Door een nieuwe methode te ontwikkelen voor het op afstand meten van isotopenverhoudingen van water en kooldioxide, wetenschappers hebben ontdekt dat het water in de ringen en satellieten van Saturnus onverwacht is als water op aarde, behalve op Saturnusmaan Phoebe, waar het water ongebruikelijker is dan op enig ander object dat tot nu toe in het zonnestelsel is bestudeerd.

De resultaten, gevonden in de Icarus-paper "Isotopic Ratios of Saturn's Rings and Satellites:Implications for the Origin of Water and Phoebe" door Planetary Science Institute Senior Scientist Roger N. Clark, betekent ook dat we modellen van de vorming van het zonnestelsel moeten veranderen omdat de nieuwe resultaten in strijd zijn met bestaande modellen. Robert H. Brown (U. Arizona), Dale P. Cruikshank (NASA), en Gregg A. Swayze (USGS) zijn co-auteurs.

Isotopen zijn verschillende vormen van elementen, maar met verschillende aantallen neutronen. Het toevoegen van een neutron voegt massa toe aan het element, en dat kan processen veranderen van hoe een planeet, komeet, of maan wordt gevormd. Water bestaat uit twee waterstofatomen (H) en één zuurstofatoom, H2O. Een neutron toevoegen aan één waterstofatoom, toen deuterium (D) genoemd, verhoogt de massa van een watermolecuul (HDO) met ongeveer 5 procent, en die kleine verandering resulteert in isotopenverschillen in de vorming van een planeet, maan, of komeet, en verandert de verdamping van water na vorming. De deuterium-waterstofverhouding (D/H) is een vingerafdruk van de vormingsomstandigheden, inclusief temperatuur en evolutie in de tijd. Verdampend water verrijkt deuterium in het resterende oppervlak.

Modellen voor de vorming van het zonnestelsel geven aan dat de D/H veel hoger zou moeten zijn in het koudere buitenste zonnestelsel dan in het warmere binnenste systeem waar de aarde werd gevormd. Deuterium komt meer voor in koude moleculaire wolken. Sommige modellen voorspellen dat de D/H 10 keer hoger zou moeten zijn voor het Saturnus-systeem dan op aarde. Maar de nieuwe metingen laten zien dat dit niet het geval is voor de ringen en satellieten van Saturnus, behalve voor Saturnusmaan Phoebe.

De ontdekking van een ongebruikelijke isotopenverhouding van deuterium tot waterstof (D/H) voor Saturnusmaan Phoebe betekent dat het werd gevormd in en afkomstig is uit een ver deel van het zonnestelsel, zei Clark. "Phoebe's D/H-verhouding is de hoogste waarde die tot nu toe in het zonnestelsel is gemeten, wat een oorsprong impliceert in het koude buitenste zonnestelsel ver voorbij Saturnus."

Het team heeft ook de verhouding koolstof-13 tot koolstof-12 (13C/12C) gemeten op Saturnusmaan Iapetus en Phoebe. Iapetus, die ook D/H heeft, vergelijkbaar met de aarde, heeft ook 13C/12C dicht bij de waarden van de aarde, maar Phoebe is bijna vijf keer hoger in de koolstofisotoop. De aanwezigheid van koolstofdioxide stelt grenzen aan de hoeveelheid Phoebe die na vorming in de ruimte zou kunnen verdampen. de enige mogelijkheid achterlatend dat Phoebe gevormd is in de zeer koude buitenste regionen van het zonnestelsel, veel verder weg dan Saturnus, en werd vervolgens verstoord in een baan waar het werd gevangen door Saturnus. Hoe ver Phoebe precies is ontstaan, is niet bekend. Er zijn momenteel geen metingen van D/H of 13C/12C voor de ijzige oppervlakken op Pluto of Kuipergordel objecten voorbij Pluto, maar deze nieuwe methode zal ons in staat stellen om dergelijke metingen van het oppervlakte-ijs te doen.

De metingen werden tijdens de missie gedaan door het NASA Cassini-ruimtevaartuig met behulp van de Visual and Infrared Mapping Spectrometer (VIMS). Een verbeterde kalibratie van het instrument, begin 2018 voltooid, maakte de precisie mogelijk die nodig is voor deze metingen van gereflecteerd licht van de ringen en satellieten. De nieuwe methode voor het meten van isotopenverhoudingen op vaste stoffen zoals waterijs en kooldioxide-ijs met behulp van reflectiespectroscopie op afstand zal metingen van isotopenverhoudingen voor andere objecten in het hele zonnestelsel mogelijk maken, verdere beperkingen opleggen aan modellen van zonnestelselvorming.

De D/H-waarden van het Saturnus-systeem die dicht bij de waarden van de aarde liggen, impliceren een vergelijkbare waterbron voor het binnenste en buitenste zonnestelsel, en er moeten nieuwe modellen worden ontwikkeld waarbij de verandering van het binnenste naar het buitenste zonnestelsel minder is.

De NASA Europa Clipper-missie zou kunnen worden gebruikt om isotopenverhoudingen te meten op de ijzige Galileïsche satellieten rond Jupiter, en Clark is een co-onderzoeker op de missie en hoopt dergelijke metingen te doen.