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Far Out
Ringsysteme
 

588 Millionen Kilometer weiter draußen als unser blauer Planet zieht der majestätische Jupiter seine Bahn. Die Kraft der Sonne schrumpft auf ein 25stel des von der Erde gewohnten. Mehr als doppelt so weit von der Erde entfernt ist Saturn. Bis hier her reicht unser Auge. Bis vor kaum mehr als 200 Jahren war hier die Welt des Astronomen zu Ende.
Uranus - nur dem wahrhaft Geübten sichtbar, Neptun und Pluto jenseits unserer natürlichen Wahrnehmungsfähigkeit.
Weit draußen - Far Out.

Erst durch Voyager 2 wurde endgültig bestätigt: Die vier großen Gasriesen sind umgeben von Ringen. Von zarten Staubschleiern um Jupiter bis hin zum strahlend umkränzten Saturn.

Bevor es nun richtig ins Detail geht sei noch ein Hinweis erlaubt: Obwohl wir Menschen mit Teleskopen schon Milliarden Lichtjahre weit in den Weltraum schauen können, gibt es direkt vor unserer Haustüre noch viele ungelöste Rätsel. Viele Informationen und Theorien der folgenden Seiten werden unter den Wissenschaftlern noch diskutiert. Gerade die Ringsysteme der äußeren Planeten sind noch in weiten Teilen unverstanden. Womöglich werden viele Daten und Theorien schon in den nächsten Jahren umgeworfen, wenn Cassini bei Saturn eintrifft und ihn lange Zeit aus nächster Nähe beobachtet.

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Das Ringsystem des Saturn, in der Mitte die Cassini-Teilung (NASA / JPL)

Geschichtliche Entwicklung

Erst 1655 von Huygens als Ring erkannt, wurde das Phänomen um Saturn 1675 von Cassini weiter erforscht. Er sah als erster die nach ihm benannte Cassini-Teilung, sah daß Saturn von einem Ringsystem umgeben war. Und er glaubte schon zu dieser Zeit, daß es sich um viele kleine Körper handele, die Saturn umkreisten. Die meisten Wissenschaftler gingen jedoch von starren Ringen aus.
1830 wurde die Encke-Teilung entdeckt, der Breite A-Ring hatte einen weiteren dünnen Ring an seinem Rand. Erst 1895 wurde durch Spektroskopie der Beweis für Cassinis Vorstellung von kleinen Brocken und Staubteilchen erbracht. 
Die Fragen rissen nicht ab. Die Reibung der Staubteilchen untereinander mußte deren Bahnen instabil machen. Nach spätestens einigen tausend Jahren hätte das Phänomen sich restlos aufgelöst.
Aus diesen Gedanken heraus resultieren die verschiedenen Theorien um die Entstehung der Ringe.
Sind es Materiereste, die sich nie zu einem Mond um Saturn formen konnten?
Sind es Reste eines zertrümmerten Mondes?
Bei Sternbedeckungen vermaß man die Ringe photometrisch. Auf diese Weise entdeckte man auch bei den anderen 3 Gasriesen Anzeichen für dünne Ringe.
Erst mit den überaus erfolgreichen Sonden Pioneer 10 und 11, vor allem aber Voyager 1 und 2 konnten wesentliche Erkenntnisse darüber gewonnen werden, was sich weit draußen im Sonnensystem abspielt.

Saturn
„Prachtstück der Sammlung einheimischer Ringsysteme“

Schon 20 Jahre nach Huygens´ Erkenntnis „Saturn ist von einem Ring umgeben“ machte Cassini klar, daß es gleich 2 Ringe sein mußten. Schwache Wolkenstrukturen auf Saturn ließen den Äquator des Saturns erahnen. Es zeigte sich, daß das Ringsystem in der Äquatorebene liegt. Die Entdeckung der Encke-Teilung erweiterte das bereits hefitg diskutierte Ringsystem.
Anfang der 70er Jahre des 20.Jahrhunderts wurde ein 6-fach Unterteiltes System vermessen.
Nach dem Vorüberflug der Raumsonde Voyager 1 wurde klar: es handelt sich um dutzende sehr filigrane und scharf begrenzte Ringe. Je genauer man diese Ringbereiche auflöst, desto mehr Unterteilungen werden deutlich, die Zahl der tatsächlich vorhandenen Einzelringe geht wohl in die Tausende.
Die scharfe Abgrenzung der Ringe ließ nur eine der bisherigen Theorien möglich erscheinen: Die Ringe werden durch die Anziehungskraft nahegelegener Schäfermonde stabilisiert und eventuell auch mit Material versorgt. Einschlagende Meteoriten könnten bei Monden mit Durchmessern von 20 Kilometern oder weniger genügend Staub aus deren Anziehungsbereich befördern.

Voyager 2 entdeckte auch für einige Ringbereiche entsprechende Monde. Kurz vor der Jahrtausendwende gelang auch die Entdeckung einiger im Ring mitlaufender Schäfermonde für den E-Ring mittels erdgebundener Teleskope. Die hellen Ringbereiche und Saturn selbst wurden dabei mit einer speziellen Kegelblende abgedunkelt.

Die Ringe an sich sind Zusammengesetzt aus Staub, Eis und gefrorenem Methan. Ungeklärt ist bis heute die Erscheinung speichenartiger Verdunklungen in den breiteren Saturnringen. Es könnte sich um Einflüsse des Magnetfelds um Saturn handeln.
Die verschiedenen Ringe oder besser Ringbereiche werden bei Saturn mit lateinischen Großbuchstaben in der Reihenfolge ihrer Entdeckung bezeichnet. Die Cassini-Teilung liegt damit also zwischen den beiden zuerst entdeckten Ringen A und B. Die A-Komponente ist der Ring außerhalb der Cassini-Teilung.
60.330 Kilometer sind ein Saturn-Radius in der Äquatorebene. Hier liegt die Wolkenoberfläche bei ca. 100 Millibar Atmosphärendruck. Schon 6670 Kilometer höher beginnt der innerste Saturnring, der D-Ring.  Der D-Ring ist ein recht schwacher Ring.
74.400 Kilometer von der Saturnmitte aus gemessen beginnt der C-Ring. Einige Feinstrukturen des C-Rings beginnen schon bei einem Radius von 73.200 Kilometer. Der C Ring ist bereits deutlich dichter als der D-Ring.
Der B-Ring erstreckt sich über die Bereiche zwischen 91.900 Kilometer bis 117.400 Kilometer Radius. Der Ring ist sehr scharf begrenzt und sehr dicht. Der Radius der äußeren Kante verschiebt sich in Bereichen von mindestens 140 Kilometern.
An der Aussenkante des B-Rings beginnt die Cassini-Teilung. Sie erstreckt sich von 117.400 Kilometer bis 121.900 Kilometer Radius. So deutlich sich die Cassini-Teilung auch vom hellen B-Ring abhebt, es befinden sich dennoch einige dünnere Ringstrukturen darin.
Die Cassini Teilung ist also bei weitem nicht frei von Materie. Ein Resonanzverhalten der Materie mit dem Saturnmond Mimas ist für das Entstehen der Cassini-Teilung verantwortlich.
An die Cassini-Teilung schließt sich der A-Ring an.
Er erstreckt sich über den Radius von 121.900 bis
136.600 Kilometer. Der A-Ring ist ähnlich dicht wie der B-Ring. Bei etwa 133.400 Kilometer Abstand von der Saturnmitte findet man eine etwa 320 Kilometer breite Lücke im A-Ring, die Encke-Teilung. Der etwa 10 Kilometer große Schäfermond Pan umkreist genau in dieser Lücke Saturn und hält diesen Bereich frei von Materie.
 

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A-Ring mit Encke-Teilung und Pan (Nasa / JPL)

Etwas außerhalb des A-Rings umkreist der Schäfermond Atlas Saturn. Dann folgt der schmale F-Ring mit 140.600 Kilometer Radius. Seine Schäfermonde sind Prometheus an der Innenseite und Pandora an der Außenseite. Der F-Ring ist zwar sehr schmal, sein Reflexionsvermögen erreicht jedoch den Albedo-Wert 0,6 genau wie A- und B-Ring.

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Pandora und Prometheus halten den dünnen F-Ring zusammen. Der Innen laufende Prometheus hat gerade Pandora überholt
(NASA / JPL).

In der recht großen Lücke zwischen dem F- und G-Ring kreisen die beiden Monde Janus und Epimetheus. Typisch für das Saturnsystem ist, das die beiden Monde sich quasi die Umlaufbahn teilen, ihre Bahnradien unterscheiden sich nur sehr wenig.
Der G-Ring ist ebenfalls sehr schmal bei einem Radius von etwa 140.300 Kilometer.
Bei 180.000 Kilometer Radius beginnt der E-Ring. Er erstreckt sich bis etwa 480.000 Kilometer in den Weltraum hinaus. Innerhalb dieser Ringzone, bei 185.520 Kilometer mittlerem Bahnradius umkreist Mimas den Saturn. Immer noch innerhalb des nach außen hin schwächer werdenden E-Rings folgen die Monde Enceladus, Tethys, Dione und Rhea am äußeren Rand. Seine größte Dichte hat der E-Ring etwa bei Enceladus.
Im Gegensatz zu den anderen Ringbereichen, deren Materie nur in der Äquatorebene Saturns verteilt ist, erreicht der E-Ring in dieser Richtung eine nach außen hin zunehmende Stärke von bis zu 60.000 Kilometern. Der Zuwachs ist nicht gleichmäßig. Zwischen Mimas und Enceladus bleibt die Stärke in etwa konstant. Bei Enceladus selbst, dem Ort der größten Dichte dieses Bereichs findet man eine Einschnürung. Von dort an nimmt die Stärke nach außen hin einigermaßen gleichmäßig zu, wobei sich die Materiedichte laufend verringert.

Die Stabilisierung der Ringe erfolgt, nach den heute gängigen Theorien, durch Schäfermonde. Dies bedeutet, daß Monde in der Nähe eines Rings aus Staub und kleineren Materiebrocken diesen Ring durch ihre Anziehungskraft stabilisieren. Ein einzelner Schäfermond erzeugt hinter sich quasi einen Gravitationssog, der die Ringteilchen in eine Art dünnen Schlauch zwingt.
Zwei Schäfermonde erzeugen zwischen ihren Umlaufbahnen einen Bereich, in den Staubteilchen gezogen werden. Der Innere Schäfermond wird allerdings durch die wechselseitige Anziehungskraft zu den Ringteilchen abgebremst, der äußere Schäfermond wird beschleunigt. Dies bedeutet auf lange Sicht, daß der innere Mond langsam „abstürzt“, während der äußere Mond immer weiter vom Planeten weg driftet. Das Schicksal des inneren Schäfermondes wäre es dann, von den Gezeitenkräften des Planeten zerrissen zu werden, wenn er unterhalb der Roche-Grenze driftet. Seine Trümmer dürften einen neuen Ring bilden und größere Brocken, deren individuelle Roche-Grenze noch näher am Planeten liegt, könnten wieder zu Schäfermonden werden.
Im Hinblick auf das Alter unseres Sonnensystems muß man nach allen bisherigen Theorien davon ausgehen, daß Planetenringe nur kurzlebige Phänomene sind. Schäfermonde erhöhen die Stabilitätsdauer eines Ringsystems wesentlich, aber nicht auf ewig.




Uranus

Das Ringsystem um Uranus ist immerhin deutlich genug ausgeprägt, um mit dem Hubble-Weltraumteleskop beobachtet zu werden. Es liegt , wie auch bei Saturn, in der Äquatorebene.
Hier sind 10 Ringe bzw. Ringzonen bekannt. Die Bezeichnung der einzelnen Ringbereiche ist uneinheitlich. Die drei inneren Ringe tragen (von innen nach außen) die schlichten Bezeichnungen Ring 6, Ring 5 und Ring 4. Weiter geht es mit Ring Alpha, Ring Beta, Ring Eta, Ring Gamma, Ring Delta, Ring Lambda und Ring Epsilon. Der Leser mag entscheiden, ob den Planetenforschern der letzten Jahrzehnte nicht mehr genügend griechische Buchstaben bekannt waren, um eine einheitliche Benennung nach dem griechischen Alphabet in der Reihenfolge der Entdeckung durchzuführen.
Die Ringe sind sehr schmal. Außer dem äußersten Ring, der sich über 20-60 Kilometer Breite erstreckt, sind alle Ringe schmaler als 11 Kilometer. Sie reflektieren nur etwa 1,5 Prozent des einfallenden Sonnenlichts, was einem Albedo-Wert von 0,015 entspricht.

Die Ringe des Uranus und ihre Radien

Ring                  Radius in km
Äquatorradius    25.559
Ring 6                41.837
Ring 5                42.235
Ring 4                42.571
Ring Alpha         44.718
Ring Beta           45.661
Ring Eta             47.176
Ring Gamma      47.626
Ring Delta          48.303
Ring Lambda     50.024
Ring Epsilon       51.149
 

Die Ringe bestehen offenbar aus recht groben, schwarzen Material. Man nimmt an, daß durch hochenergetische Strahlung Methan zu teerartigen Verbindungen verkettet wird. Dadurch erhalten die Objekte, die alle mindestens 50 Zentimeter Durchmesser erreichen, eine schwärzere Farbe als Kohle.
 

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Hochaufgelöste und farbverstärkte Aufnahme der Uranus-Ringe (NASA / JPL)

Nur für den Epsilon-Ring fand man beim Vorbeiflug von Voyager 2 zwei Schäfermonde, Cordelia und Ophelia. Warum die anderen Ringe dennoch scharf begrenzt sind, ist unklar. Möglicherweise werden die noch jungen Ringe schon recht bald in der Uranusatmosphäre verglühen, wenn die stabilisierenden Monde fehlen.

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Uranus-Ringe mit den 2 entdeckten Schäfermonden (NASA / JPL)

Neptun - „Ringwürste“

Neptuns Ringe reflektieren das Licht ähnlich schwach wie die des Uranus. Sie wurden mit Eigennamen der an der Entdeckung Neptuns beteiligten Astronomen, bzw. Mathematiker benannt. Als einheitliche Bezeichnung erhielten Sie eine Katalogbezeichnung bestehend aus der Jahreszahl der Entdeckung, gefolgt von einem N für Neptun gefolgt von einer laufenden Nummer und dem Buchstaben R, um das Objekt als Ring kenntlich zu machen.

Die Ringe des Neptun und ihre Radien

Ring                              Radius in km
Äquatorradius                 24.766
Galle (1989 N3R)           41.900
LeVerrier (1989N2R)     53.200
Lassell (1989N4R)         53.200
Arago (1989N4R)          57.200
Unbenannt (undeutlich)    61.950
Adams (1989N1R)         62.933
 

Eine Besonderheit des Rings 1989N1R Adams ist das Phänomen von mehreren separaten Verdickungen. Insgesamt unterteilt man diesen Ring in die vier Abschnitte Liberté, Egalité, Fraternité und Courage. Der Abschnitt Egalité wurde nochmals in 1 und 2 unterteilt.
Die Existenz dieser Verdickungen konnte bisher nicht ausreichend erklärt werden. Normalerweise sollte sich die Materie bereits innerhalb weniger Jahre gleichmäßig über die Umlaufbahn verteilen.
Die 6 durch Voyager 2 neu entdeckten Monde erklären mit ihrer Schäfermondfunktion die Scharfe Begrenzung der Neptun-Ringe.

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Das Ringsystem des Neptun, der Planet ist wegen des großen Helligkeitsunterschiedes ausgeblendet (NASA / JPL)

Jupiter - Ringe mal anders

Tatsächlich stellt das Ringsystem um Jupiter eine Besonderheit dar. Der Hauptring mit einem Radius von 122.000 Kilometern besteht ähnlich wie die Saturnringe aus Materie von Staub bis hin zu metergroßen Brocken. Er wird von den Monden Adrastea und Metis begleitet. Der “Gossamer”-Ring kann in die zwei zu den Monden Amalthea und Thebe gehörigen Bereiche unterteilt werden. Der innere Radius des “Gossamer”-Rings beginnt bei 129.000 Kilometern. Nach außen hin wird die Materie dann stetig dünner bis der Ring bei etwa 3,5 Jupiterradien (250.000 Kilometer) kaum noch nachweisbar ist.

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Jupiters Hauptring (NASA / JPL)

Zusätzlich aber erstreckt sich ab ca. 100.000 Kilometer Radius ein thorusförmiger Halo um Jupiter. Offenbar wird hier vom Jupitermond Io durch Vulkanismus ausgeworfenes Material von Jupiters Magnetfeld eingefangen.


Mars - es darf vermutet werden

Der Vollständigkeit halber sei hier noch der Nachbarplanet Mars aufgeführt.
Forscher vermuten anhand von mathematischen Modellen schwache Ringe um Mars, die durch die Monde Phobos und Daimos stabilisiert werden. Mars könnte interplanetaren Staub auf diesen Bahnen einfangen. Bisher sind die Ringe aber nicht nachzuweisen.


Quellenhinweis:

Die hier zusammengetragenen Daten und Theorien wurden im Internet recherchiert. Genannt seien hier vor allem die Seiten des Bereichs http://ringmaster.arc.nasa.gov , auf denen die Forschungsergebnisse von NASA und Jet-Propulsion-Lab vorgestellt werden.

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