Solar System

Warum hat der größte Planet im Sonnensystem so dünne Ringe? Neue Forschungsergebnisse zeigen, dass die Jupitermonde schuld sein könnten.

Das Infrarotbild des James-Webb-Weltraumteleskops zeigt deutlich Jupiters dünnen Ring. (Die Monde Thebe, Europa, Metis und Adrastea, von links nach rechts, sind ebenfalls sichtbar.)NASA / ESA / CSA / Judy Schmidt

Die Natur hat dem größten Planeten des Sonnensystems einen anämischen Satz von Ringen gegeben. Die Ringe des Saturn wurden seit der Erfindung des Teleskops als eine der Prachtstücke des Sonnensystems bezeichnet, aber niemand bemerkte, dass Jupiter seinen eigenen, viel kleineren Satz hatte, bis die Raumsonde Voyager 1 am 5. März 1979 vorbeiflog.

Warum sollten die Ringe des Saturn, der ein Drittel der Masse des Jupiters hat, die schwachen Ringe um den größeren, massereicheren Planeten so überstrahlen?

Positionen von Ringen vs. MondenDieses Diagramm zeigt die relativen Größen und Entfernungen der Monde von Jupiter bzw. Saturn. Die rot gestrichelten Linien markieren die Roche-Grenzen der Planeten, innerhalb derer die Gravitationskräfte der Gezeiten verhindern, dass sich Monde bilden oder auseinanderbrechen, die zu nahe driften. Kane & Li 2022

Zumindest ein Teil der Antwort könnte sein, dass Jupiters drei innerste Monde im Weg standen. Ein Computermodell der galiläischen Satelliten zeigt, dass die gleiche Gravitationsresonanz, die Io, Europa und Ganymed in einem Bahngleichschritt von 4:2:1 hält, auch den äquatorialen Umlaufbahnen den Staub entzieht, der Ringe bilden könnte.

„Ich habe mich immer gefragt, warum Saturn diese herrlichen Ringe hat“, sagt Stephen Kane (University of California, Riverside). Um herauszufinden, warum Jupiters Ringe nicht übereinstimmen, entwickelten er und sein Student Zhexing Li (ebenfalls an der UCR) ein Computermodell, um zu sehen, welche Wirkung die vier galiläischen Jupitermonde auf einen dicken Staubring um den Planeten haben würden.

Ringe sind dynamisch und ihre Form und Größe zu einem bestimmten Zeitpunkt hängt von der Masse des Planeten ab, den sie umkreisen, und der Geschichte der ihn umkreisenden Monde. Innerhalb eines Punkts, der als Roche-Grenze bezeichnet wird, dominiert die Schwerkraft des Planeten und verhindert, dass sich Monde bilden, und reißt alle Monde auseinander, die zu nahe driften. Stattdessen bilden sich dort Ringe. Saturns hellste Ringe liegen innerhalb der Roche-Grenze, ebenso wie die meisten Jupiterringe.

Aber auch außerhalb der Roche-Grenze können sich Ringe bilden, wie sie es sowohl um Saturn als auch um Jupiter tun. Hier spielt die Anziehungskraft der Monde eine Rolle, behauptet Kanes Team.

Die Umlaufbahnen der drei innersten großen Jupitermonde – Io, Europa und Ganymed – sind in einer starken periodischen Resonanz eingeschlossen: Io umkreist Jupiter viermal und Europa zweimal, wenn Ganymed den Planeten einmal umkreist. (Der äußerste galiläische Mond, Callisto, geriet in eine andere Resonanz: Er ist gezeitenabhängig, sodass er bei seiner Umlaufbahn immer der gleichen Seite zu Jupiter zugewandt ist, genau wie die gleiche Seite des Erdmonds immer unserem Planeten zugewandt ist.)

Kanes Computermodell zeigte, dass die Resonanz zwischen den inneren Monden innerhalb einer Million Jahre jeglichen Staub von Jupiters Roche-Grenze bis zu 28 Jupiterradien von den Wolkenoberseiten des Planeten entfernen würde. Nur wenige Locken würden in dieser Region verbleiben, einige zwischen Ganymedes und Callistos Umlaufbahnen und einige in der Nähe von Callistos Umlaufbahn. Als Kane und Li ihr Modell auf eine Lebensdauer von 10 Millionen Jahren ausbauten, verschwanden auch die inneren Löckchen.

Umlaufbahnresonanzen mit Ganymed und Callisto würden Material jenseits von 29 Jupiterradien – weit über Callistos Umlaufbahn – innerhalb von zig Millionen Jahren beseitigen, berichtet das Team im Planetary Science Journal.

Jupiter, wenn er Ringe wie die von Saturn hätteDie Konzeption dieses Künstlers zeigt, wie Jupiter aussehen würde, wenn seine Ringe so ausgedehnt wären wie die von Saturn. Wenn Jupiter jemals solche Ringe gehabt hätte, hätten sie nicht lange gehalten.Stephen Kane / UCR

Während Kane feststellt, dass die Monde innerhalb der Roche-Grenze wenig Wirkung haben, ist es möglich, dass das Magnetfeld von Jupiter, das im Modell nicht berücksichtigt wird, verhindern könnte, dass sich dort Material ansammelt.

Als weiteren Vergleichspunkt möchte Kane Uranus studieren. Obwohl er bei weitem nicht so hell ist wie der des Saturn, waren seine Ringe die zweiten, die unter den Riesenplaneten beobachtet wurden, und sie sind dick genug, um entfernte Sterne zu verdecken. Beobachter können diese Bedeckungen verwenden, um die Ringe zu messen.

„Wir verstehen nicht [Uranus’s] dynamische Geschichte“, bemerkt Kane; das liegt daran, dass er auf die Seite gekippt ist, mit seinem Äquator senkrecht zu seiner Umlaufbahn, vielleicht aufgrund einer massiven Kollision vor langer Zeit. Dennoch könnte das Studium der Monde und Ringe von Uranus helfen, ihre Theorie zu testen. Die Suche nach Ringen auf Exoplaneten könnte dies tun bieten einen definitiveren Test, aber nur mit direkter Bildgebung, die für alle außer den nächstliegenden potenziellen Zielen über die aktuelle Technologie hinausgeht.


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