Jahrzehntelang dachten Astronomen, Ringe seien etwas, das nur Riesenplaneten besitzen. Das änderte sich im Jahr 2013, als ein kleiner, dunkler Körper, der zwischen Saturn und Uranus kreist, vor einem Stern vorüberzog und auf beiden Seiten des Hauptereignisses zweimal aufblinkte, wodurch zwei schmale Ringe um ein Objekt enthüllt wurden, das kaum 250 Kilometer misst. „Es war eine Überraschung“, sagt Pablo Santos-Sanz, Astronom am Instituto de Astrofísica de Andalucía im spanischen Granada. Seitdem ist die Frage, woraus solche Ringe bestehen und wie lange sie Bestand haben können. In einer kürzlich veröffentlichten Studie nutzten Santos-Sanz und seine Kollegen das James-Webb-Weltraumteleskop, um denselben Körper, der heute als Chariklo bekannt ist, erneut beim Vorbeiziehen vor einem Hintergrundstern zu beobachten. Sie stellten fest, dass einer seiner Ringe dichter geworden und der andere fast verschwunden war. Der genaue Grund dafür ist unbekannt.

Verdeckung eines Sterns

Die Technik hinter der Beobachtung ist einfach. „Wir sagen voraus, wann ein Objekt des Sonnensystems vor einem Stern vorüberzieht“, sagte Santos-Sanz. Das Sternenlicht wird für einen Moment gedimmt, und die Form dieses Abfalls offenbart die Grösse, Form und Umgebung des Objekts, das ihn verursacht hat. „Dies ist besonders anspruchsvoll für kleinere Körper und noch anspruchsvoller für entfernte kleinere Körper“, sagte er.

Die Schwierigkeit besteht darin, dass die Silhouette des Ziels am Himmel winzig ist und die genaue Bestimmung des Zeitpunkts, zu dem es einen bestimmten Stern kreuzt, sehr präzise Positionsdaten für beide erfordert. Dennoch nutzten wir 2013 Teleskope auf der Erde, um Chariklos zwei Ringe C1R und C2R zu erkennen. Diese befanden sich 390 und 405 Kilometer von seinem Zentrum entfernt, waren nur wenige Kilometer breit und etwa 7 Kilometer voneinander getrennt.

Dies mit einem weltraumgestützten Teleskop zu tun, macht das Ausrichten der Dinge jedoch erheblich schwieriger. Das JWST befindet sich im L2-Lagrange-Punkt, und die Steuerer müssen das Teleskop alle paar Wochen nachjustieren, um seine Umlaufbahn stabil zu halten. „Es ist eine Art knifflige Aufgabe“, sagte Santos-Sanz.

Sein Team identifizierte eine mögliche Sternbedeckung durch Chariklo im August 2022 und berechnete die Vorhersage jede Woche neu. Zwischen der ersten Vorhersage und einer der letzten verschob sich die projizierte Sichtlinie um etwa 110 Kilometer, was ausreichte, um sie vollständig vom Körper wegzubewegen. Leider erfordert das JWST, dass Beobachtungen dieser Art mindestens 14 Tage im Voraus geplant werden.

„Wir haben das vielleicht ein bisschen im Blindflug gemacht, weil wir nicht genau wussten, wo die Sichtlinie verlief“, sagte Santos-Sanz. „Ich werde eines der grössten und besten Teleskope im Weltraum bewegen, und wir wissen nicht, ob wir das schliesslich erwischen werden oder nicht.“

Aber es hat alles geklappt. Die Bedeckung fand am 18. Oktober 2022 statt. Die rekonstruierte Geometrie zeigt, dass die Sichtlinie des JWST zum Hintergrundstern 7,4 Kilometer über der Oberfläche von Chariklo vorbeistrich, den Körper verfehlte, aber seine Ringe einfing.

Der Ring, der dicker wurde

Das JWST zeichnete das Ereignis gleichzeitig in zwei Nahinfrarotbändern bei 1,5 und 3,2 Mikrometern auf, womit zum ersten Mal überhaupt die Ringe eines kleinen Körpers in einem Band jenseits von drei Mikrometern erfasst wurden – ein Bereich, den die Erdatmosphäre für bodengestützte Teleskope unzugänglich macht.

Der innere Ring zeigte sich unverkennbar mit abrupten, scharfen Kanten, war jedoch viel dunkler als zuvor. Gemittelt über rund 10 frühere bodengestützte Bedeckungen lag die normale Opazität von C1R (der Anteil des Sternenlichts, den er blockiert) bei 0,303. Das JWST maass ihn bei 0,431.

„Wir haben es am Anfang nicht geglaubt und daher viel mit den Daten gekämpft“, sagte Santos-Sanz. Die naheliegendste Erklärung war die Geometrie. Ringe sind nicht immer gleichförmig, und das JWST hat möglicherweise einfach einen dichteren Klumpen durchquert.

Um dieses Szenario auszuschliessen, baute das Team ein Modell mit ungleichmässigen Ringen und führte 10 Millionen simulierte Bedeckungen durch. Die Reproduktion einer Opazität, die so hoch war wie die vom JWST aufgezeichnete, lag bei einer Wahrscheinlichkeit von etwa 1 zu 1.000 bei 1,5 Mikrometern und 4 zu 100.000 bei 3,2 Mikrometern für eine einzelne Messung. Das Teleskop fing den Ring zweimal ein, beim Hineingehen und beim Herauskommen, was die Wahrscheinlichkeiten noch geringer machte.

Santos-Sanz schloss daraus, dass der innere Ring höchstwahrscheinlich dicker geworden ist. Gleichzeitig tat der äussere Ring das Gegenteil.

Der Ring, der verblasste

C2R war bei 1,5 Mikrometern kaum registrierbar und erschien bei 3,2 überhaupt nicht, obwohl das Teleskop im selben Moment denselben Ringabschnitt in beiden Bändern aufzeichnete. „Am Anfang haben wir den äusseren Ring in der Lichtkurve nicht einmal gesehen“, sagte Santos-Sanz. „Wir mussten Modelle verwenden. Er war wirklich kaum sichtbar, also sagten wir: ‚Was passiert hier eigentlich?‘“

Das Team kam zu zwei möglichen Erklärungen. Die erste ist, dass das JWST bei Wellenlängen blickt, bei denen fast noch nie eine Bedeckung aufgezeichnet wurde, und einfach Körner sieht, die das Licht im Infraroten anders streuen. Die andere ist, dass sich die Ringe tatsächlich physisch verändert haben.

Santos-Sanz argumentiert, dass Strahlungstransportmodelle auf Letzteres hindeuten. Die älteren Beobachtungen im sichtbaren Licht waren konsistent mit einer Mischung aus Eis und Silikaten, aber sobald die JWST-Datenpunkte hinzugefügt werden, konnte keine Kombination aus Materialien und Korngrössen erklären, was das Teleskop gesehen hat.

„Wir werden Zeugen einer realen Entwicklung der Ringe im Laufe der Zeit“, sagte Santos-Sanz. „Natürlich ist es keine Gewissheit, aber für mich ist es die bevorzugte Erklärung.“

Ausserdem war diese Entwicklung höchstwahrscheinlich nicht nur darauf zurückzuführen, dass Material vom verblassenden äusseren Ring nach innen zum inneren Ring wanderte. Gemessen als äquivalente Breite hat der inneren Ring etwa zehnmal mehr gewonnen, als der äussere Ring verloren hat. „Wir wissen nicht, woher das zusätzliche Material kommt, aber es gibt einige Hypothesen“, sagte Santos-Sanz.

Der Geistermond

Die führende Erklärung, so erklärt Santos-Sanz, ist ein kleiner Schäferhund-Satellit, der sich die Umlaufbahn des äusseren Rings teilt. Ein solches Objekt würde die Stabilität der Ringe und ihre scharfen Kanten erklären und könnte auch Trümmer abwerfen, die C1R auffüllen. „Dieser Satellit wurde noch nicht entdeckt, falls er existiert“, sagte Santos-Sanz.

Ein Computermodell basierend auf JWST-Daten gibt auch Hinweise darauf, woraus die beiden Ringe bestehen. Santos-Sanz stellt jedoch klar, dass dieser Teil der Arbeit noch nicht abgeschlossen ist. „Unser Gefühl nach diesem Modell ist, dass der innere Ring aus grösseren Partikeln bestehen sollte als der äussere Ring. Wir glauben, dass der äussere Ring staubiger ist“, sagte er. „Aber das ist eine Arbeit im Gange. Ich kann nicht mit Sicherheit sagen, nun, das ist staubig, das ist es nicht.“

Der beste Test, so argumentiert das Team, wäre es, eine weitere Chariklo-Bedeckung einzufangen, diesmal unter Verwendung von sichtbarem Licht, was eine echte Veränderung von einem Wellenlängeneffekt trennen würde. „Wir suchen nach neuen Bedeckungen“, sagte Santos-Sanz.

Zu verstehen, wie sich Ringe um kleine Körper im Laufe der Zeit entwickeln, sei wichtig, erklärt er, weil Chariklo nicht der einzige ist, der sie hat. Ringe sind mittlerweile um einen weiteren Körper aus derselben Kategorie wie Chariklo, genannt Chiron, den Zwergplaneten Haumea und das transneptunische Objekt Quaoar bekannt. Man weiss bereits, dass sich die Ringe von Riesenplaneten über Monate und Jahre hinweg verschieben; Saturns D-Ring ist messbar geschrumpft, und Neptuns Adams-Bögen ordnen sich neu an. Jetzt scheinen kleine Körper dies ebenfalls zu tun.

„Ich denke, diese Arbeit ist nur ein Puzzleteil“, sagte Santos-Sanz, „aber sie könnte ein wichtiger Hinweis für breitere Studien über die Ringe um kleinere Körper und um Riesenplaneten sein.“

Santos-Sanzs Studie ist in Science Advances veröffentlicht: https://doi.org/10.1126/sciadv.aeh4794