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SATURN
Die eigentümliche Form der kleinen Monde
Redaktion / idw / Pressemitteilung der Universität Bern
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22. Mai 2018

Die inneren Monde des Saturns haben, das zeigten Bilder der Saturnsonde Cassini, oft recht eigentümliche Formen, die etwa an riesige Ravioli erinnern. Nun haben Astronomen ein Modell für die Entstehungsgeschichte dieser Monde vorgestellt: Die eigenartigen Formen sind danach eine natürliche Folge von Zusammenstößen zwischen kleinen Monden ähnlicher Größe.

Atlas

Entstehung von Atlas, einem der kleinen, inneren Monde des Saturns. Seine flache, ravioliartige Form kam bei der Kollision und Verschmelzung zweier gleich großer Körper zustande. Bild: A. Verdier [Großansicht]

Als Martin Rubin, Astrophysiker an der Universität Bern, die Bilder der Saturnmonde Pan und Atlas im Internet sah, war er verblüfft. Die Nahaufnahmen der Cassini-Raumsonde aus dem April 2017 zeigten Objekte, welche die NASA in ihrer Pressemitteilung als fliegende Untertassen mit einem Durchmesser von etwa 30 Kilometern beschrieb. Mit ihrem flachen Rand und dem bauchigen Zentrum gleichen Pan und Atlas auch riesigen Ravioli.

Martin Rubin dachte über den möglichen Ursprung der merkwürdigen Objekte nach und fragte seinen Kollegen Martin Jutzi, ob sie das Ergebnis von Kollisionen sein könnten. Denn Jutzi hatte schon früher mit Computersimulationen gezeigt, dass der Komet 67P/Churyumov-Gerasimenko auf diese Weise geformt wurde. Martin Jutzi und Adrien Leleu, beide Mitglieder des Nationalen Forschungsschwerpunkts PlanetS, nahmen die Herausforderung an, den Entstehungsprozess der kleinen, inneren Saturnmonde zu berechnen.

Die ersten, einfachen Tests funktionierten gut. "Aber dann berücksichtigten wir die Gezeitenkräfte, und die Probleme häuften sich", erinnert sich Leleu. "Die Bedingungen in der Nähe von Saturn sind sehr speziell", bestätigt Jutzi. Saturn hat 95-mal mehr Masse als die Erde. Zudem umkreisen die inneren Monde den Planeten in einer Entfernung von weniger als der Hälfte der Distanz zwischen Erde und Mond. Deshalb sind dort die Gezeiten enorm und ziehen fast alles auseinander. Eine allmähliche Anhäufung von Material um einem Kern hätte niemals Objekte mit diesen eigenartigen Formen hervorgebracht.

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Schon früher schlugen Wissenschaftler darum ein alternatives Entstehungsmodell vor: Demnach wurden diese Monde durch eine Reihe von Fusionen kleinerer Minimonde geformt. Nachdem die Forscher ihre anfänglichen Probleme gelöst hatten, konnten sie dieses Modell verifizieren - und noch mehr: Sie zeigten, dass die Kollisionen der Minimonde zu genau denjenigen Formen führen, die auf den Bildern von Cassini zu sehen sind. Nahezu frontale Zusammenstöße ergeben abgeflachte, ravioliartige Objekte wie Atlas und Pan. Kollisionen mit etwas schrägeren Auftreffwinkeln führen zu länglichen, spätzleartigen Formen, die aussehen wie der 90 Kilometer lange Mond Prometheus, den Cassini ebenfalls fotografiert hat.

Ausgehend von den heutigen Umlaufbahnen der Monde und ihrer Umgebung konnten die Forscher abschätzen, dass die Aufprallgeschwindigkeiten in der Größenordnung von wenigen 10 Metern pro Sekunde lagen. Simulationen in diesem Bereich mit verschiedenen Aufprallwinkeln ergaben unterschiedliche, stabile Formen wie Ravioli und Spätzle, jedoch nur für niedrige Aufprallwinkel. "Ist der Aufprallwinkel grösser als zehn Grad, sind die resultierenden Formen nicht mehr stabil", so Leleu.

Ein entenförmiges Objekt wie der Komet 67P würde wegen der Gezeiten des Saturns auseinanderfallen. "Deshalb sehen die kleinen Saturnmonde ganz anders aus als Kometen, die oft eine zweiteilige Form haben", erklärt Jutzi. Interessanterweise sind die Frontalzusammenstöße nicht so selten, wie man meinen könnte. Die kleinen, inneren Monde stammen wahrscheinlich von den Ringen des Saturns, einer dünnen Scheibe in der Äquatorebene des Planeten.

Saturn ist zudem keine perfekte Kugel, sondern abgeplattet, was es jedem Objekt schwermacht, diese schmale Ebene zu verlassen. Deshalb sind fast frontale Kollisionen häufig und der Aufprallwinkel wird bei nachfolgenden Zusammenstößen noch geringer. "Ein erheblicher Teil der Verschmelzungen bei einer Kollision findet entweder schon bei der ersten Begegnung statt oder nach ein bis zwei Zusammenstößen", so das Fazit der Astronomen. "In dieser Hinsicht ist Saturn ein besonders einfaches System, um diese Prozesse zu untersuchen", erklärt Rubin.

Obwohl die Forscher vor allem die kleinen, inneren Monde des Saturns untersuchten, fanden sie auch eine mögliche Erklärung für ein langjähriges Rätsel um den drittgrößten Saturnmond namens Iapetus. Warum hat Iapetus eine abgeplattete Form und einen schmalen, hohen Gebirgszug rund um den Äquator? "Gemäß unseren Simulationen könnten diese Merkmale das Ergebnis einer Fusion von Monden ähnlicher Größe sein, die nahezu frontal aufeinander trafen, ähnlich wie die kleineren Monde", fassen die Forscher zusammen.

Über ihre Resultate berichten die Wissenschaftler in einem Fachartikel, der in der Zeitschrift Nature Astronomy erschienen ist.

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siehe auch
Ende einer Mission: Abschied von der Saturnsonde Cassini - 15. September 2017
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