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Ringsystem

...des Saturn
Teleskope mit mindestens 30facher Vergrößerung gesttatten einen Blick auf eines der eindrucksvollsten Phänomene in unserem Sonnensystem - das prächtige Ringsystem des Planeten Saturn.

Galileo Galilei beobachtete den Saturn erstmals durch ein Teleskop und erkannte zwei beulenartige Strukturen an dessen rechter und linker Seite
Das Ringsystem wurde 1610 von Galileo Galilei mit einem der ersten Teleskope entdeckt. Er deutete seine Beobachtung als Henkel (ansae) oder große Monde, die sich seiner Erklärung nach links und rechts des Globus befinden. Der holländische Astronom Christiaan Huygens beschrieb die Ringe 45 Jahre später korrekt: Der Saturn ist von einem dünnen, flachen Ring umgeben, der ihn nirgends berührt und der zur Ekliptik geneigt ist. Giovanni Domenico Cassini vermutete als erster, dass die Ringe aus einzelnen Partikeln bestehen, und entdeckte 1675 die markanteste Lücke im Ringsystem - die nach ihm benannte Cassinische Teilung.
Aufbau des Ringsystems
Die Ringe bestehen vor allem aus Eisbrocken, Gestein und gefrorenen Gasklumpen, die den Saturnglobus rechtläufig auf fast kreisförmigen Bahnen in dessen Äquatorebene umrunden. Die Größe der Partikel reicht von Staubkorngröße bis hin zu Brocken mit Durchmessern von einigen Metern. Im Ringsystem befinden sich auch viele kleinere und größere fast materiefreie Bereiche. Tatsächlich besteht das System aus mehr als 100.000 einzelnen Ringen, welche jeweils durch kleine Lücken voneinander abgregrenzt sind und unterschiedliche Zusammensetzungen und Färbungen zeigen.

Saturnglobus und Ringsystem

Schematische Darstellung der Saturnringe
Der innerste Teilring befindet sich etwa 7.000 km über der Oberfläche des Saturn und hat einen Durchmesser von 134.000 km, der äußerste besitzt einen Durchmesser von 960.000 km. Die Ringe sind extrem flach - bei einem Durchmesser von fast einer Million Kilometern sind sie im Schnitt nur wenige hundert Meter dick.

Historisch bedingt wurden die Ringe des Saturn in der Reihenfolge ihrer Entdeckung grob unterteilt und werden von innen nach außen als D-, C-, B-, A-, F-, G- und E-Ring bezeichnet.
Entstehung
STScI
Aufnahme des Planeten Saturn und seinem prächtigen Ringsystem, angefertigt mit dem Hubble Space Telescope.
Nach der von Édouard Albert Roche im 19. Jahrhundert vorgeschlagenen Theorie entstanden die Ringe durch einen Mond, der sich dem Saturn so weit genähert hat, dass er durch Gezeitenkräfte auseinander gebrochen ist.

Eine ähnliche Theorie geht davon aus, dass ein Mond durch eine Kollision mit einem anderen Himmelskörper (Komet, Asteroid) zerstört wurde und sich seine Überreste zu einem Ringsystem ausbreiteten.

Eine heute nicht mehr vertretene Theorie besagte, die Ringe seinen gemeinsam mit dem Saturn aus der selben Materiewolke entstanden. Mittlerweile vermutet man jedoch, dass die Ringe sich nach und nach auflösen werden und somit ein eher kurzlebiges Phänomen von höchstens einigen hundert Millionen Jahren sein dürften.

Resonanzen

Die weitgehend materiefreien Unterbrechungen innerhalb des Ringsystems lassen sich auf gravitative Wechselwirkungen mit den zahlreichen Monden des Saturn zurückfürhren. Steht die Umlaufszeit eines Ringbereichs mit der Umlaufszeit eines Mondes im Verhältnis kleiner ganzer Zahlen, so kommt es aufgrund des Resonanzphänomens zu einer gravitativen Störung. Beispielsweise wird die Cassinische Teilung durch den Mond Mimas verursacht.

Einige kleinere Monde, so genannte Hirten- oder auch Schäfermonde, kreisen direkt in den Lücken und an den Rändern des Ringsystems und stabilisieren dessen Struktur.

Abflachung

Das Ringsystem ist kein starres Gebilde - alle Partikel kreisen einzeln um den Mittelpunkt des Saturn. Dabei pendelt jeder Brocken während eines Umlaufs einmal vertikal durch das Ringsystem hindurch und wieder zurück. Durch inelastische Stöße mit anderen Brocken reduziert sich diese vertikale Geschwindigkeitskomponente langfristig für alle Partikel und damit nimmt auch die Dicke des Ringsystems sukzessive ab.
Beobachtbare Details
Ralf Vandebergh
Amateuraufnahme des Planeten Saturn
Cassini-Teilung

Das deutlichste, schon in kleinen Teleskopen sichtbare Detail innerhalb von Saturns Ringen ist die Cassini-Teilung - eine recht auffällige schwarze Lücke innerhalb des Ringsystems zwischen dem A- und B-Ring (Außen- und Innenring). Die Erkennbarkeit dieser Teilung ist ein hervorragender Indikator für atmosphärische Ruhe und die Qualität der verwendeten Optik.

Teilringe

Noch einfacher lässt sich die unterschiedliche Helligkeit der einzelnen Teilringe erkennen. Der äußere A-Ring erscheint etwas schwächer als der von ihm umgebene innere B-Ring. Es fällt auch eine leichte Helligkeitssteigerung beider Ringe zur Cassini-Teilung hin auf.

Schattenwurf

Abhängig davon, wie stark das Ringsystems zur Sonne geneigt ist und aus welcher Position wir den Saturn beobachten, kann mehr oder weniger gut der Schattenwurf der Ringe auf den Saturnglobus, sowie ein Teil des abgedunkelten Ringbereichs "hinter" dem Saturn beobachtet werden.

Der Schattenwurf der Ringe auf die Planetenoberfläche ist um so ausgeprägter, je mehr das dünne Ringsystems im Laufe eines Saturnjahres mit seiner schmalen Kante gegenüber der Sonne geneigt ist. Hier kommt es im Laufe einer Sonnenumrundung zu periodischen Veränderungen. Zeitweilig sind die Ringe weit geöffnet, um dann wieder scheinbar zu verschwinden, wenn wir auf die Kante des Systems blicken.

Den Schatten des Planetenglobus, der einen Teil der Ringe verfinstert, kann man besonders gut beobachten, wenn der Winkel Saturn-Sonne-Erde besonders groß ist. Somit ist er während der Opposition des Planeten nicht zu erkennen, da Sonne, Erde und Saturn dann in (fast) einer Linie stehen, und der Schatten genau hinter dem Planetenglobus verläuft.

Encke-Teilung

Unter besonders günstigen Sichtbarkeitsbedingungen fällt Beobachtern eines größeren Teleskops (ab 15 cm Öffnung) auch die so genannte Encke-Teilung auf - ein besonders dunkler und schmaler Ring nahe der äußeren Kante des A-Rings.

Dunkle Speichen

In großen Teleskopen können hin und wieder schmale Bereiche geringerer Helligkeit innerhalb der Ringe erkannt werden, die sich radial speichenartig durch das System ziehen. Diese variablen Erscheinungen können an 4 bis 12 verschiedenen Stellen beobachtet werden. Die rätselhaften Strukturen sind etwa 100 Kilometer breit und bis zu 20.000 Kilometer lang.

Die Speichen wurden erstmals von der Sonde Voyager 2 im Jahr 1981 beobachtet und später durch Hubble bestätigt. Zwischen 1998 und 2005 konnte das Phänomen allerdings nicht mehr beobachtet werden. Es wird vermutet, dass es sich hierbei um winzige geladene Staubpartikel handelt, die mit dem Magnetfeld des Saturn wechselwirken.

Neueren Erkenntnissen zufolge sollen die dunklen Streifen in periodischen Abständen jeweils acht Jahre lang zu sehen sein, und zwar immer dann, wenn die Sonne in der Nähe der Ringebene des Saturns steht. Eine streifenlose Phase hält dagegen sechs bis sieben Jahre lang an.

Krepp-Ring

Der auch als Krepp-Ring bekannte C-Ring kann abhängig von der Öffnung des Ringsystems entweder ganz einfach oder auch eher schwierig aufzufinden sein. Viele Beobachter haben diesen Teilring beobachtet, ohne die genaueren Hintergründe zu kennen. Ein deutliches Anzeichen des Krepp-Rings beobachtet man, wenn dessen Schatten auf dem Saturnglobus erscheint. Bei der Abdunklung, die dann vor der Planetenkugel innerhalb des B-Rings zu beobachten ist, handelt es sich um eben diesen halbtransparenten Teilring C.
Variable Öffnung des Ringsystems
NASA, AURA, STScI
Hubble verfolgte von 1996 bis 2000 die Öffnung der Saturnringe
Im Laufe der Jahre bemerkt der aufmerksame Saturn-Beobachter eine allmähliche Veränderung der Öffnung des Ringsystems. Dieser Effekt entsteht, da die Ringebene des Saturns um fast 27° zur Ekliptik geneigt ist und diese beim Umlauf um die Sonne ortsfest im Raum bleibt. Deshalb verändert sich der Blickwinkel von der Erde auf das Ringsystem. Zweimal während eines Saturnumlaufs um die Sonne - also ungefähr alle 14,8 Jahre - kommt es dazu, dass wir auf die Kante der Ringe sehen und diese dann zu verschwinden scheinen.

Während der Passage der Ringebene lassen sich vor allem Wolkenstrukturen, die kleinen Monde Prometheus, Pandora, Janus und Epimetheus, Verfinsterungen von Satelliten und die lichtschwachen Teilringe C, E und G besonders vorteilhaft beobachten, da diese Phänomene sonst durch die hellen Saturnringe mehr oder weniger überstahlt werden.
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Saturns Oppositions- Helligkeiten von 2003 bis 2031
Da die Saturnringe sehr viel Sonnenlicht reflektieren, kommt es im Laufe der Jahre, in denen sich die Ringe schließen, auch zu einer deutlichen Abnahme der Saturnhelligkeit.

Derzeit schließen sich die Ringe von Jahr zu Jahr weiter. Im Jahr 2009 werden wir dann auf die Kante des Ringsystems blicken. Zuletzt trat eine solche Konstellation am 22. Mai 1995 ein, die volle Öffnung seiner Ringe zeigte uns Saturn letztmalig im Jahr 2003.

Nach der Passage der Ringebene im Jahr 2009 wird unsere Sicht wieder auf die nördliche Seite gelenkt, die dann erst 2016 wieder voll präsentiert wird. In diesem Jahr wird Saturn jedoch nicht so hell erscheinen, wie im Jahr 2003, da er seine Oppositionsstellung diesmal in der Nähe seines sonnenfernen Bahnpunkts einnimmt und somit weiter von der Erde entfernt und kleiner erscheint, als 2003.

Danach schließen sich die Ringe erneut und die Erde passiert die Ringebene wieder am 23. März 2025. Eine Opposition wie im Jahr 2003, bei der sich der Ringplanet nahe seines sonnennahen Bahnpunkts befindet und seine Ringe weit geöffnet präsentiert, werden wir erst wieder im Jahr 2031 erleben.
Ringe im Gegenlicht
Eine einzigartige Aufnahme des Planeten Saturn und seinem gewaltigen Ringsystem gelang der Raumsonde Cassini am 15. September 2006, als sie sich innerhalb von 12 Stunden durch den Schatten des großen Gasplaneten hindurch bewegte. Saturns Planetenkörper deckte das helle Sonnenlicht ab und Cassini konnte im Gegenlicht einen untypischen Blick auf die skurille Szene werfen. Aus der schützenden Position des Saturn-Schattens heraus wurde das gesamte Ringsystem sichtbar und vorher noch nicht beobachtete mikroskopische Partikel traten ans Tageslicht.

Während dieser einmaligen Gelegenheit, die Ringe aus geschützter Positon heraus im Gegelicht der Sonne beobachten zu können, entdeckten die Wissenschaftler zwei neue Ringe und konnten die Existenz zweier weiterer Ringe bestätigen.

Die beiden neu entdeckten Ringe stehen in Verbindung mit mehreren kleinen Monden, mit denen sie ihren Orbit teilen. Ein einzelner, sehr schwacher Ring befindet sich außerhalb der hellen Hauptringe, zwischen den schwachen Ringen F und G auf dem Orbit der winzigen Monde Janus und Epimetheus. Ein weiterer schmaler Ring befindet sich in der Umlaufbahn von Pallene, die Cassini im Jahr 2004 entdeckte.

Eine dritte und vierte neue Ringstruktur ist in der Cassini-Teilung zu erkennen, der großen Teilung in den Saturn-Ringen. Kurioser Weiser kommen diese Erscheinungen auf den Aufnahmen der Voyager-Missionen nicht vor.

Wissenschaftler schließen aus der Aufnahme, dass sich im Saturn-System höchstwahrscheinlich auch heute noch neue Ringe bilden. Die Monde des Saturn werden kontinuierlich von Meteoriten getroffen, haben aber nicht genügend Gravitationskraft, um das dabei aufgescheuderte Material wieder einzufangen. So verteilen sich die winzigen Trümer auf Umlaufbahnen um den Saturn und bilden die außergewöhnliche Ringstruktur.

Saturns E-Ring, der auf diesem Bild außergewöhnlich detailliert zu erkenen ist, wird durch Eis-fontainen gespeist, die aus den Saturnmond Encelaudus austreten. Cassini konnte bereits vor einigne Monaten solche Ereignisse auf Encelaudus fotografieren.

Die Aufnahmen lassen auch Farbunterschiede der einzelnen Ringe erkennen, was entweder auf unterschiedliche Partikelgrößen oder eine unterschiedliche chemische Zusammensetzung schließen lässt. Die Hauptringe zeigen eine neutrale Färbung, der C-Ring ist rötlich, der D- sowie der E-Ring erscheint eher bläulich.
Dynamische Prozesse
Aufnahmen des Hubble Space Telescope aus dem Jahr 1995 und aktuelle Beobachtungen der Raumsonde Cassini aus dem Jahr 2006 zeigen innerhalb des inneren schwachen D-Ringes eine spiralförmige Struktur, die sich kontinuierlich verändert. Wissenschaftler schließen daraus, dass es in der Vergengenheit zu einer Kollision dieses Ringbereichs mit einem Asteroiden oder einem Kometen gekommen sein muss.

Entlang des äußeren Grenzbereichs des D-Ringes wurden mehrere abwechselnd helle und dunkle Bereiche gesichtet, die einen periodischen Abstand von etwa 30 kilometern besitzen. Diese Strukturen wurden bereits im Jahr 1995 vom Hubble Space Telescope beobachtet. Damals betrug der Abstand der hellen Bereiche jedoch noch jeweils rund 60 Kilometer. Anders als viele andere Merkmale der Saturnringe, die sich innerhalb der zurückliegenden Jahrzehnte nicht verändert hatten, scheinen diese einen kontinuierlichen Veränderungsprozess zu durchlaufen.

Die Entdeckungen im D-Ring scheinen zu belegen, dass die Ringe des Planeten Saturn keine ewige Erscheinung sind, sondern ein sehr aktives, dynamisches System sind, das sich verändern und entwickeln kann. Die beobachteten Phänomene lassen sich durch eine Kollision eines Kometen oder Asteroiden mit dem D-Ring erklären, wobei eine Wolke feiner Partikel aus dem Ringbereich herausgelöst worden ist. Basierend auf verschiedenen Beobachtungsergenissen der Jahre 1995 bis 2006 vermuten Wissenschaftler, dass es im Jahr 1984 zu einem solchen Ereignis gekommen ist.
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