Wo ist Saturns Bizarrmond-Titan entstanden? Hat es sich dort gebildet, wo es jetzt ist, oder ist es migriert? Wir haben jahrzehntelange Daten, auf die wir zurückblicken können, also sollten Wissenschaftler eine Idee haben.
Eine neue Studie, die auf all diesen Daten basiert, sagt, dass Titan schneller als gedacht vom Saturn abdriftet, und das hat Auswirkungen darauf, wo sich der Mond ursprünglich bildete.
Titan ist ein einzigartiger – und bizarrer – Mond in unserem Sonnensystem. Es ist der einzige Mond mit einer dicken Atmosphäre und mit Flüssigkeit, die auf der Oberfläche fließt. Es ist auch der größte Mond des Saturn und tatsächlich größer als der Planet Merkur.
Die Raumsonde Voyager gab uns unseren ersten guten Blick auf Titan, aber sie konnte nicht durch die dicke, stickstoffreiche Atmosphäre sehen. Im Jahr 2004 konnte die Cassini-Huygens-Mission dann mit ihren fortschrittlicheren Instrumenten die Oberfläche untersuchen. Der kleine Huygens-Lander lieferte uns unsere ersten Bilder von der Oberfläche des außergewöhnlichen Mondes. Weitere Missionen befinden sich in der Konzeptphase, eine ist geplant: Dragonfly-Mission der NASA wird 2026 starten und die Oberfläche erkunden.
Voyager 2 nahm dieses Bild von Titan 1981 aus einer Entfernung von 2,3 Millionen km auf. Es zeigt einige Details in den Wolken, aber nicht viel. Bildquelle: NASA/JPL
Aber diese neue Studie benötigt keine neuen Missionen oder fortschrittliche Instrumentierung. Es stützt sich auf die jahrzehntelangen Daten, die wir bereits haben, um die Frage von Titan und seiner Migration zu untersuchen.
Die Studie trägt den Titel „ Resonanzsperre bei riesigen Planeten, angezeigt durch die schnelle Bahnausdehnung von Titan .“ Der Hauptautor ist Valéry Lainey, ehemals JPL und jetzt beim Pariser Observatorium. Die Studie ist in der Zeitschrift Nature veröffentlicht.
Die Ansicht von Titan aus der absteigenden Raumsonde Huygens am 14. Januar 2005. Bildnachweis: ESA/NASA/JPL/University of Arizona.
Diese neue Studie weicht von früheren Studien ab, die zeigten, dass sich Titan ungefähr dort gebildet hat, wo es jetzt ist. Stattdessen zeigt es, dass Titan immer weiter vom Saturn abdriftet. Und die Geschwindigkeit, mit der es driftet, ist 100-mal schneller als erwartet. Dieses Ergebnis deutet darauf hin, dass Titan seit 4,5 Milliarden Jahren zu seiner aktuellen Orbitalentfernung wandert.
Die Ergebnisse haben auch Auswirkungen auf unser Verständnis der Saturnringe, insbesondere das Alter dieser Ringe, die viel Gegenstand von wissenschaftliche Debatte in letzter Zeit .
„Die meisten früheren Arbeiten hatten vorhergesagt, dass Monde wie Titan oder Jupiters Mond Callisto in einer ähnlichen Orbitalentfernung entstanden sind, wie wir sie heute sehen“, sagt Caltechs Jim Fuller , Assistenzprofessor für Theoretische Astrophysik und Co-Autor der neuen Arbeit. „Dies impliziert, dass sich das Saturn-Mondsystem und möglicherweise seine Ringe dynamischer gebildet und entwickelt haben als bisher angenommen.“
Die Ringe und Monde des Saturn sind Gegenstand wissenschaftlicher Debatten. EIN Studie 2019 zeigte, dass die Wanderung der Saturnmonde die Cassini-Division in den Saturnringen erweitert hat. Bildquelle: Cassini, Dante, Baillié und Noyelles
Planeten und Monde können ziemlich komplexe Beziehungen haben. Sicher, der viel größere Planet übt auf den kleineren Mond eine viel größere Gravitationskraft aus. Aber Monde wie Titan – und der Erdmond – haben auch eine beträchtliche Masse. Sie üben ihre eigene Anziehungskraft auf ihre Planeten aus. Schauen Sie sich nur die Gezeiten der Erde an, die hauptsächlich vom Mond angetrieben werden.
Auf der Erde erzeugt dieses Drücken und Ziehen mit dem Mond auch Reibungsspannungen im Inneren der Erde. Dies wiederum zieht den Mond in seiner Umlaufbahn nach vorne, und das Endergebnis ist, dass sich der Mond allmählich von der Erde entfernt. Es ist viel weiter weg als früher, zum Beispiel zu Zeiten der Dinosaurier. Das Schieben und Ziehen zwischen einem Planeten und seinem Mond nennt man Gezeiteneffekte .
Vor 3,9 Milliarden Jahren war der Mond der Erde viel näher. Es war etwa 21 Erdradien entfernt, während es heute etwa 60 Erdradien entfernt ist. Bildquelle: Lunar Planetary Institute/David Kring
Die Geschwindigkeit dieses Prozesses ist jedoch geradezu eiszeitlich. Der Mond entfernt sich etwa 3,8 cm pro Jahr weiter von der Erde. Wenig. Bei diesem Tempo wird der Mond bei der Erde sein, bis sie beide von der Sonne verzehrt werden, wenn er in etwa 5 oder 6 Milliarden Jahren in seine Phase des Roten Riesen übergeht.
Die Beziehung zwischen Saturn und Titan ist ähnlich.
Aber da Saturn ein Gasriese ist, während die Erde felsig ist, ist es nicht genau dasselbe. Das Reibungsgeschehen im Saturn sollte wegen all des Gases schwächer sein. Standardtheorien sagen voraus, dass die Abwanderungsrate des Titans vom Saturn nur 0,1 cm pro Jahr betragen sollte, viel weniger als die des Erdmonds.
Ein Top-Down-Bild der Umlaufbahnen einiger der größeren Saturnmonde, mit Titan in Rot. Die Monde außerhalb seiner Umlaufbahn sind (von außen nach innen) Iapetus und Hyperion; die darin sind Rhea, Dione, Tethys, Enceladus und Mimas. Bildquelle: Von !Original: SchutthaufenVektor: Mysid. – Eigene Arbeit basierend auf: Titan’s orbit.jpg., CC BY-SA 3.0, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=4819125
Hier kommen wir zum Kern dieser neuen Studie.
Diese Studie enthält zwei separate Methoden zur Messung der Orbitalexpansionsrate von Titan: Astrometrie und Radiometrie . Beide Methoden nutzten Cassini-Daten. Zwei Teams trugen zur Studie bei; einer verwendete Astrometrie und der andere verwendete Radiometrie. Das Astrometrieteam verwendete über 100 Jahre Beobachtungsdaten, die bis ins Jahr 1886 zurückreichen und bis zum Ende der Cassini-Mission andauerten. Das radiometrische Team verwendete ein Modell, das unter anderem „alle relevanten Beschleunigungen berücksichtigte, die die Umlaufbahn von Titan und die Flugbahn der Raumsonde Cassini beeinflussten“.
„Durch die Verwendung zweier völlig unabhängiger Datensätze – astrometrischer und radiometrischer – und zweier verschiedener Analysemethoden haben wir Ergebnisse erhalten, die vollständig übereinstimmen“, sagt der Erstautor der Studie, Valéry Lainey, ehemals vom JPL (das Caltech für die NASA verwaltet), jetzt des Pariser Observatoriums der PSL-Universität. Lainey arbeitete mit dem Astrometrie-Team zusammen.
Die Ergebnisse dieser Studie bestätigen die Ergebnisse einer Studie aus dem Jahr 2016 von Co-Autor Jim Fuller. Diese Studie zeigte auch, dass die Migrationsrate von Titan viel schneller ist als bisher angenommen.
Diese Abbildung aus der Studie zeigt eine mögliche Entwicklungsgeschichte der Bahnentfernung von sechs Saturnmonden als Funktion der Zeit, sowohl für ein resonanzverriegelndes Modell (durchgezogene Linien) als auch für eine KonstanteQModell (schwarze gestrichelte Linien). Die resonanzsperrenden Modelle sind durch den effektiven Gezeitenqualitätsfaktor schattiert,Qef, zu einem bestimmten Zeitpunkt. Eine tiefere Erklärung finden Sie in der Studie. Bildquelle: Lainey et al., 2020.
Fullers Theorie besagt, dass Titan Saturn auf einer bestimmten Frequenz drückt. Dadurch schwingt Saturn stark. Denken Sie an eine Spielplatzschaukel. Wenn Sie Ihre Beine zur richtigen Zeit – oder Frequenz – schwingen, drücken Sie sich selbst höher. Es heißt Resonanzsperre .
Fuller sagte, dass die hohe Amplitude der Saturnschwingung tatsächlich einen Großteil dieser Energie abbauen würde. Das wiederum würde Titan viel schneller nach außen treiben als gedacht.
Die Resonanzsperre war nicht der einzige Mechanismus zur Gezeitendissipation, der in dieser Studie untersucht wurde, aber er hat sich durchgesetzt. 'Die schnelle Migration von Titan ist für alle Gezeitendissipationsmechanismen unerwartet', schrieben die Autoren, 'außer für die Resonanzsperre, die die beobachtete Migration vorhersagte.'
Diese neue Studie ergab, dass die Abwanderungsrate des Titans vom Saturn 11 cm (4,3 Zoll) pro Jahr beträgt, 100-mal schneller als frühere Theorien.
Saturns Mond Tethys mit seiner strahlend weißen Eisoberfläche lugt in dieser Ansicht der beiden Monde, die von der NASA-Raumsonde Cassini aufgenommen wurden, hinter dem größeren, verschwommenen, bunten Titan hervor. Dazwischen liegen die Saturnringe. Bildnachweis: NASA/JPL-Caltech/Space Science Institute
Dieses Resonanzverriegelungsmodell könnte auch für andere Planeten- und Mondsysteme gelten. Die Autoren schreiben: „Resonance Locking könnte in anderen Mondsystemen funktionieren, wie dem Jovian-System, wo es die Auswanderung von Io/Europa/Ganymede vorantreiben könnte…“
Tatsächlich könnte es auf andere Sonnensysteme und Exoplaneten zutreffen. 'Resonance Locking kann auch in stellaren Binärsystemen und exoplanetaren Systemen wirken', schreiben die Autoren, obwohl es noch mehr Arbeit braucht, um zu sehen, wie genau es sein kann.
„Die Theorie der Resonanzverriegelung kann auf viele astrophysikalische Systeme angewendet werden. Ich arbeite jetzt an theoretischen Arbeiten, um zu sehen, ob die gleiche Physik in Doppelsternsystemen oder Exoplanetensystemen auftreten kann“, sagt Fuller.
