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Ringplanet Saturn: Wie entstand der F-Ring von Saturn?

Der schmale F-Ring des Saturn entstand durch eine Kollision zweier Protomonde in der Frühzeit des Sonnensystems. Dies ergeben numerische Simulationen von zwei japanischen Forschern.
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Seit seiner Entdeckung im Jahr 1979 durch die US-Raumsonde Pioneer 11 gibt der schmale F-Ring des Saturn, der sich 3400 Kilometer außerhalb der auffälligen Hauptringe des Planeten befindet, Rätsel auf. Wie konnte ein nur rund 100 Kilometer breiter Ring entstehen und über mehr als vier Milliarden Jahre bestehen bleiben? In welchem Zusammenhang stehen der F-Ring und die begleitenden Schäfermonde? Diesen Rätseln näherkommen wollten die beiden japanischen Forscher Ryuki Hyodo und Keiji Ohtsuki von der Kobe University. Sie setzten numerische Simulationen ein, um dem F-Ring auf die Schliche zu kommen. Sie stellten fest, dass sowohl der F-Ring als auch die beiden Monde aus der Kollision zweier Protomonde in der Frühzeit des Sonnensystems vor mehr als vier Milliarden Jahren hervorgegangen sind. Bislang war nämlich unklar, wie der F-Ring zu seinen beiden Schäfermonden kam.

Der F-Ring von Saturn mit den Schafhirten-Monden Pandora und PrometheusLaden...
Der F-Ring von Saturn mit den Schafhirtenmonden | Rund 100 Kilometer breit ist der F-Ring des Saturn. Er wird von den beiden Schäfermonden Pandora (außen) und Prometheus (innen) begleitet, die den Ring zusammen- und schmal halten.

Der F-Ring befindet sich an der Übergangszone vom Ringsystem zu den Monden des Saturn. Innerhalb dieser Zone dominieren die Gezeitenkräfte des Gasriesen, außerhalb davon ballt sich Materie zu Monden zusammen, die von ihrer eigenen Schwerkraft und von den Kohäsionskräften zusammengehalten werden. Wie alle Staubscheiben haben auch die Saturnringe die Tendenz sich auszubreiten. An der Übergangszone kommt es daher zur Bildung anfangs instabiler Aggregate aus Eispartikeln, aus denen allmählich kleine Monde entstehen. Diese kollidieren miteinander und verschmelzen dabei meist zu einem größeren Objekt. Dies geschah in der ursprünglichen, dichten massereichen Scheibe um Saturn und sorgte für die Entstehung der zahlreichen Saturntrabanten.

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Prometheus und Pandora im Umlauf um Saturn | Die Monde Prometheus (rechts) und Pandora (links) halten mit ihrer Schwerkraft den schmalen F-Ring von Saturn zusammen.

Hyodo und Ohtsuki simulierten nun die Aggregate im Bereich der Übergangszone als eine Ansammlung mehrerer tausend kugelförmiger Partikel, die nur ihrer Schwerkraft und den Saturngezeiten unterliegen. In den Simulationen, bei denen die Protomonde lediglich aus feinen Eispartikeln bestehen, kommt es bei den Kollisionen zur Bildung eines Rings ohne Begleitmonde. Nimmt man dagegen an, dass die Protomonde einen festeren Kern aus silikatischem Material oder aus festem Wassereis enthalten, kann je ein Teil der Protomonde die Kollision überstehen und auf beiden Seiten des Rings den Saturn umrunden. Die Idee eines Kerns aus dichterem Material ist nicht unsinnig, denn Beobachtungen der noch näher an Saturn befindlichen Kleinmonde Pan und Atlas weisen darauf hin, dass sie aus einem silikatischen Kern mit einer Umhüllung aus Eis bestehen.

Bei den Simulationen zeigte sich auch, dass es auf den Kollisionswinkel ankommt. Kollidieren die beiden Protomonde frontal, so wird aus ihnen einfach ein größerer Himmelskörper. Stoßen sie dagegen in einem schrägen Winkel aufeinander oder schrammen nur aneinander vorbei, so werden die Protomonde teilweise zerstört, und es entsteht eine Unmenge an kleinen Bruchstücken, die sich in der Nähe der Umlaufbahnen der beiden Monde ansammeln und einen Ring bilden. Die beiden Restmonde driften durch die Kollision auf getrennte stabile Umlaufbahnen und halten das zwischen ihnen befindliche Material auf engem Raum zusammen. In vielen Simulationen ergaben sich ungefähr die gleichen Massen für die Monde und den zwischen ihnen befindlichen Ring. Dies stimmt mit den Beobachtungen der Raumsonde Cassini überein, hier weisen die beiden Monde Prometheus und Pandora zusammen etwa so viel Masse auf wie der komplette F-Ring.

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