Wervelend rond de evenaar van de planeet, zijn de ringen van Saturnus een dode weggeefactie dat de planeet op een helling draait. De omgorde reus draait in een hoek van 26,7 graden ten opzichte van het vlak waarin hij om de zon draait. Astronomen hebben lang vermoed dat deze kanteling het gevolg is van zwaartekrachtinteracties met zijn buurman Neptunus, aangezien de kanteling van Saturnus, als een tol, met bijna dezelfde snelheid voortschrijdt als de baan van Neptunus.
Maar een nieuwe modellenstudie door astronomen aan het MIT en elders is ontdekt dat, hoewel de twee planeten ooit synchroon waren, Saturnus sindsdien aan de aantrekkingskracht van Neptunus is ontsnapt. Wat was verantwoordelijk voor deze planetaire herschikking? Het team heeft één zorgvuldig geteste hypothese: een ontbrekende maan.
In een studie die vandaag verschijnt in Wetenschap, stelt het team voor dat Saturnus, die tegenwoordig 83 manen huisvest, ooit nog minstens één man herbergde, een extra satelliet die ze Chrysalis noemden. Samen met zijn broers en zussen, suggereren de onderzoekers, draaide Chrysalis miljarden jaren in een baan om Saturnus, trekkend en trekkend aan de planeet op een manier die zijn kanteling, of “scheefstand”, in resonantie met Neptunus hield.
Maar ongeveer 160 miljoen jaar geleden, schat het team, werd Chrysalis onstabiel en kwam te dicht bij zijn planeet in een grazende ontmoeting die de satelliet uit elkaar trok. Het verlies van de maan was voldoende om Saturnus uit de greep van Neptunus te halen en hem met de huidige kanteling achter te laten.
Bovendien vermoeden de onderzoekers dat, hoewel het grootste deel van het verbrijzelde lichaam van Chrysalis Saturnus heeft geraakt, een fractie van zijn fragmenten in een baan om de aarde zou kunnen zijn blijven hangen en uiteindelijk in kleine ijzige brokken zou zijn gebroken om de kenmerkende ringen van de planeet te vormen.
De ontbrekende satelliet zou daarom twee langdurige mysteries kunnen verklaren: de huidige kanteling van Saturnus en de leeftijd van zijn ringen, die eerder werden geschat op ongeveer 100 miljoen jaar oud – veel jonger dan de planeet zelf.
“Net als de pop van een vlinder, was deze satelliet lange tijd slapend en werd plotseling actief, en de ringen kwamen tevoorschijn”, zegt Jack Wisdom, professor planetaire wetenschappen aan het MIT en hoofdauteur van de nieuwe studie.
De co-auteurs van de studie zijn Rola Dbouk van MIT, Burkhard Militzer van de University of California in Berkeley, William Hubbard van de University of Arizona, Francis Nimmo en Brynna Downey van de University of California in Santa Cruz, en Richard French van Wellesley College.
Een moment van vooruitgang
Aan het begin van de jaren 2000 brachten wetenschappers het idee naar voren dat de gekantelde as van Saturnus het gevolg is van het feit dat de planeet vastzit in een resonantie of zwaartekrachtassociatie met Neptunus. Maar waarnemingen van NASA’s Cassini-ruimtevaartuig, dat van 2004 tot 2017 in een baan rond Saturnus draaide, gaven een nieuwe draai aan het probleem. Wetenschappers ontdekten dat Titan, de grootste satelliet van Saturnus, sneller van Saturnus wegtrok dan verwacht, met een snelheid van ongeveer 11 centimeter per jaar. De snelle migratie van Titan en zijn aantrekkingskracht leidden ertoe dat wetenschappers concludeerden dat de maan waarschijnlijk verantwoordelijk was voor het kantelen en in resonantie houden van Saturnus met Neptunus.
Maar deze verklaring hangt af van één grote onbekende: het traagheidsmoment van Saturnus, dat is hoe massa wordt verdeeld in het binnenste van de planeet. De kanteling van Saturnus kan zich anders gedragen, afhankelijk van of de materie meer geconcentreerd is in de kern of naar het oppervlak.
“Om vooruitgang te boeken met het probleem, moesten we het traagheidsmoment van Saturnus bepalen”, zegt Wisdom.
Het verloren onderdeel
In hun nieuwe studie probeerden Wisdom en zijn collega’s het traagheidsmoment van Saturnus vast te stellen met behulp van enkele van de laatste waarnemingen van Cassini in zijn “Grand Finale”, een fase van de missie waarin het ruimtevaartuig zeer dicht naderde om nauwkeurig in kaart te brengen het zwaartekrachtveld rond de hele planeet. Het zwaartekrachtveld kan worden gebruikt om de massaverdeling op de planeet te bepalen.
Wisdom en zijn collega’s hebben het interieur van Saturnus gemodelleerd en een massaverdeling geïdentificeerd die overeenkomt met het zwaartekrachtveld dat Cassini waarnam. Verrassend genoeg ontdekten ze dat dit nieuw geïdentificeerde traagheidsmoment Saturnus dicht bij, maar net buiten de resonantie met Neptunus plaatste. De planeten waren misschien ooit synchroon, maar zijn dat niet meer.
“Vervolgens gingen we op zoek naar manieren om Saturnus uit de resonantie van Neptunus te halen”, zegt Wisdom.
Het team voerde eerst simulaties uit om de orbitale dynamiek van Saturnus en zijn manen terug in de tijd te evolueren, om te zien of natuurlijke instabiliteiten tussen de bestaande satellieten de kanteling van de planeet zouden kunnen hebben beïnvloed. Deze zoekopdracht leverde niets op.
Dus onderzochten de onderzoekers opnieuw de wiskundige vergelijkingen die de precessie van een planeet beschrijven, wat is hoe de rotatie-as van een planeet in de loop van de tijd verandert. Eén term in deze vergelijking heeft bijdragen van alle satellieten. Het team redeneerde dat als er één satelliet uit deze som zou worden verwijderd, dit de precessie van de planeet zou kunnen beïnvloeden.
De vraag was, hoe massief zou die satelliet moeten zijn, en welke dynamiek zou hij moeten ondergaan om Saturnus uit de resonantie van Neptunus te halen?
Wisdom en zijn collega’s voerden simulaties uit om de eigenschappen van een satelliet te bepalen, zoals de massa en de baanstraal, en de orbitale dynamiek die nodig zou zijn om Saturnus uit de resonantie te halen.
Ze concluderen dat de huidige kanteling van Saturnus het resultaat is van de resonantie met Neptunus en dat het verlies van de satelliet, Chrysalis, die ongeveer zo groot was als Iapetus, de op twee na grootste maan van Saturnus, ervoor zorgde dat deze aan de resonantie kon ontsnappen.
Ergens tussen de 200 en 100 miljoen jaar geleden kwam Chrysalis een chaotische orbitale zone binnen, ervoer een aantal nabije ontmoetingen met Iapetus en Titan, en kwam uiteindelijk te dicht bij Saturnus, in een grazende ontmoeting die de satelliet aan stukken scheurde, waardoor een kleine fractie om de planeet te omcirkelen als een met puin bezaaide ring.
Het verlies van Chrysalis, ontdekten ze, verklaart de precessie van Saturnus en zijn huidige kanteling, evenals de late vorming van zijn ringen.
“Het is een redelijk goed verhaal, maar net als elk ander resultaat zal het door anderen moeten worden onderzocht”, zegt Wisdom. “Maar het lijkt erop dat deze verloren satelliet slechts een pop was, wachtend op zijn instabiliteit.”
Dit onderzoek werd gedeeltelijk ondersteund door NASA en de National Science Foundation.
