Pierścienie Saturna są małe i mogą szybko zniknąć

Cassini mission data suggests that Saturn’s rings are young, possibly only a few hundred million years old, and could disappear in a similar timescale. The rings’ mass, purity, and debris accumulation rates indicate their relatively young age and short lifespan. Two studies show that the rings formed relatively recently and are rapidly losing mass, while a third predicts their disappearance within the next few hundred million years.

While no human could ever have seen Saturn without its rings, in the time of the dinosaurs, the planet may not yet have acquired its iconic accessories – and future Earth dwellers may again know a world without them.

Three recent studies by scientists at NASA’s Ames Research Center in California’s Silicon Valley examine data from NASA’s Cassini mission and provide evidence that Saturn’s rings are both young and ephemeral – in astronomical terms, of course.

The new research looks at the mass of the rings, their “purity,” how quickly incoming debris is added, and how that influences the way the rings change over time. Put those elements together, and one can get a better idea of how long they’ve been around and the time they’ve got left.

Although all four giant planets have ring systems, Saturn’s is by far the most massive and impressive. Scientists are trying to understand why by studying how the rings have formed and how they have evolved over time. Three recent studies by NASA researchers and their partners provide evidence that the rings are a relatively recent addition to Saturn and that they may last only another few hundred million years. Credit: NASA/JPL-Caltech/Space Science Institute

The rings are almost entirely pure ice. Less than a few percent of their mass is non-icy “pollution” coming from micrometeoroids, such as asteroid fragments smaller than a grain of sand. These constantly collide with the ring particles and contribute debris to the material circling the planet. The rings’ age has been hard to pin down, because scientists hadn’t yet quantified this bombardment in order to calculate how long it must have been going on.

Now, one of the three new studies^[1] Daje to lepsze wyobrażenie o całkowitym tempie napływu materiału nielodowcowego, a tym samym o tym, jak bardzo musiał on „zanieczyszczać” pierścienie od czasu ich powstania. Badania te, prowadzone przez University of Colorado w Boulder, wskazują również, że mikrometeoryty nie pojawiają się tak szybko, jak sądzą naukowcy, co oznacza, że ​​grawitacja Saturna może skuteczniej przyciągać materię do pierścieni. Dowody te mówią dalej, że pierścienie nie mogą być wystawione na działanie tego kosmicznego gradu przez więcej niż kilkaset milionów lat – mały ułamek Saturna i 4,6 miliarda lat Układu Słonecznego.

Potwierdzeniem tego wniosku jest drugi artykuł, pt.^[2] Kierowany przez Indiana University, który przyjmuje inny punkt widzenia na ciągłe bicie pierścieni przez małe skały kosmiczne. Autorzy badania zidentyfikowali dwie rzeczy, które zostały w dużej mierze zaniedbane w badaniach. W szczególności przyglądali się fizyce rządzącej długoterminową ewolucją pierścieni i odkryli, że dwa ważne elementy to bombardowanie mikrometeorytów oraz sposób, w jaki szczątki z tych zderzeń są rozprowadzane w pierścieniach. Uwzględnienie tych czynników pokazuje, że pierścienie mogły osiągnąć swoją obecną masę za kilkaset milionów lat. Wyniki wskazują również, że ponieważ są tak młode, prawdopodobnie powstały, gdy niestabilne siły grawitacyjne w systemie Saturna zniszczyły niektóre jego lodowe księżyce.

„Pomysł, że ikoniczne główne pierścienie Saturna mogą być niedawną cechą naszego Układu Słonecznego, budzi kontrowersje” – powiedział Jeff Causey, badacz z Ames i współautor jednego z ostatnich artykułów. „Ale nasze nowe odkrycia uzupełniają trzy Pomiary Cassini, które sprawiają, że odkrycie to jest trudne do uniknięcia”. Causey służył również jako interdyscyplinarny naukowiec podczas misji Cassini do pierścieni Saturna.

Zatem Saturn mógł mieć ponad 4 miliardy lat, zanim przyjął swój obecny kształt. Ale jak długo można liczyć na noszenie pięknych pierścionków, które znamy dzisiaj?

Misja Cassini odkryła, że ​​pierścienie szybko tracą masę, ponieważ materia spada z głębszych obszarów planety. Trzeci papier^[3] Ponadto, kierowany przez Indiana University, po raz pierwszy określa, jak szybko materia z pierścieniami dryfuje w tym kierunku – a meteoryty ponownie odgrywają pewną rolę. Ich zderzenia z istniejącymi cząstkami pierścienia i sposób, w jaki powstałe szczątki są wyrzucane na zewnątrz, tworzą rodzaj przenośnika taśmowego, który przenosi materiał pierścienia w kierunku Saturna. Obliczając, co te wszystkie strumienie cząstek oznaczają dla ich ostatecznego zniknięcia na planecie, naukowcy wymyślili kilka trudnych wiadomości dla Saturna: może on stracić swoje pierścienie w ciągu następnych kilkuset milionów lat.

„Myślę, że te wyniki mówią nam, że ciągłe bombardowanie przez te wszystkie obce szczątki nie tylko zanieczyszcza pierścienie planetarne, ale z czasem powinno je również osłabiać” – powiedział Paul Estrada, badacz z Ames i współautor wszystkich trzech badań. „Może[{” attribute=””>Uranus’ and Neptune’s diminutive and dark rings are the result of that process. Saturn’s rings being comparatively hefty and icy, then, is an indication of their youth.”

Young rings but – alas! – relatively short-lived, as well. Instead of mourning their ultimate demise, though, humans can feel grateful to be a species born at a time when Saturn was dressed to the nines, a planetary fashion icon for us to behold and study.

References:

“Micrometeoroid infall onto Saturn’s rings constrains their age to no more than a few hundred million years” by Sascha Kempf, Nicolas Altobelli, Jürgen Schmidt, Jeffrey N. Cuzzi, Paul R. Estrada and Ralf Srama, 12 May 2023, Science Advances.
DOI: 10.1126/sciadv.adf8537

“Constraints on the initial mass, age and lifetime of Saturn’s rings from viscous evolutions that include pollution and transport due to micrometeoroid bombardment” by Paul R. Estrada and Richard H. Durisen, 9 May 2023, Icarus.
DOI: 10.1016/j.icarus.2022.115296

“Large mass inflow rates in Saturn’s rings due to ballistic transport and mass loading” by Richard H. Durisen and Paul R. Estrada, 9 May 2023, Icarus.
DOI: 10.1016/j.icarus.2022.115221