Der Sternenhimmel im August 2023

Beitrag: Thomas Baer, Redaktion ORION

Thema des Monats: Die Ringe des Saturn

Als die ersten Teleskope vor über 400 Jahren auf Saturn gerichtet wurden, staunten ihre Beobachter über die «Henkel» oder «Ohren», die der Planet zeigte. Was wurde damals spekuliert, was es mit diesem «Anhängsel» auf sich haben könnte. Auch über die Beschaffenheit der Ringe wurde bis ins Raumfahrtzeitalter gerätselt. «Globi», die Schweizer Kultfigur, jedenfalls drehte auf Rollschuhen ihre Runden; aus heutiger Sicht eine ziemlich holprige Angelegenheit. Wir beleuchten, wie sich die Sicht und das Wissen von Saturns Wahrzeichen im Laufe der Jahrhunderte gewandelt hat.

Saturn ist unter den Planeten nach wie vor der «Star». Wer ihn zum allerersten Mal durch ein Teleskop live zu Gesicht bekommt, mag wohl seinen Augen nicht trauen. Er sieht ja tatsächlich so aus, wie wir ihn von Bildern her kennen! Aber selbst in Astronomenkreisen löst sein Anblick stets aufs Neue Verzücken aus. Über die Jahre betrachtet, ändert sich die Sicht von der Erde aus in perspektivischer Weise. Wie die Erde ist auch Saturn gegenüber seiner Umlaufbahn um 27° geneigt. Da sich seine Ringe in der Äquatorebene befinden, erscheinen sie uns einmal mehr oder weniger geöffnet. Um das Jahr 2016 konnten wir die volle Pracht der Ringe bestaunen; sie waren damals maximal geöffnet, und wir blickten von Norden her auf das Saturnsystem. Seither werden die Ringe schmaler. Aktuell sind sie noch 9° geöffnet. Daher ist das Rückstrahlvermögen von Saturn nicht mehr so gross wie noch vor einigen Jahren. Erreichte er 2017 zum Zeitpunkt seiner Opposition noch eine scheinbare Helligkeit von +0.0^mag, so sind es am 27. August 2023 nur noch +0.6^mag. Klar; weniger reflektierende Ringfläche bedeutet eine geringere Helligkeit.

Über die Jahre hinweg verändert sich die Sicht auf die Saturnringe. (Infografik: Thomas Baer, Redaktion ORION)

Bis März 2025 werden die Ringe immer schmaler, sprich, der Blickwinkel wird flacher. Bald erscheinen sie uns nur noch wie eine Linie, und am 24. März 2025 (sofern wir ihn sehen könnten – Saturn steht dann fast in Konjunktion mit der Sonne) würde man den Planeten für einen Tag ohne sein «Wahrzeichen» sehen. Dann blicken wir von der Erde aus exakt auf die Ringkante.

Die ersten Beobachtungen und Interpretationen

1610 entdeckte Galileo Galilei die Ringe Saturns. Allerdings konnte er seine wahre Natur durch sein Linsenteleskop nicht richtig erkennen. Er beschrieb sie als Henkel. Von Jupiter her wusste er, dass dieser von Monden umkreist wird. So vermutete Galilei, dass es sich auch bei Saturn um Monde handeln könnten, die den Planeten allerdings wesentlich enger umrundeten. Es verstrich ein knappes halbes Jahrhundert, ehe der holländische Astronom Christiaan Huygens die Saturnringe als flache Scheibe sah, welche die Planetenkugel nicht berührt und gegen die Ekliptik geneigt ist. Seine Skizzen erklären anschaulich, wie sich die Sicht auf das Ringsystem im Laufe eines Saturnumlaufs um die Sonne verändert. Noch etwas konkreter wurde Giovanni Domenico Cassini, der die Vermutung äusserte, es könnte sich bei den Ringen um lose Partikel handeln, welche den Planeten umkreisen. Im Jahre 1675 entdeckte er die nach ihm benannte Teilung im Ringsystem.

Galileo Galilei konnte die Natur der Saturnringe noch nicht entschlüsseln. (Quelle: Wikipedia)

Christiaan Huygens war der erste Astronom, der Saturns Ringe als unabhängige «Scheibe» um die Planetenkugel erkannte und auch die verschiedenen Ansichten erklären konnte. (Quelle: Wikipedia)

Raumsonden lüften das Geheimnis

Mit den besser werdenden Fernrohren wurden stets neue Details sichtbar. Es gab also nicht bloss nur die zwei Hauptringe B und A, sondern es kamen von innen nach aussen der D- und C-Ring, sowie anschliessend an den A-Ring, die Ringstrukturen F, G und E hinzu. Die Bezeichnungen sind in der Reihenfolge ihrer Entdeckung erfolgt. Von der Erde aus kann man die Cassinische Teilung zwischen B- und A-Ring bei sehr klarer Sicht teleskopisch gut erkennen, bei etwa 1000-facher Vergrösserung auch die vom deutschen Astronomen Johan Encke im Jahre 1837 entdeckte 200 bis 330 km breite Lücke im äusseren Bereich des A-Rings. Es dauerte aber bis ins Raumfahrzeitalter, ehe man feststellte, dass sich jede Ringstruktur in unzählige feine Unterringe gliedern lässt. Die US-amerikanische Raumsonde Pioneer 11 flog am 1. September 1979 als erste Planetensonde überhaupt in 21’000 km Entfernung an Saturn vorüber. Auf den rund 400 Bildern konnten die Wissenschaftler sehen, dass die schwarzen Ringlücken doch nicht einfach schwarz waren, wenn sie in Sonnenrichtung beobachtet wurden. Demnach mussten auch sie Materie enthalten, einfach in viel geringerem Ausmass. Erst der Besuch der Raumsonde Voyager 1 am 13. November 1980 und der Vorbeiflug ihrer Schwestersonde Voyager 2 am 26. August 1981 lieferten die ersten hochauflösenden Bilder des Planeten und seiner Ringe. Voyager 1 hatte allerdings eine ungünstige Flugbahn, um die Ringe Saturns genauer zu untersuchen. Daher wurde Voyager 2 kurzerhand umprogrammiert, um doch noch eine bessere Sicht auf die Ringstrukturen zu haben.

Saturns Ringstruktur. (Quelle: Wikipedia)

Die Drehung der Ringstruktur

Nach den Gesetzen von Johannes Kepler umkreisen die Saturnringe den Planeten nicht, wie man vielleicht annehmen könnte, wie eine drehende Schallplatte. Die losen Trümmer, von Kieselsteingrösse bis zu einigen Dutzend Metern Durchmesser, laufen rechtläufig in der Äquatorebene des Planeten, die inneren schneller als die weiter entfernten. Die Zahlen machen es deutlich: Die innere Kante des D-Rings mit einem Radius von 67’000 km benötigt 4.91 Stunden für eine volle Umrundung, während die äussere Kante des B-Rings in 117’500km bereits 11.41 Stunden, der äussere Rand des A-Rings (Radius 135’200 km) 14.14 Stunden und der feine, erst 2009 durch das Spitzer-Weltraumteleskop entdeckte Phoebe-Ring (Radius 12’000 000 km), in 551 Tagen den Saturn umlaufen. Schon auf den Bildern der Voyager 2 Sonde entdeckten die Wissenschaftler dunklere Strukturen in den Ringen, die an die Speichen eines Fahrrads erinnern. Interessanterweise wurden diese ab 1989 schwächer und konnten erst wieder auf Bildern von Cassini im Jahr 2005 nachgewiesen werden. Zuerst dachte man an eine mögliche Wechselwirkung mit Saturns Magnetfeld, doch amerikanische Forscher glaubten, dass es sich um winzige geladene Staupartikel im Mikrometerbereich handeln könnte, welche durch die UV-Strahlung der Sonne in einen Schwebezustand gebracht werden. Je nach Sonnenstand aufgrund der Schiefe der Saturnringe verändert sich auch der Winkel des einfallenden UV-Lichts. Die Speichen entstehen vorzugsweise dann, wenn die Sonne in der Ringebene Saturns steht und halten dann für etwa acht Jahre. Diese Aufladungstheorie wurde indessen kontrovers diskutiert.

Was genau die «Speichen» in den Saturnringen (helle und dunkle radiale Gebiete) verursacht, wird in Astronomenkreisen kontrovers diskutiert. (Bild: NASA)

Monde in den Ringen

Über die Entstehung der Saturnringe kursieren unterschiedliche Erklärungen. Eine lange verbreitete Vermutung, die schon im 19. Jahrhundert geäussert wurde und auf den ersten Blick auch plausibel erscheint, war, dass ein Mond dem Saturn zu nahe kam und durch die gravitativen Kräfte zerrissen wurde. Ein anderes Szenario geht von einer Kollision eines Kometen oder Asteroiden mit einem Mond aus. Andere Forscher vertreten indessen die Idee, die Ringe könnten zur selben Zeit wie Saturn entstanden sein. Vorübergehend trat diese These etwas in den Hintergrund, ehe neue Daten der Raumsonde Cassini im Dezember 2007 über die Altersbestimmung der Ringpartikel interessante Erkenntnisse lieferten. Nach denen soll die Ringmaterie 4.5 Milliarden Jahre alt sein. Die Ringstrukturen werden von sogenannten Schäfermonden mitgestaltet. Einer von ihnen ist der 35 x 32 x 21 km kleine Mond Pan, der innerhalb der 325 km breiten Encke-Teilung kreist und diese Zone weitgehend von Ringpartikeln befreit hat. Seine Umlaufbahn ist mit einer Exzentrizität von 0.0000144 nahezu ein Kreis und weicht bezüglich der Äquatorebene lediglich um 0.001° ab (maximal±4km). Pan steht mit dem Mond Prometheus, der als Schäfermond des F-Rings in der Roche-Teilung Saturn umläuft, in einer Resonanz, die nahe bei 16 : 15 liegt und eine Periodendauer von 108 Tagen aufweist. Seit der Entdeckung des nur rund 300 m kleinen Mondes S/2009S1, auch Moonlet genannt, wissen wir, dass im B-Ring ebenfalls ein Trabant seine Bahn zieht. Im A-Ring kennt man solche Moonlets bereits seit 2006. Die sie umgebende Ringmaterie ordnet sich in der Art eines zweiflügligen Propellers an. Bei S/2009S1 konnte man dieses Phänomen allerdings nicht beobachten. Der B-Ring ist einiges dichter als der A-Ring. So füllen sich die durch ihn erzeugten Lücken viel schneller wieder auf.

Aufnahme von Pan durch die Raumsonde Cassini aus einer Entfernung von 209’000 km. (Bild: NASA)

Der Hirtenmond Prometheus stabilisiert den F-Ring (Bild: Cassini, 29. Oktober 2004)

Saturnringe sind extrem dünn

Was immer wieder erstaunt, sind die Ausmasse der Saturnringe. Die an einem Teleskop sichtbaren Strukturen reichen bis in eine Entfernung von 136’780 km. Noch feinere Strukturen haben einen Durchmesser von fast 1 Million km. Dagegen sind die Ringe mit einer «Dicke» von 10 bis ca. 400 m (!) – je nach Quelle – so extrem dünn, dass man sie in einem Planetenmodell von Fussballgrösse (Saturnkugel) gar nicht mehr darstellen könnte (0.00018 mm)!
Warum sich die Materieschleppe um Saturn in dessen Äquatorebene als dünne Scheibe angeordnet hat, hat physikalische Gründe. Die Wissenschaftler gehen davon aus, dass die Ringe in ihrer Entstehungsphase einst viel mächtiger waren. Auf ein einzelnes Ringpartikel wirken Kräfte (Fliehkraft / Gravitation). Wenn man diese Kräfte als Vektoren darstellt, erkennt man rasch, dass das Objekt – so lange es nicht in der Äquatorebene liegt – durch den resultierenden Richtungsvektor in diese Ebene «driftet». So wurden Saturnringe im Laufe ihrer Entstehung und Entwicklung ähnlich wie eine Akkretionsscheibe immer mehr strukturiert.

In dieser Infografik wird gezeigt, warum sich die Ringpartikel um Saturn in dessen Äquatorebene anordnen. (Infografik: Thomas Baer, Redaktion ORION)

Das James Webb Teleskop zeigt die Saturnringe in einem neuen «Look»

Eigentlich sollte das James Webb Teleskop in die tiefen des Alls und möglichst nah an den Urknall blicken, doch ab und zu zielt es auch auf Objekte in unserem Sonnensystem. Erst kürzlich nahm es den Planeten Saturn ins Visier und zeigte ihn für einmal in einem ganz anderen «Look»! In der infraroten Wellenlänge, in der das Teleskop beobachtet, erscheint der Planet selbst sehr dunkel. Das Methangas in Saturns Atmosphäre absorbiert praktisch das gesamte Sonnenlicht. Die «eisigen» Ringe bleiben jedoch relativ hell, was zu dem ungewöhnlichen Erscheinungsbild des Saturn auf dem Webb-Bild führt.

Dieses Bild wurde im Rahmen des Webb Guaranteed Time Observation-Programms 1247 aufgenommen. (Bild: JWST / NASA)

Das Observation-Programm 1247 umfasste mehrere präzise Aufnahmen des Saturn, mit denen die Fähigkeit des Teleskops getestet werden sollte, schwache Monde um den Planeten und seine hellen Ringe zu erkennen. Alle neu entdeckten Trabanten könnten Wissenschaftlern dabei helfen, ein vollständigeres Bild des aktuellen Saturnsystems sowie seiner Vergangenheit zu erstellen.
Dieses neue Bild von Saturn zeigt deutliche Details im Ringsystem des Planeten sowie mehrere Monde des Planeten – Dione, Enceladus und Tethys. Zusätzliche schärfere Aufnahmen (hier nicht gezeigt) werden es dem Team ermöglichen, einige der schwächeren Ringe des Planeten zu untersuchen, die auf diesem Bild nicht sichtbar sind, einschliesslich den dünnen G-Ring und den diffusen E-Ring.

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