Saturns ringe: Sådan blev de opdaget, og det ved vi om dem

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.

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.

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.

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

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.

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.

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.

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 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.

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

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

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