Wervelend rond de evenaar van de planeet, zijn de ringen van Saturnus een dode verassing dat de planeet op een helling draait. De reus met een riem draait in een hoek van 26,7 graden ten opzichte van het vlak waarin hij om de zon draait. Astronomen vermoeden al lang dat deze kanteling het gevolg is van zwaartekrachtinteracties met zijn buur Neptunus, terwijl de kanteling van Saturnus als een tol, met bijna dezelfde snelheid als de baan van Neptunus verloopt.

Maar een nieuwe modelstudie door astronomen van het MIT en elders heeft uitgewezen dat, hoewel de twee planeten ooit synchroon liepen, Saturnus sindsdien aan de aantrekkingskracht van Neptunus is ontsnapt. Wat was verantwoordelijk voor deze planetaire herschikking? Het team heeft één nauwkeurig geteste hypothese:een ontbrekende maan.

In een onderzoek dat verschijnt in Science , stelt het team voor dat Saturnus, die vandaag de dag 83 manen herbergt, ooit minstens één extra satelliet herbergde die ze Chrysalis noemen. Samen met zijn broers en zussen, suggereren de onderzoekers, draaide Chrysalis enkele miljarden jaren om Saturnus, trekkend en trekkend aan de planeet op een manier die zijn kanteling, of "scheefheid", 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 genoeg om Saturnus uit de greep van Neptunus te halen en met de huidige helling achter te laten.

Bovendien vermoeden de onderzoekers dat, hoewel het grootste deel van het verbrijzelde lichaam van Chrysalis mogelijk een impact heeft gehad op Saturnus, een fractie van zijn fragmenten in een baan om de aarde zou kunnen blijven hangen en uiteindelijk in kleine ijzige brokken uiteen zou vallen om de kenmerkende ringen van de planeet te vormen.

De ontbrekende satelliet zou daarom twee lang bestaande 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 inactief en werd plotseling actief, en de ringen kwamen tevoorschijn", zegt Jack Wisdom, hoogleraar 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

In het begin van de jaren 2000 brachten wetenschappers het idee naar voren dat de gekantelde as van Saturnus het resultaat is van het feit dat de planeet vastzit in een resonantie of zwaartekrachtassociatie met Neptunus. Maar observaties van NASA's Cassini-ruimtevaartuig, dat van 2004 tot 2017 in een baan om Saturnus draaide, gaven een nieuwe draai aan het probleem. Wetenschappers ontdekten dat Titan, de grootste satelliet van Saturnus, met een snelheid van ongeveer 11 centimeter per jaar sneller van Saturnus weg migreerde dan verwacht. De snelle migratie van Titan en zijn aantrekkingskracht leidden ertoe dat wetenschappers concludeerden dat de maan waarschijnlijk verantwoordelijk was voor het kantelen en het 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 helling 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 element

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 die Cassini had gedaan in zijn "Grand Finale", een fase van de missie waarin het ruimtevaartuig een extreem nauwe benadering maakte om nauwkeurig in kaart te brengen het zwaartekrachtveld rond de hele planeet. Het zwaartekrachtveld kan worden gebruikt om de verdeling van de massa op de planeet te bepalen.

Wisdom en zijn collega's modelleerden het binnenste van Saturnus en identificeerden een verdeling van massa die overeenkwam met het zwaartekrachtsveld 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 gesynchroniseerd, maar zijn dat niet meer.

"Toen 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 was leeg.

Dus onderzochten de onderzoekers de wiskundige vergelijkingen die de precessie van een planeet beschrijven, en dat 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 één satelliet van deze som zou worden verwijderd, dit de precessie van de planeet zou kunnen beïnvloeden.

De vraag was, hoe zwaar 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 omloopstraal, en de baandynamiek 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, het mogelijk maakte om aan de resonantie te ontsnappen.

Ergens tussen 200 en 100 miljoen jaar geleden betrad Chrysalis een chaotische orbitale zone, beleefde een aantal nauwe 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 overbleef om de planeet te omcirkelen als een met puin bezaaide ring.

Het verlies van Chrysalis, zo ontdekten ze, verklaart de precessie van Saturnus en zijn huidige helling, 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." + Verder verkennen

Welke planeet heeft de meeste manen? Manen van Saturnus, Venus en Jupiter uitgelegd