Astronomen haben mithilfe des James-Webb-Weltraumteleskops überraschende Veränderungen an den Ringen des Asteroiden Chariklo entdeckt. Neue Beobachtungen zeigen, dass sich die Dichte der beiden Ringe seit 2022 verschoben hat. Forscher deuten dies als Hinweis auf komplexe physikalische Prozesse und vermuten einen bisher unentdeckten Schäfermond.
Entdeckung mit dem James-Webb-Weltraumteleskop
Der Asteroid Chariklo zieht seine Bahnen weit draußen im Sonnensystem zwischen den Planeten Saturn und Uranus, bei rund 17 times the distance between Earth and the sun. Mit einem Durchmesser von rund 250 Kilometern (155 miles) gehört der Körper zur Familie der Zentauren und besitzt zwei Ringe. Obwohl Forscher die Ringe im Jahr 2013 entdeckt hatten, galten solche Strukturen bei derartig kleinen Himmelskörpern lange als stabil. Diese Annahme ist nun widerlegt. Chariklo is part of the Centaur family of asteroids, and despite only being around 155 miles (250 kilometers) wide, it possesses two thick rings. Though Saturn is the solar system body most famous for its rings, other planets also have ring systems, albeit less prominent, including Uranus, Neptune, and Jupiter. However, Chariklo and the even smaller body Chiron, show that even the most diminutive bodies can develop rings.
Ein Team unter Leitung der Forschungseinrichtung Instituto de Astrofísica de Andalusia (IAA-CSIC) nutzte das James-Webb-Weltraumteleskop, um Chariklo bei einer Sternbedeckung zu beobachten. Dabei misst das Instrument den Helligkeitsabfall eines Sterns, wenn das Objekt vor ihm vorüberzieht. Bereits im Juni 2013 hatte eine solche Bedeckung zur Entdeckung der beiden kreisrunden Ringe mit ihren scharfen Kanten geführt. Wie Beobachtungen von zwölf weiteren Sternbedeckungen in den Jahren 2014 bis 2016 zeigen, sind die Ringe kreisrund und besitzen scharfe Kanten. Am 18. Oktober 2022 beobachteten Forschende dann erstmals mit dem James-Webb-Weltraumteleskop, wie Chariklo einen Stern verdeckte. Die nun ausgewerteten Daten aus dem Oktober 2022 belegen jedoch tiefgreifende Veränderungen.
Gegensätzliche Entwicklung in innerem und äußeren Ring
Der Vergleich der aktuellen JWST-Daten mit historischen Beobachtungen der vergangenen zehn Jahre zeigt eine unerwartete Dynamik. Während der innere Ring deutlich dichter geworden ist, verliert der äußere Ring an Material und wird durchsichtiger.
Pablo Santos-Sanz, der Leiter des Forschungsteams vom IAA-CSIC, erklärte in einer Stellungnahme, dass sie durch den Vergleich von JWST-Beobachtungen mit Daten anderer Sternbedeckungen aus dem letzten Jahrzehnt entgegengesetzte Veränderungen in den beiden Ringen entdeckt hätten: Während der innere Ring eine deutlich höhere Opazität aufweise, zeige der äußere Ring eine geringere Opazität.
Pablo Santos-Sanz, IAA-CSIC
Übersetzt aus der wissenschaftlichen Erklärung beschreiben die Forscher damit einen gegenläufigen Trend bei der Lichtundurchlässigkeit der Ringe. Beobachtungen aus den Jahren 2014 bis 2016 hatten zunächst eine gleichbleibende Struktur dokumentiert. Die neuen Messungen zwingen die Wissenschaft nun dazu, die physikalischen Mechanismen hinter Entstehung und Stabilität völlig neu zu bewerten. Pablo Santos-Sanz erklärte, dass ihre Ergebnisse sie dazu zwängen, zu überdenken, wie sich diese Ringe bilden, wie sie sich entwickeln und welche Mechanismen ihre Stabilität aufrechterhalten. Zudem fügte er hinzu, dass die Fähigkeit, diese Veränderungen zu erkennen, ein neues Fenster zum Verständnis der Evolution dieser Systeme und möglicherweise auch anderer Ringsysteme im Sonnensystem öffne.
Auf der Suche nach dem unsichtbaren Schäfermond
Woher das zusätzliche Material für die Verdichtung des inneren Rings stammt, ist bislang ungeklärt. Pablo Santos-Sanz äußerte dazu, dass man zwar nicht wisse, woher das zusätzliche Material komme, es jedoch einige Hypothesen gebe. Als führende Hypothese gilt die Existenz eines kleinen Satelliten, der die Umlaufbahn des äußeren Rings teilt. Ein solcher Schäfermond könnte durch seine Gravitation für scharfe Kanten sorgen und gleichzeitig Staub abgeben, der den inneren Ring speist. Pablo Santos-Sanz erklärte ferner, dass dieser Satellit, sofern er existiere, bislang noch nicht entdeckt worden sei.
Ein Computermodell deutet zudem darauf hin, dass die Partikel im inneren Ring größer sind, während der äußere Ring einen höheren Staubanteil aufweist. Santos-Sanz, though, makes it clear that this part of the work is unfinished. Pablo Santos-Sanz erklärte, nach diesem Modell habe man das Gefühl, dass der innere Ring aus größeren Partikeln als der äußere Ring zusammengesetzt sein sollte, und man glaube, dass der äußere Ring staubiger sei. Er fügte hinzu, dass dies jedoch eine noch nicht abgeschlossene Arbeit sei und er nicht mit Sicherheit sagen könne, was staubig sei und was nicht. Wissenschaftler betonen jedoch, dass es sich hierbei um eine laufende Untersuchung handelt. Um den Ursprung der Wellenlängeneffekte endgültig zu klären, planen die Forscher weitere Messungen bei künftigen Sternbedeckungen im sichtbaren Licht. Pablo Santos-Sanz teilte mit, dass sie derzeit nach neuen Bedeckungen suchen.
Understanding how rings around small bodies evolve over time, he explains, matters, because Chariklo is not the only one to have them. Rings are now known around another body from the same category as Chariklo, called Chiron, the dwarf planet Haumea, and the trans-Neptunian object Quaoar. Giant-planet rings are already known to shift over months and years; Saturn’s D ring has measurably shrunk, and Neptune’s Adams arcs rearrange themselves. Now small bodies appear to do it as well. Pablo Santos-Sanz äußerte die Ansicht, dass diese Arbeit nur ein Puzzleteil sei, sie jedoch einen wichtigen Hinweis für umfassendere Studien über die Ringe kleiner Himmelskörper und Riesenplaneten darstellen könne. Santos-Sanz’s study is published in Science Advances.
Präzisionsarbeit im Lagrange-Punkt
Die erfolgreiche Analyse erforderte eine außergewöhnliche astronomische Präzision. Yücel Kilic, Mitglied des Teams vom IAA-CSIC, erklärte, dass die Erreichung dieses Ziels es erfordert habe, die Umlaufbahn von Chariklo und die Position des Sterns – dank der Gaia-Mission der Europäischen Weltraumorganisation – sowie die Flugbahn des JWST selbst um den Lagrange-Punkt L2, eine Region im Weltraum etwa 1 Million Meilen (1,5 Millionen Kilometer) jenseits der Erde in entgegengesetzter Richtung zur Sonne, mit außergewöhnlicher Präzision zu kennen.
Yücel Kilic, IAA-CSIC Das Teleskop selbst bewegt sich in der Nähe des Lagrange-Punktes L2, der etwa 1,5 Millionen Kilometer von der Erde entfernt liegt und regelmäßige Kurskorrekturen erfordert. Yücel Kilic fügte hinzu, dass das JWST eine Umlaufbahn um diese Region befolge, die periodische Korrekturen durch Manöver zur Positionsinstandhaltung erfordere.
Zusätzlich mussten die exakte Umlaufbahn des Asteroiden und die Position des Hintergrundsterns bekannt sein. Dabei half vor allem die europäische Gaia-Mission, die präzise Sternenkoordinaten liefert. During the occultation the team used in their research, Chariklo was traveling at around 5,600 miles per hour (2.5 kilometers per second) relative to the JWST. This low speed allowed the rings of Chariklo to be resolved in unprecedented detail. Da Chariklo selbst mit dem James-Webb-Weltraumteleskop nicht direkt abgebildet werden kann, da selbst das JWST nicht leistungsstark genug ist, um diesen kleinen und entfernten Asteroiden direkt abzubilden, bleibt die Methode der Sternbedeckung das einzige Mittel zur Erforschung dieser dynamischen Ringstrukturen. The team’s research was published on Tuesday in the journal Science Advances.
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