Das Ringsystem

Die Ringe des Uranus waren die ersten, die um einen anderen Planeten als Saturn gefunden wurden. Der amerikanische Astronom James L. Elliot und seine Kollegen entdeckten das Ringsystem 1977 von der Erde aus, neun Jahre vor der Begegnung mit Voyager 2, während einer Sternbedeckung durch Uranus – d.h. als der Planet zwischen einem Stern und der Erde vorbeizog und das Licht des Sterns vorübergehend blockierte. Unerwarteterweise beobachteten sie, dass der Stern in einiger Entfernung über der Uranus-Atmosphäre fünfmal kurz abdunkelte, und zwar sowohl vor als auch nach der Sternbedeckung durch den Planeten. Die Helligkeitseinbrüche deuteten darauf hin, dass der Planet von fünf schmalen Ringen umgeben war. Spätere Beobachtungen von der Erde aus ergaben vier weitere Ringe. Voyager 2 entdeckte einen 10. Ring und fand Hinweise auf weitere. Vom Uranus aus gesehen heißen die 10 Ringe 6, 5, 4, Alpha, Beta, Eta, Gamma, Delta, Lambda und Epsilon. Die umständliche Nomenklatur entstand, als die neuen Ringe an Orten gefunden wurden, die nicht in die ursprüngliche Nomenklatur passten. Die Merkmale der Ringe sind in der Tabelle aufgeführt.

Die Ringe sind schmal und ziemlich undurchsichtig. Die beobachteten Breiten sind einfach die radialen Abstände zwischen dem Beginn und dem Ende der einzelnen Verdunkelungsereignisse. Die äquivalenten Breiten sind das Produkt (genauer: das Integral) aus dem radialen Abstand und dem Anteil des blockierten Sternenlichts. Die Tatsache, dass die äquivalenten Breiten im Allgemeinen geringer sind als die beobachteten Breiten, deutet darauf hin, dass die Ringe nicht völlig undurchsichtig sind. Kombiniert man die in Voyager-Bildern beobachtete Helligkeit der Ringe mit den äquivalenten Breiten aus Bedeckungen, zeigt sich, dass die Ringpartikel weniger als 5 Prozent des einfallenden Sonnenlichts reflektieren. Ihr nahezu flaches Reflexionsspektrum bedeutet, dass die Partikel im Wesentlichen eine graue Farbe haben. Gewöhnlicher Ruß, der hauptsächlich aus Kohlenstoff besteht, ist das nächstliegende irdische Analogon. Es ist nicht bekannt, ob der Kohlenstoff von der Verdunkelung des Methans durch den Partikelbeschuss stammt oder den Ringpartikeln innewohnt.

Die Streuungseffekte auf das Radiosignal der Voyager, das sich durch die Ringe zur Erde ausbreitete, zeigten, dass die Ringe hauptsächlich aus großen Partikeln bestehen, Objekten mit einem Durchmesser von mehr als 140 cm. Die Streuung des Sonnenlichts, als sich die Voyager auf der anderen Seite der Ringe befand und ihre Kamera auf die Sonne richtete, zeigte auch kleine Staubpartikel im Mikrometerbereich. In den Hauptringen wurde nur eine geringe Menge an Staub gefunden. Die meisten der mikroskopisch kleinen Teilchen waren stattdessen in den Zwischenräumen der Hauptringe verteilt, was darauf schließen lässt, dass die Ringe durch Kollisionen an Masse verlieren. Die Lebensdauer des Staubs in der Umlaufbahn des Uranus ist durch den Luftwiderstand der ausgedehnten Atmosphäre des Planeten und den Strahlungsdruck des Sonnenlichts begrenzt; die Staubteilchen werden auf niedrigere Bahnen getrieben und fallen schließlich in die irdische Atmosphäre. Die berechneten Umlaufzeiten sind so kurz – 1.000 Jahre -, dass der Staub schnell und kontinuierlich erzeugt werden muss. Der atmosphärische Luftwiderstand des Uranus scheint so groß zu sein, dass die derzeitigen Ringe selbst kurzlebig sein könnten. Wenn dem so ist, sind die Ringe nicht mit Uranus entstanden, und ihr Ursprung und ihre Geschichte sind unbekannt.

Kollisionen zwischen den dicht gepackten Ringteilchen würden natürlich zu einer Zunahme der radialen Breite der Ringe führen. Monde, die massereicher sind als die Ringe, können diese Ausbreitung in einem Prozess aufhalten, der Shepherding genannt wird. Bestimmte Bahnen, die innerhalb oder außerhalb der Umlaufbahn eines bestimmten Rings liegen, haben den richtigen Radius, damit ein Mond in einer solchen Umlaufbahn eine stabile dynamische Resonanz mit den Ringteilchen herstellen kann. Die Bedingung für die Resonanz ist, dass die Umlaufzeiten des Mondes und der Ringteilchen in einem Verhältnis kleiner ganzer Zahlen zueinander stehen. Wenn der Mond und die Ringteilchen einander periodisch passieren, kommt es in einer solchen Beziehung zu einer gravitativen Wechselwirkung, die die Regelmäßigkeit der Begegnungen aufrechterhält. Der Mond übt ein Nettodrehmoment auf den Ring aus, und beim Austausch von Drehimpulsen zwischen Mond und Ring wird Energie durch Kollisionen zwischen den Ringteilchen freigesetzt. Das Ergebnis ist, dass sich die Teilchen von Mond und Ring gegenseitig abstoßen. Der Körper auf der äußeren Umlaufbahn bewegt sich nach außen, während der Körper auf der inneren Umlaufbahn sich nach innen bewegt. Da der Mond viel massereicher ist als der Ring, verhindert er, dass sich der Ring über den Radius ausbreitet, in dem die Resonanz auftritt. Ein Paar von Hirtenmonden, einer auf jeder Seite eines Rings, kann dessen schmale Breite beibehalten.

Voyager 2 fand heraus, dass die beiden innersten Monde, Cordelia und Ophelia, auf beiden Seiten des Epsilon-Rings mit genau den richtigen Radien kreisen, die für die Hirtenschaft erforderlich sind. Hirten für die anderen Ringe wurden nicht beobachtet, vielleicht weil die Monde zu klein sind, um auf den Voyager-Bildern gesehen zu werden. Kleine Monde können auch Reservoirs sein, die den Staub liefern, der das Ringsystem verlässt.