Saturns ringe: Sådan blev de opdaget, og det ved vi om dem
Saturns enorme system af ringe er så komplekst, at det selv i dag er en udfordring for astronomerne.
Saturns ringe ringsystem NASA Cassini

Her fra Jorden er det meget vanskeligt at se detaljer på Saturns ringe, da planeten er omkring 1,5 milliarder kilometer fra Jorden. (Foto: Shutterstock)

Saturn er jo kendt for at være ’planeten med ringene’, og alle astronomibøger har da også mindst et billede af Saturn omgivet af sit enorme system af ringe.

Men da astronomerne for 400 år siden første gang så ringene i datidens små kikkerter, troede de ikke deres egne øjne.

Det førte til, at opdagelsen blev holdt hemmelig, indtil man var sikker på, at der faktisk eksisterede en planet omgivet af en ring.

Saturns ringe ringsystem NASA Cassini

Den dominerende del af ringene opdeles traditionelt i A-, B-, C- og D-ringe, regnet udefra og ind mod planeten. Det meste materiale befinder sig i B ringen, der er så tyk, at sollyset ikke kan trænge igennem. Uden for hovedringene findes de svage E-, F- og G-ringe. (Tekst: rummet.dk/ illustration: Shutterstock)

Galileo troede, Saturn var en tredobbelt planet

Den første som så, at der var noget mærkeligt ved Saturn, var Galileo. Det var i 1610, og i sin lille kikkert kunne han naturligvis ikke se nogen detaljer.

Som han så Saturn, mente han, at planeten var tredobbelt.

For at sikre sig førsteretten til denne noget uventede opdagelse skrev han et anagram (en slags kode) med indholdet ’Jeg har observeret, at den fjerneste planet er tredobbelt.’ Dengang var Saturn den fjerneste planet, man kendte.

Der stod sagen så i mere end 40 år, indtil den hollandske astronom Christian Huygens i 1655 så på Saturn med en hjemmebygget kikkert, som var langt bedre end Galileos.

Han kunne se, hvad Galileo ikke kunne, nemlig at Saturn var omgivet af en ring.

Det lød også for Huygens for utroligt til at være sandt, men for at sikre sig førsteretten til opdagelsen, hvis den nu passede, skrev han følgende anagram (på latin, naturligvis): ’Saturn er omgivet af en tynd, flad ring, som intet sted rører planeten.’

Første tre år senere var han så sikker, at han åbent fortalte om sin opdagelse.

Om artiklens forfattere

Helle og Henrik Stub er begge cand.scient'er fra Københavns Universitet i astronomi, fysik og matematik.

I snart 50 år har parret beskæftiget sig med at formidle astronomi og rumfart gennem radio, fjernsyn, bøger og foredrag og kurser.

De står bag bøgerne 'Det levende Univers' samt 'Rejsen ud i rummet - de første 50 år' og skriver om aktuelle astronomiske begivenheder for Videnskab.dk, hvor de går under kælenavnet 'Stubberne'.

Man troede, ringene bestod af ren is

Derefter gik det slag i slag. I 1675 opdagede den berømte Italiensk-Franske astronom Giovanni Cassini, at der ikke var tale om en ring, men flere.

Rumsonden Cassini er naturligvis opkaldt efter ham.

Men man var meget i vildrede om, hvad ringene var, og vi skal helt frem til 1859, før den store fysiker James Maxwell kunne bevise, at ringene består af millioner af små legemer, som kredser om Saturn.

Ringene er så hvide, at man hurtigt gættede på, at de små legemer består af næsten ren is. Men endnu havde ingen set ringene på tæt hold.

De første nærbilleder

Her fra Jorden er det meget vanskeligt at se detaljer på Saturns ringe, da planeten er omkring 1,5 milliarder kilometer fra Jorden.

Derfor skal vi helt frem til 1980, før vi fik de første nærbilleder af ringsystemet fra rumsonden Voyager 1.

LÆS OGSÅ: Historiens største opdagelsesrejse begyndte for 40 år siden

Der var flere uventede informationer i disse billeder.

Vi havde forventet at finde nogle få, brede ringe adskilt af mellemrum, hvor der ikke var nogle partikler.

Men Voyagers billeder viste, at de gammelkendte brede ringe i virkeligheden består mange tusinde små og smalle ringe, og det var slet ikke, hvad man havde forventet.

Desuden kunne man måle ganske små farveforskelle mellem de indre og ydre dele af ringsystemet.

Farveforskellene viste, at den kemiske opbygning af de små partikler varierede hen over ringsystemet. Også det var uventet.

Saturns ringe ringsystem NASA Cassini

Ved at bruge ’falske farver’ kan man med en computer fremhæve de meget små – og for øjet næsten usynlige – forskelle, der er mellem ringpartiklerne i de forskellige dele af ringsystemet. Men billedet viser, at partiklerne bliver, hvor de er, og ikke spreder sig ud over det hele. (Foto: NASA/JPL-Caltech)

Voyager spottede nogle uforklarlige mørke striber

Den største overraskelse var dog, at Voyager så nogle mørke striber, som gik på tværs af ringsystemet.

De mørke striber kan ikke bestå af partikler, der kredser om Saturn. Partikelstriber på tværs af ringene ville nemlig meget hurtigt blive tværet ud, fordi partikler tæt på Saturn bevæger sig meget hurtigere rundt om Saturn end partikler længere borte.

Vi vil vende tilbage til de mørke striber senere, men først efter at have set på nogle af de mange andre opdagelser om ringsystemet, som især skyldes Cassini-rumsonden.

LÆS OGSÅ: Nekrolog: Cassinis liv i billeder

Saturns ringe ringsystem NASA Cassini mørke striber

De mørke striber ’spokes’ på tværs af ringene er meget tydelige på dette billede. (Foto: NASA/JPL-Caltech )

Som det tyndeste silkepapir

Cassini kredsede om Saturn i 13 år, fra 2004 til 2017, så den har haft god tid til at studere både ringene, Saturns mange måner og naturligvis selve planeten.

Derfor stammer hovedparten af alt, hvad vi ved om Saturn, fra denne ene rumsonde.

Cassini-missionen

Rumsonden Cassini-Huygens blev sendt afsted fra Jorden i 1997 og ankom til Saturn i 2004. Rumfartøjet Cassini var det fjerde rumfartøj i historien, som besøgte Saturn, og det hidtil første rumfartøj, som gik i kredsløb om planeten.

Cassini medbragte også landingsmodulet Huygens, som i januar 2005 landede på Saturns største måne Titan. Cassini-Huygens-missionen er et samarbejde mellem det amerikanske rumagentur NASA, det europæiske rumagentur ESA og det italienske rumagentur ISA.

LÆS OGSÅ: 20 år med rumsonden: Nu begynder Cassinis finale

Vi har nu et godt overblik over ringsystemet. Det begynder 67.000 kilometer fra Saturns centrum, kun godt 7.000 kilometer over skytoppene.

Ydergrænsen sættes ved F-ringen 140.000 kilometer fra Saturn – selv om der findes svage ringe længere ude.

Nok er ringsystemet meget stort, men det er også meget tyndt. Tykkelsen af ringene varierer fra helt ned til 10 meter og op til en kilometer.

Sammenlignet med deres udstrækning er de tyndere end selv det tyndeste silkepapir.

LÆS OGSÅ: Se de allerførste nærbilleder inde fra Saturns ringe

Ikke mere end halvdelen af Arktis’ is

Vi er nu ret sikre på, at ringene består af små partikler med en typisk størrelse fra 1 centimeter til 10 meter.

Partiklerne består af næsten ren is, med en lille smule organiske stoffer og silikater.

Som nævnt er der små forskelle på partiklerne, afhængig af hvor i ringene de befinder sig.

Der er dog også en betydelig mængde meget små partikler af mikrometerstørrelse, og nogle af dem befinder sig i de mellemrum mellem de store A-, B- og C-ringe, der har været kendt siden Giovanni Cassini opdagede dem fra observatoriet i Paris for snart 350 år siden.

Trods størrelsen er det ikke store mængder is, der udgør ringene.

De nyeste målinger fra rumsonden Cassini viser, at den samlede masse af is i ringsystemet svarer til halvdelen af den is, der findes i Antarktis. Og det hænger jo sammen med, at ringene er så tynde.

De fantastiske ringe

Gang på gang har Cassini-sonden vist os, hvor kompliceret ringsystemet om Saturn er.

For bare at nævne et enkelt eksempel, så har Cassini fotograferet flere kilometer høje bjerge på ringene.

Saturns ringe ringsystem NASA Cassini  bjerge

’Bjerge’ på Saturns ringe – man kan endda se skyggerne. Men bjergene er bare tynde tæpper af små ringpartikler, som har hævet sig over de meget flade ringe som følge af tyngdekraften fra en lille måne. (Foto: NASA)

Det er naturligvis ikke bjerge, som vi kender dem her på Jorden, men tynde tæpper af ispartikler, som løfter sig op over ringsystemet, fordi de er påvirket af tyngdekraften fra en af de mange små måner, der kredser om Saturn.

Og så er der ’de malede måner’. Det er nogle små måner, der kredser ganske tæt på ringsystemet. De kan ikke undgå at opsamle ispartikler fra ringene, og det kan give dem et meget mærkeligt udseende.

Resultatet er, at de små måner har forskellige farve, afhængig af fra hvilken del af ringene de har hentet deres materiale.

LÆS OGSÅ: Cassinis nærbilleder viser mystisk sekskant på Saturn

En rød og en blå måne

For at illustrere det ser vi på månerne Pan og Epimetheus.

Pan er tættest på Saturn, og har opsamlet sit materiale fra de inderste og meget tætte dele af ringene. Herinde er der organiske stoffer blandet op med isen, og det er de organiske stoffer, der har givet Pan sin rødlige farve.

Saturns ringe ringsystem NASA Cassini

Månen Pan med sit mavebælte af ringpartikler, som den lille måne har snuppet fra selve ringsystemet. (Foto: NASA/JPL-Caltech )

Pan har et ’mavebælte’ omkring sin ækvator, som netop består af partikler indfanget fra ringene.

Epimetheus er længere væk fra Saturn, og den har hentet sit materiale fra de yderste ringe. Disse ringe består af næsten helt ren is, som kommer fra gejsere på Månen Enceladus.

Gejserne er forbundet til et hav dybt under overfladen på den bare 500 kilometer store måne.

Den helt rene is har givet Epimetheus en blålig farve.

Saturns ringe ringsystem NASA Cassini

Saturn har mange måner – ved sidste optælling hele 62. Heraf er dog kun de 8, hvad man vil kalde store måner. Her er nogle af de mange små måner tæt på ringsystemet, som har betydning for ringene og deres udvikling. Ringene og månerne fremstår ikke i korrekt måleforhold. (Illustration: NASA/JPL-Caltech)

Saturns F-ring er snoet

Når vi taler om Saturns ringe, må vi også nævne F-ringen, som er ganske smal og endda snoet.

Den ligger lidt for sig selv, og den er fuldstændig styret af tyngdekraften fra to måner, en på hver side af F-ringen. De to måner hedder Pandora og Prometheus.

Og sådan kunne man blive ved.

Vi mener i dag at have så nogenlunde styr på ringsystemets fysik. Den er ikke helt simpel, og vi giver en lidt mere detaljeret forklaring i boksen under artiklen.

Saturns ringe ringsystem NASA Cassini

F-ringen, som er godt og solidt styret af de to hyrdemåner Pandora og Prometheus. (Foto: NASA/JPL-Caltech )

Måner styrer ringene

Det væsentlige omkring ringsystemets fysik er, at Saturn ikke er alene om at styre ringene.

Ringene er i meget høj grad påvirket af tyngdekraften fra Saturns mange måner og ikke mindst et stort antal meget små måner, de såkaldte ’hyrdemåner’. De fleste hyrdemåner findes inde i selve ringene.

Hyrdemåner har fået navnet, fordi de løser den samme opgave som en god hyrdehund over for en flok får.

Selv om månerne er meget små, med en udstrækning fra 100 meter og op til en kilometer, kan de alligevel med deres tyngdekraft holde styr på de ringpartikler, der er i nærheden.

Beregninger viser, at selv om hyrdemånerne er små, kan de skabe mellemrum mellem de mange smalle ringe, og dermed er de en del af forklaringen på, at Saturns ringsystem er opbygget af tusinder af meget smalle ringe.

LÆS OGSÅ: Jorden fotograferet fra Saturn

Der kan opstå bølger i ringene

En anden forklaring er, at der kan opstå bølger i selve ringene. Det er en ret ny opdagelse, som viser, hvor mærkelig naturen kan være.

I de tætteste dele af de store ringe er der så mange partikler, at de ikke kan undgå at påvirke hinanden. Ligesom molekylerne i luft og vand kan skabe bølger, kan der også opstå bølger i selve ringene.

En streng på en guitar har nogle bestemte frekvenser, den svinger ved, og det samme viser sig at gælde for bølgerne i selve ringene.

Meget omfattende beregninger viser, at disse selvskabte bølger måske er medvirkende til at skabe de tusinder af tynde ringe i hele ringsystemet.

LÆS OGSÅ: Mystisk område på Saturn har ændret farve

Forklaringen på de mystiske, mørke striber

Der er dog nogle få støvpartikler, som ikke lader sig styre hverken af måner eller bølger. Det er de støvpartikler, der danner de mærkelige mørke striber på tværs af ringsystemet.

Den bedste forklaring, vi har i dag, er, at der er tale om elektrisk ladede støvpartikler, som i højere grad er styret af Saturns magnetfelt end af tyngdekræfter.

De mørke striber følger derfor Saturns magnetfelt, som igen følger Saturns rotation.

Det er derfor, de kan eksistere på tværs af ringene og tilsyneladende bryde tyngdeloven.

Tyngdeloven gælder naturligvis også for partiklerne, men de magnetiske kræfter er stærkere.

LÆS OGSÅ: Interstellart støv opfanget ved Saturn

Saturns ringe ringsystem NASA Cassini

Disse farvebilleder, der er i den højeste opløsning til dato, viser et udsnit af den indre del af B-ringen. (Foto:NASA/JPL-Caltech/Space Science Institute)

Ringene er relativt unge

Det helt store spørgsmål er, om ringene har altid været der, og om ringene er lige så gamle som Saturn selv, altså omkring 4,6 milliarder år - eller om de er noget midlertidigt, som vi er så heldige at opleve.

Denne diskussion ser nu ud til at være afgjort med nye målinger fra Cassini. De tyder nemlig på, at ringene astronomisk set er meget unge, og at de er dannet for mellem 10 og 100 millioner år siden.

Denne viden er baseret på et snedigt argument:

Vi ved, at partiklerne i ringene består af 99 procent is og 1 procent støv.

Det mørke støv er næsten helt sikkert kommet fra meteorer eller det støv, som findes overalt i Solsystemet.

Sagen er, at jo ældre ringene er, jo mere støv vil de indeholde. Cassinis målinger har vist, at ringene ikke indeholder særligt meget stof, så den kendsgerning, at ringene stadig er så hvide, tyder på, at de ikke er særligt gamle.

LÆS OGSÅ: Endelig bevist: Saturns ringe er meget yngre end planeten

Det regner fra ringene og ned på Saturn

Et andet argument er baseret på, at det regner fra ringene ned på skydækket omkring Saturn.

Fordi Cassini på sine sidste 22 omkredsninger bevægede sig mellem ringene og selve Saturn, var rumsonden i stand til direkte at måle på denne regn.

Målingerne viste, at der falder fra 5-20 ton stof hvert sekund fra ringene og ned på planeten, og det er virkelig meget, når man sammenligner med, hvor meget, eller rettere hvor lidt, stof, der er i ringene.

Regnen er simpelthen så kraftig, at ringene vil blive tømt for stof i løbet af måske bare 100 millioner år.

Den kraftige regn er også et tegn på, ringsystemet ikke kan være lige så gammelt som Solsystemet.

Medmindre ringene har været langt mere massive, end vi ser dem i dag, er det er jo begrænset, hvor længe de har kunnet eksistere, når de hele tiden taber så store mængder stof til Saturn.

Regnen er i øvrigt en smule gådefuld, fordi Cassini målte kun 24 procent vand i regnen. Resten var metan, kulilte, CO2, ammoniak og brudstykker af organiske nanopartikler.

Sammensætningen af regnen er lidt svær at forklare, for hvis ringpartiklerne består af næsten helt ren is, burde der have været meget mere end bare 24 procent vand i regnen.

LÆS OGSÅ: Månevand lander på Saturn

Saturns ringe ringsystem NASA Cassini

På sine sidste omkredsninger af Saturn bevægede rumsonden Cassini sig mellem ringene og skyerne i Saturns øvre atmosfære. Det gjorde det muligt at måle regnen fra ringene. (Illustration: NASA/JPL-Caltech)

Den sidste gåde: Hvordan er ringene opstået?

Trods Cassini og vores øvrige viden om Saturnsystemet er der dog stadig et helt uløst spørgsmål, nemlig, hvordan ringene i sin tid er opstået.

Vi ved det ikke, men den mest sandsynlige forklaring er, at de stammer fra en ismåne, der er kommet for tæt på Saturn.

Enten er ismånen blevet slidt fra hinanden af stærke tidevandskræfter. Der er en grænse, kaldet Roche-grænsen, hvor tidevandskræfterne fra en planet er så stærke, at de godt kan pulverisere en måne – og ringsystemet befinder sig netop indenfor Saturns Roche-grænse.

En anden mulighed er, at en ismåne er kollideret enten med en anden ismåne, en komet eller asteroide og derved er blevet slået i stykker, og at stykkerne så gradvist har spredt sig ud i det enorme ringsystem, vi ser i dag.

LÆS OGSÅ: Rumfarten fylder 60 år - hvad har vi lært?

Ringe flere steder i solsystemet

Det ser ud til, at vi er heldige at opleve den astronomisk set korte tid, hvor Saturn har et storslået ringsystem.

Men Saturn er ikke den eneste planet med ringe.

Både Jupiter, Uranus og Neptun har ringe, men de er meget mindre og slet ikke så lette at observere som Saturns ringe.

Jupiter har en ring, som mest består af støv, og som første gang blev observeret af rumsonden Voyager 1 i 1979. Man mener, at støvet kommer fra nogle af de små måner, der jo slynger støv og partikler ud, når de rammes af meteorer med stor fart.

Uranus har hele 13 ringe, men de er smalle og mørke. Ringpartiklerne er ikke glitrende hvide som på Saturn, men mørke som kul.

Man mener, at ringpartiklerne er forholdsvis store legemer med en udstrækning på 0,2-20 meter.

Det er i øvrigt en stor overraskelse, at man kun har fundet to hyrdemåner til de 13 ringe. Man mener jo, at hyrdemåner er centrale for at hindre, at en smal ring spreder sig ud.

Neptun har også nogle mindre ringe. De udmærker sig ved ikke at være ens hele vejen rundt. Der er såkaldte ’ringbuer’ i Neptuns ringe, altså, mindre områder af en ring, hvor der er flere partikler end i resten af ringen.

Det er bestemt ikke nogen simpel sag at forklare ringbuerne.

Den nyeste teori er, at ringbuerne skyldes en af Neptuns måner ved navn Galatea.

LÆS OGSÅ: Plutos ukendte fætter ligner en kartoffel med en ring omkring sig

LÆS OGSÅ: Slutspil for Cassini: Rumsonde skal strejfe Saturns ringe

Fysikken bag: Sådan styres Saturns ringe

Set fra en fysikers synspunkt er der noget mærkeligt ved ringene.

De burde nemlig være spredt meget mere ud og slet ikke samlet i tusinder af smalle, små ringe eller ’ringlets’, som de kaldes på engelsk.

Forklaringen er simpel og bygger på Keplers love.

En af lovene siger meget enkelt, at jo tættere en partikel er på en planet, jo hurtigere bevæger den sig.

Ringpartikler tæt på Saturn bevæger sig altså hurtigere end ringpartikler langt fra Saturn.

Partiklerne vil spredes

I de store tætte ringe med masser af partikler støder partiklerne hele tiden sammen.

De hurtige indre partikler støder sammen med de langsomme ydre partikler og mister derved selv fart. De taber energi og vil falde længere ind mod planeten.

Det er jo noget, vi kender fra rumfarten:

Hvis man tænder en raketmotor på et rumskib, får det tilført energi og kan derfor komme højere op over Jorden.

Tilsvarende vil de langsomme ydre partikler få mere fart på ved at støde sammen med de hurtige indre partikler.

Det giver dem ekstra energi, og de vil derfor søge op i baner længere væk fra Saturn.

Til sidst vil partiklerne være kommet så langt fra hinanden, at der ikke længere sker sammenstød.

Vi vil så ende med en jævn fordeling af partiklerne og slet ikke de tusinder af smalle ’ringlets’, som vi lige nu ser.

Hyrdemåner styrer partiklerne

Man kan sammenligne de mange milliarder af små partikler i ringene med en fåreflok, der styres af en dygtig hyrdehund.

De hyrder, der holder styr på ringene, er Saturns mange store og små måner. De kan nemlig styre ved hjælp af deres tyngdekraft – og det gør de også.

Lad os se på en lille måne med en diameter på måske bare en kilometer, som kredser inde i ringsystemet. Den tiltrækker de små partikler i nærheden, men ender med at skubbe dem væk.

En partikel, der er nærmere Saturn end den lille måne, har mere fart på end den lille måne.

Når den passerer månen, bliver den så at sige trukket baglæns af den langsomme måne. Partiklen taber fart og søger derfor ind i en bane nærmere Saturn.

Helt tilsvarende vil en langsom partikel længere væk fra Saturn end den lille måne få et ekstra skub, når den overhales af den hurtigere måne. Partiklen vil derfor få ekstra energi og søge længere væk fra Saturn.

Slutresultatet er, at vores lille hyrdemåne skaber et område omkring sig, som er tomt for partikler.

Har vi mange små hyrdemåner inde i ringene, så er det let at se, at de kan skabe et system af smalle ’ringlets’ – netop, hvad vi ser.

Saturn har en meget smal ring, som hedder F-ringen. Den er smal, fordi der på hver side af F-ringen er en hyrdemåne – henholdsvis Pandora og Prometheus.

Ved at bruge de samme argumenter som før kan man se, at de to hyrdemåner netop ved at arbejde sammen kan forhindre F-ringen i at brede sig.

Videnskab.dk Podcast

Lyt til vores seneste podcast herunder eller via en podcast-app på din smartphone.