Een team van onderzoekers heeft een nieuw model gepresenteerd voor de oorsprong van de ringen van Saturnus op basis van resultaten van computersimulaties. De resultaten van de simulaties zijn ook toepasbaar op ringen van andere reuzenplaneten en verklaren de verschillen in samenstelling tussen de ringen van Saturnus en Uranus. De bevindingen zijn op 6 oktober gepubliceerd in de online versie van Icarus .

De hoofdauteur van het artikel is HYODO Ryuki (Kobe University, Graduate School of Science), en co-auteurs zijn professor Sébastien Charnoz (Institute de Physique du Globe/Université Paris Diderot), Professor OHTSUKI Keiji (Kobe Universiteit, Graduate School of Science), en Project Associate Professor GENDA Hidenori (Earth-Life Science Institute, Tokio Instituut voor Technologie).

De reuzenplaneten in ons zonnestelsel hebben zeer diverse ringen. Waarnemingen laten zien dat de ringen van Saturnus voor meer dan 95% uit ijsdeeltjes bestaan. terwijl de ringen van Uranus en Neptunus donkerder zijn en een hoger rotsgehalte kunnen hebben. Sinds de ringen van Saturnus voor het eerst werden waargenomen in de 17e eeuw, het onderzoek naar de ringen is uitgebreid van telescopen op aarde tot ruimtevaartuigen zoals Voyagers en Cassini. Echter, de oorsprong van de ringen was nog onduidelijk en de mechanismen die leidden tot de diverse ringsystemen waren onbekend.

De huidige studie concentreerde zich op de periode die het late zware bombardement wordt genoemd en waarvan wordt aangenomen dat het 4 miljard jaar geleden in ons zonnestelsel heeft plaatsgevonden, toen de reuzenplaneten orbitale migratie ondergingen. Er wordt gedacht dat er in het buitenste zonnestelsel voorbij Neptunus enkele duizenden objecten ter grootte van Pluto (een vijfde van de grootte van de aarde) uit de Kuipergordel bestonden. Eerst berekenden de onderzoekers de kans dat deze grote objecten dicht genoeg bij de reuzenplaneten kwamen om te worden vernietigd door hun getijdenkracht tijdens het Late Heavy Bombardment. De resultaten toonden aan dat Saturnus, Uranus en Neptunus hebben deze grote hemellichamen meerdere keren van dichtbij meegemaakt.

Vervolgens gebruikte de groep computersimulaties om de verstoring van deze objecten in de Kuipergordel door getijdenkracht te onderzoeken toen ze de nabijheid van de reuzenplaneten passeerden (zie figuur 2a). De resultaten van de simulaties varieerden afhankelijk van de beginomstandigheden, zoals de rotatie van de passerende objecten en hun minimale naderingsafstand tot de planeet. Ze ontdekten echter dat in veel gevallen fragmenten die 0,1-10% van de oorspronkelijke massa van de passerende objecten uitmaakten, in banen rond de planeet werden gevangen (zie figuren 2a, B). De gecombineerde massa van deze gevangen fragmenten bleek voldoende te zijn om de massa van de huidige ringen rond Saturnus en Uranus te verklaren. Met andere woorden, deze planeetringen werden gevormd toen voldoende grote objecten heel dicht bij reuzen kwamen en werden vernietigd.

De onderzoekers simuleerden ook de langetermijnevolutie van de gevangen fragmenten met behulp van supercomputers van het National Astronomical Observatory of Japan. Uit deze simulaties bleek dat gevangen fragmenten met een aanvankelijke grootte van enkele kilometers naar verwachting herhaaldelijk aan hoge snelheid zullen botsen en geleidelijk in kleine stukjes worden verbrijzeld. Dergelijke botsingen tussen fragmenten zullen naar verwachting ook hun banen cirkelvormig maken en leiden tot de vorming van de vandaag waargenomen ringen (zie figuren 2b, C).

Dit model kan ook het verschil in samenstelling tussen de ringen van Saturnus en Uranus verklaren. Vergeleken met Saturnus, Uranus (en ook Neptunus) heeft een hogere dichtheid (de gemiddelde dichtheid van Uranus is 1,27 g cm-3, en 1,64 g cm-3 voor Neptunus, terwijl die van Saturnus 0,69 g cm-3 is). Dit betekent dat in het geval van Uranus (en Neptunus), objecten kunnen dicht bij de planeet passeren, waar ze extreem sterke getijdenkrachten ervaren. (Saturnus heeft een lagere dichtheid en een grote verhouding tussen diameter en massa, dus als objecten heel dichtbij passeren, zullen ze botsen met de planeet zelf). Als resultaat, als objecten in de Kuipergordel gelaagde structuren hebben, zoals een rotsachtige kern met een ijzige mantel en in de buurt van Uranus of Neptunus passeren, naast de ijzige mantel, zelfs de rotsachtige kern zal worden vernietigd en veroverd, ringen vormen die een rotsachtige samenstelling bevatten. Maar als ze Saturnus passeren, alleen de ijzige mantel zal worden vernietigd, ijsringen vormen. Dit verklaart de verschillende ringsamenstellingen.

Deze bevindingen illustreren dat de ringen van reuzenplaneten natuurlijke bijproducten zijn van het vormingsproces van de planeten in ons zonnestelsel. Dit houdt in dat reuzenplaneten die rond andere sterren zijn ontdekt, waarschijnlijk ringen hebben die door een soortgelijk proces zijn gevormd. De ontdekking van een ringsysteem rond een exoplaneet is onlangs gemeld, en verdere ontdekkingen van ringen en satellieten rond exoplaneten zullen ons begrip van hun oorsprong vergroten.