs­gürtel zu beob­achten, der sich über den inneren D-Ring erstreckt und von den anderen Strah­lungs­gürteln getrennt ist.

Ein anderes Team um Laurent Lamy von der Pariser Sorbonne nahm sich die starken Radio­emis­sionen vor, die von den Polar­licht­zonen aus­gehen. Solche Emis­sionen, die von allen Planeten mit Magnet­feld bekannt sind, lassen sich nur mit Messungen vor Ort gut ver­stehen. Die Forscher kombi­nierten Messungen von Radio­wellen und Plasma, wobei sie Radio­wellen in Bereich von rund einem Dutzend Kilo­hertz nach­weisen konnten, die stark korre­liert waren mit den zeit­lich vari­ablen Elek­tronen­dichten in der Magneto­sphäre.

Die Saturnringe bestehen zum größten Teil aus Wassereis. Woraus sie sonst noch gemacht sind, hat sich bis­herigen Analysen aber ent­zogen. Ein Team um Hsiang-Wen Hsu von der Univer­sity of Colo­rado in Boulder hat nun die Staub­partikel analy­siert, die von den Ringen auf Saturn herab­regnen. Dank der tiefen letzten Orbits von Cassini ließ sich auch dieser stete Material­trans­port unter die Lupe nehmen. Neben Wasser­eis fanden die Forscher auch Sili­kate, beides in winzigen Körner­größen von typischer­weise einigen Dutzend Nano­metern. Über­raschender­weise war der Anteil der Sili­kate im „Ring­regen“ mit rund dreißig Prozent deutl­ich höher als im Ring­material, das zu mindes­tens 95 Prozent aus Wasser­eis besteht. Es bleibt zu klären, wie dies mit dem Zusammen­spiel von Gravi­ta­tion und Magnet­feld zusammen­hängt, das den Ring­regen bewirkt.

Ein Team um Donald Mitchell von der John Hopkins Univer­sity in Laurel unter­suchte, welche Prozesse den Ring­regen verur­sachen. Dabei fanden sie unter anderem Kolli­sionen zwischen dem Wasser­stoff der Exo­sphäre und den Staub­partikeln des inner­sten D-Rings. Dieser Staub­regen führt zu einem Massen­ver­lust dieses Rings an die Saturn­atmo­sphäre von rund fünf Kilo­gramm pro Sekunde.

Der gesamte Massenverlust ist aber wesentlich höher und beruht noch auf weiteren Mecha­nismen, wie ein Team um Jack Waite vom South­west Research Insti­tute in San Antonio anhand der Daten des Ion and Neutral Mass Spectro­meter fest­stellen konnte. Der gesamte Ring­regen kommt dabei eher einem Wolken­bruch gleich: Er erreicht eine Größen­ordnung von zehn Tonnen pro Sekunde. Dabei fanden die Wissen­schaftler neben Wasser uner­wartet auch Methan sowie Ammoniak, mole­ku­laren Stick­stoff, Kohlen­stoff­monoxid und Kohlen­stoff­dioxid. Die chemische Zusammen­setzung der Saturn­ringe ist also komplexer als bis­lang gedacht: Die inner­sten Ringe sind zu einem wesent­lichen Teil durch­setzt mit orga­nischem Material. Und lang­fristig gesehen könnte dieser Material­trans­port sogar die Zusammen­setzung der oberen Saturn­atmo­sphäre ver­ändern. Es ist aber nicht klar, ob dieser starke Ring­regen auch typisch ist, denn er würde die Lebens­dauer der Ringe stark begrenzen. Es könnte durchaus sein, dass gerade ein untypisch starker Schauer zu beob­achten ist, der etwa durch die Passage eines Kometen in jüngerer Ver­gangen­heit ein­ge­läutet wurde.

Diese Ergebnisse liefern ein sehr detailliertes Bild von den Zuständen rund um Saturn – ver­mut­lich ein deut­lich komple­xeres Bild als das, was die Ent­wickler von Cassini vor über zwanzig Jahren vor Augen hatten. Noch sind die Analysen aber nicht abge­schlossen und zahl­reiche weitere Erkennt­nisse zu erwarten.

Dirk Eidemüller

RK