Mysteriet blev løst bag fødslen af ​​Saturns ringe

Et team af forskere har præsenteret en ny model for oprindelsen af ​​Saturns ringe baseret på resultater af computersimuleringer. Resultaterne af simuleringerne er også anvendelige på ringe på andre gigantiske planeter og forklarer sammensætningsforskellene mellem Saturns og Uranus ringe. Resultaterne blev offentliggjort den 6. oktober i onlineversionen af Icarus .

Papirets hovedforfatter er HYODO Ryuki (Kobe University, Graduate School of Science), og medforfattere er professor Sébastien Charnoz (Institute de Physique du Globe/Université Paris Diderot), Professor OHTSUKI Keiji (Kobe University, Graduate School of Science), og projektlektor GENDA Hidenori (Earth-Life Science Institute, Tokyo Institute of Technology).

De gigantiske planeter i vores solsystem har meget forskellige ringe. Observationer viser, at Saturns ringe er lavet af mere end 95% iskolde partikler, mens Uranus og Neptuns ringe er mørkere og kan have højere stenindhold. Siden Saturns ringe først blev observeret i det 17. århundrede, undersøgelse af ringene er udvidet fra jordbaserede teleskoper til rumfartøjer som Voyagers og Cassini. Imidlertid, ringenes oprindelse var stadig uklar, og mekanismerne, der førte til de forskellige ringsystemer, var ukendte.

Denne undersøgelse fokuserede på perioden kaldet det sene tunge bombardement, der menes at have fundet sted for 4 milliarder år siden i vores solsystem, da de gigantiske planeter gennemgik orbital migration. Det menes, at flere tusinde Pluto-store (en femtedel af Jordens størrelse) objekter fra Kuiperbæltet eksisterede i det ydre solsystem ud over Neptun. Først beregnede forskerne sandsynligheden for, at disse store objekter passerede tæt nok på de gigantiske planeter til at blive ødelagt af deres tidevandskraft under det sene tunge bombardement. Resultaterne viste, at Saturn, Uranus og Neptun oplevede tætte møder med disse store himmellegemer flere gange.

Dernæst brugte gruppen computersimuleringer til at undersøge afbrydelse af disse Kuiperbælteobjekter ved tidevandsstyrke, da de passerede nærheden af ​​de gigantiske planeter (se figur 2a). Resultaterne af simuleringerne varierede afhængigt af de indledende forhold, såsom rotationen af ​​de forbipasserende objekter og deres mindste indflyvningsafstand til planeten. Men de opdagede, at i mange tilfælde blev fragmenter, der udgjorde 0,1-10% af den oprindelige masse af de passerende objekter, fanget i kredsløb omkring planeten (se figur 2a, b). Den samlede masse af disse fangede fragmenter viste sig at være tilstrækkelig til at forklare massen af ​​de nuværende ringe omkring Saturn og Uranus. Med andre ord, disse planetringe blev dannet, da tilstrækkeligt store genstande passerede meget tæt på kæmper og blev ødelagt.

Forskerne simulerede også den langsigtede udvikling af de fangede fragmenter ved hjælp af supercomputere ved National Astronomical Observatory of Japan. Fra disse simuleringer fandt de ud af, at fangede fragmenter med en indledende størrelse på flere kilometer forventes at gennemgå højhastighedskollisioner gentagne gange og gradvist knuses i små stykker. Sådanne kollisioner mellem fragmenter forventes også at cirkulere deres kredsløb og føre til dannelsen af ​​de ringe, der observeres i dag (se figur 2b, c).

Denne model kan også forklare sammensætningsforskellen mellem Saturns og Uranus ringe. Sammenlignet med Saturn, Uranus (og også Neptun) har højere tæthed (den gennemsnitlige tæthed af Uranus er 1,27g cm-3, og 1,64g cm-3 for Neptun, mens den for Saturn er 0,69 g cm-3). Dette betyder, at i tilfælde af Uranus (og Neptun), objekter kan passere i umiddelbar nærhed af planeten, hvor de oplever ekstremt stærke tidevandskræfter. (Saturn har en lavere tæthed og et stort forhold mellem diameter og masse, så hvis objekter passerer meget tæt på, vil de kollidere med selve planeten). Som resultat, hvis Kuiperbælteobjekter har lagdelte strukturer såsom en stenet kerne med en iskolt kappe og passerer tæt på Uranus eller Neptun, ud over den iskolde kappe, selv den stenede kerne vil blive ødelagt og fanget, danner ringe, der inkluderer stenet sammensætning. Men hvis de passerer Saturn, kun den iskolde kappe vil blive ødelagt, danner iskolde ringe. Dette forklarer de forskellige ringsammensætninger.

Disse fund illustrerer, at gigantiske planeters ringe er naturlige biprodukter af dannelsesprocessen af ​​planeterne i vores solsystem. Dette indebærer, at gigantiske planeter opdaget omkring andre stjerner sandsynligvis har ringe dannet af en lignende proces. Opdagelse af et ringsystem omkring en exoplanet er for nylig blevet rapporteret, og yderligere opdagelser af ringe og satellitter omkring eksoplaneter vil fremme vores forståelse af deres oprindelse.