Saturn (Planet)

Grundlagen und Einordnung

Der Saturn ist von der Sonne aus gesehen der sechste Planet des Sonnensystems und nach Jupiter der zweitgrößte. Sein Äquatordurchmesser beträgt etwa 120.500 km, also ungefähr das 9,5-Fache des Erddurchmessers. Seine Masse entspricht etwa 95 Erdmassen, das sind aber nur rund 30 % der Jupitermasse. Saturn wird oft „Ringplanet“ genannt, weil sein Ringsystem besonders auffällig ist und schon in kleinen Fernrohren sichtbar wird.

Saturn ist ein Gasplanet und besitzt keine feste Oberfläche. Als „Oberfläche“ wird bei Gasplaneten häufig die Höhe verwendet, bei der der Atmosphärendruck 1 bar beträgt. Dort liegt die Temperatur bei Saturn bei 134 K, also −139 °C. Seine mittlere Dichte beträgt nur 0,687 g/cm³. Damit ist Saturn im Durchschnitt leichter als Wasser unter Normalbedingungen; das gilt für keinen anderen Planeten des Sonnensystems.

Die oberen Schichten bestehen hauptsächlich aus Wasserstoff. In der Tabelle des Artikels werden als Stoffanteile der oberen Schichten genannt: Wasserstoff (H₂) 96,3 ± 2,4 %, Helium 3,25 ± 2,4 %, Methan 0,45 ± 0,2 % und Ammoniak 0,0125 ± 0,0075 %. Im Fließtext wird außerdem beschrieben, dass die Atmosphäre nach Masse etwa 93 % Wasserstoff und knapp 7 % Helium enthält. Der Planet erscheint gelblich-braun; seine Wolkendecke enthält überwiegend gefrorene Ammoniakkristalle. Die Wolkenstreifen sind weniger deutlich als bei Jupiter, vermutlich wegen einer hochliegenden Dunstschicht.

Saturn ist der äußerste Planet, der mit bloßem Auge gut sichtbar ist. Daher war er schon lange vor der Erfindung des Fernrohrs bekannt. Sein astronomisches Symbol ♄ stilisiert die Sichel des römischen Gottes Saturn, nach dem der Planet benannt ist.

Umlaufbahn und Rotation

Saturn bewegt sich auf einer annähernd kreisförmigen Bahn um die Sonne. Die Exzentrizität, also das Maß der Abweichung von einer Kreisbahn, beträgt 0,054. Sein sonnennächster Punkt, das Perihel, liegt bei 9,04 AE; sein sonnenfernster Punkt, das Aphel, bei 10,12 AE. Eine Astronomische Einheit (AE) entspricht ungefähr dem mittleren Abstand der Erde von der Sonne. Die mittlere Entfernung Saturns zur Sonne beträgt gut 1,43 Milliarden Kilometer. Die Bahn ist um 2,48° gegen die Ekliptik geneigt, also gegen die Ebene, in der die Erde die Sonne umläuft. Für einen Umlauf um die Sonne benötigt Saturn ungefähr 29 Jahre und 163 Tage; in der Tabelle wird die siderische Umlaufzeit mit 29,4475 Jahren angegeben.

Die Rotationsachse des Saturn ist um 26,73° gegen seine Bahnebene geneigt. Saturn rotiert als Gasplanet nicht wie ein starrer Körper. Dieses Verhalten heißt differentielle Rotation: verschiedene Breiten rotieren unterschiedlich schnell. Die Äquatorregionen, „System I“, benötigen 10 Stunden, 13 Minuten und 59 Sekunden für eine Umdrehung. Die Polregionen, „System II“, benötigen 10 Stunden, 39 Minuten und 22 Sekunden. Aus Magnetfelddaten wurde für das Innere eine Rotationsperiode von 10 Stunden, 47 Minuten und 6 Sekunden abgeleitet.

Neuere Auswertungen von Messdaten der Raumsonden Pioneer 11, Voyager 1 und 2 sowie Cassini-Huygens ergaben 2007 für den Kern 10 Stunden, 32 Minuten und 35 Sekunden. 2019 wurde aus Cassini-Daten eine weiter verbesserte Rotationszeit von 10 Stunden, 33 Minuten und 38 Sekunden veröffentlicht. Die Präzessionsperiode der Saturnachse, also die langsame Richtungsänderung der Achse, liegt nach Modellrechnung und Beobachtungen in einer Größenordnung von zwei Millionen Jahren.

Innerer Aufbau, Wetter und Magnetfeld

Im Inneren Saturns geht die Atmosphäre mit zunehmender Tiefe wegen des hohen Drucks allmählich vom gasförmigen in den flüssigen Zustand über. Eine klar definierte Oberfläche gibt es nicht. Noch tiefer wird Wasserstoff metallisch, das heißt, er besitzt unter extremem Druck Eigenschaften eines Metalls. Beim Saturn beginnt diese metallische Schicht erst bei 0,47 Saturnradien. Darunter liegt ein Gesteinskern, genauer ein Eis-Silikat-Kern, dessen Masse in Modellrechnungen auf etwa 16 Erdmassen geschätzt wird. Der Kern macht damit etwa 25 % der Saturnmasse aus. Im Kern herrscht eine Temperatur von 12.000 Kelvin.

Saturn strahlt 2,5-mal so viel Energie ab, wie er von der Sonne empfängt. Als Ursache wird unter anderem der Kelvin-Helmholtz-Mechanismus angenommen, eine langsame Verdichtung durch Gravitation. Zusätzlich oder alternativ kann Wärme entstehen, wenn Heliumtröpfchen im Inneren nach unten sinken, durch Reibung Energie freisetzen und die äußeren Schichten an Helium verarmen. Der Artikel erwähnt außerdem die Vermutung, dass es im Saturn Diamantniederschläge geben könnte.

Das Wetter wird von Wolken aus auskristallisiertem Ammoniak geprägt. Es gibt mindestens zwei Wolkenschichten; die obere reflektiert Sonnenlicht, die untere ist vor allem im infraroten Bereich sichtbar. Am Nordpol befindet sich ein Polarwirbel und eine stabile, fast regelmäßige sechseckige Struktur mit fast 25.000 km Durchmesser. Dieses „Hexagon“ wurde schon 1980 und 1981 von den Voyager-Sonden aufgenommen und 2006 durch Cassini erneut beobachtet. Es rotiert in 10 Stunden, 39 Minuten und 24 Sekunden. Am Südpol gibt es einen ortsfesten, hurrikanähnlichen Sturm mit etwa 8000 km Durchmesser. Außerdem wurden der „Große Weiße Fleck“ und warme Stellen, sogenannte Hot Spots, an beiden Polen beobachtet.

Saturn besitzt ein eigenes Magnetfeld. Es ähnelt einem magnetischen Dipol, also einer einfachen Feldform mit Nord- und Südpol. Die Feldstärke am Äquator beträgt etwa 20 µT. Das ist schwächer als das Erdmagnetfeld am Äquator mit etwa 30 µT und viel schwächer als Jupiters Äquatorfeld mit 420 µT. Das magnetische Dipolmoment beträgt 4,6 · 10¹⁸ T·m³ und ist damit 580-mal stärker als das der Erde. Besonders ist, dass Magnetfeldachse und Rotationsachse nahezu parallel sind; 2017 lag der Messfehler unter 0,06°. Die Magnetosphäre schützt Saturn vor dem Sonnenwind und steht in Wechselwirkung mit den Ringen sowie mit großen inneren Monden, besonders mit Titan.

Ringe und Monde

Das Ringsystem liegt in Saturns Äquatorebene und ist eines seiner auffälligsten Merkmale. Galileo Galilei entdeckte es 1610, deutete es aber zunächst als „Henkel“. Christiaan Huygens beschrieb die Ringe 45 Jahre später richtig als Ringsystem. Giovanni Domenico Cassini vermutete, dass die Ringe aus kleinen Teilchen bestehen, und entdeckte 1675 die Cassinische Teilung.

Die Ringe bestehen aus mehr als 100.000 einzelnen Ringen mit unterschiedlichen Zusammensetzungen und Farbtönen. Sie bestehen zu großen Teilen aus Wassereis- und Gesteinsbrocken. Der innerste Ring beginnt etwa 7000 km über der Saturnoberfläche und hat einen Durchmesser von 134.000 km; der äußerste der klassischen Ringe erreicht 960.000 km Durchmesser. Die großen Ringe heißen von innen nach außen D-, C-, B-, A-, F-, G- und E-Ring. Lücken entstehen durch gravitative Wechselwirkungen mit Monden und durch Resonanzen, also regelmäßige Verhältnisse der Umlaufzeiten. Die Cassinische Teilung wird durch den Mond Mimas verursacht. Kleine Hirten- oder Schäfermonde stabilisieren Ringränder und Lücken.

Alle 14,8 Jahre erscheint das Ringsystem von der Erde aus in Kantenstellung und wird dadurch fast unsichtbar. Diese Stellung hat im Mai 2025 ihren aktuellen Höhepunkt. Neben dem Hauptringsystem gibt es einen sehr weit außen liegenden Ring, der am 6. Oktober 2009 mit dem Spitzer-Weltraumteleskop anhand seiner Infrarotstrahlung entdeckt wurde. Er liegt im Bereich von Millionen Kilometern Entfernung, ist optisch wegen sehr geringer Materiedichte nicht sichtbar und hängt mit dem Mond Phoebe zusammen. 2015 wurde mit WISE festgestellt, dass er von 6 Mio. bis 16 Mio. km Saturnabstand reicht und hauptsächlich aus sehr kleinem, dunklem Staub besteht.

Zur Entstehung der Ringe gibt es mehrere Theorien. Nach einer Theorie zerbrach ein Mond innerhalb der Roche-Grenze durch Gezeitenkräfte. Eine Abwandlung nimmt eine Kollision mit einem Kometen oder Asteroiden an. Eine andere Theorie besagt, dass die Ringe zusammen mit Saturn aus derselben Materialwolke entstanden. Das Alter der Ringe ist umstritten: Früher galten sie eher als kurzlebig mit höchstens einigen 100 Millionen Jahren, neuere Auswertungen nach Cassini-Daten lassen aber mehrere Milliarden Jahre möglich erscheinen.

Saturn hat nach heutigem Stand 293 bekannte Monde. Der größte ist Titan mit 5150 km Durchmesser. Rhea, Dione, Tethys und Iapetus haben Durchmesser zwischen 1050 km und 1530 km. Einige Monde teilen sich Bahnen: Telesto, Tethys und Calypso bewegen sich mit 60° Versatz auf derselben Bahn, ebenso Helene und Polydeuces mit Dione. Janus und Epimetheus laufen auf fast gleichen Bahnen und tauschen etwa alle vier Jahre ihre Umlaufbahnen. Daphnis und Pan kreisen innerhalb der Hauptringe. Außerdem vermuten Forscher in den Ringen viele kleine Körper von etwa 100 m Durchmesser, möglicherweise Überreste eines größeren Körpers.

Beobachtung und Erforschung

Saturn lässt sich am besten um die Opposition beobachten. Dann steht er von der Erde aus der Sonne gegenüber, ist der Erde am nächsten und kulminiert etwa um Mitternacht. Seine Scheibe ist im Fernrohr ab etwa 20-facher Vergrößerung gut sichtbar. Den Ring und den größten Mond Titan erkennt man bereits im Feldstecher. Die Äquatorstreifen werden ab etwa 40-facher Vergrößerung erkennbar, die nächstkleineren vier bis fünf Monde mit einem Achtzöller, also einem Standardfernrohr mit 20-cm-Objektiv. Etwa alle 20 Jahre kommt es von der Erde aus gesehen zu einer großen Konjunktion von Jupiter und Saturn.

Vor dem Raumfahrtzeitalter wurde Saturn vor allem mit Fernrohren erforscht. Galileo Galilei beobachtete ihn 1610 und sah ihn wegen der damaligen Fernrohrqualität als „dreigestaltig“. 1612 konnte er die Ringe wegen ihrer Kantenstellung nicht erkennen. Christiaan Huygens entdeckte am 25. März 1655 Titan und erkannte 1659, dass Saturn von einem freischwebenden Ring umgeben ist. Giovanni Domenico Cassini entdeckte Iapetus, Rhea, Dione und Tethys sowie die Cassinische Teilung. William Herschel bestimmte 1790 die Rotationsdauer mit 10 h 16 m und entdeckte 1789 Mimas und Enceladus. Hyperion wurde 1848 von Bond und Lassell gefunden, Phoebe 1898 von William Henry Pickering.

Pioneer 11 flog am 1. September 1979 als erste Sonde am Saturn vorbei, in 21.000 km Entfernung. Sie entdeckte den F-Ring, machte 220 Bilder von Saturn und eines von Titan, untersuchte das Magnetfeld und zeigte, dass Saturn Energie abgibt, einen höheren Wasserstoffanteil als Jupiter besitzt und Titan eine dichte Wolkendecke hat.

Voyager 1 besuchte Saturn am 12. November 1980 und lieferte erste hochauflösende Bilder von Planet, Ringen und Monden. Die Sonde untersuchte auch Titans Atmosphäre, die Stickstoff, Methan, Ethylen und Cyankohlenwasserstoffe enthält. Voyager 2 erreichte Saturn am 25. August 1981, fotografierte weitere Monde, bestätigte und entdeckte Monde, maß Temperatur und Druck der Atmosphäre und fand unter anderem die Maxwell-Lücke im C-Ring sowie die 42 km breite Keeler-Lücke im A-Ring.

Cassini-Huygens war die wichtigste Saturnmission des Artikels. Nach siebenjährigem Flug passierte die Sonde am 11. Juni 2004 Phoebe in 2068 km Entfernung und trat am 1. Juli 2004 in eine Saturnumlaufbahn ein. Die Landeeinheit Huygens landete am 14. Januar 2005 auf Titan. Cassini beobachtete Gewitter, entdeckte weitere Ringe und Monde, untersuchte Titan per Radar und fand Hinweise auf unterirdische Wasserreservoirs nahe der Oberfläche von Enceladus. 2009 zeichnete Cassini ein Gewitter auf, das von Mitte Januar bis Mitte Dezember dauerte. Am 15. September 2017 wurde Cassini nach Verbrauch des Treibstoffs absichtlich in Saturns Atmosphäre gelenkt, um eine biologische Kontamination von Saturnmonden zu vermeiden.

Kulturelle Bedeutung

Weil Saturn mit bloßem Auge sichtbar ist und als Wandelstern auffällt, wurde er schon im Altertum mythologisch gedeutet. Im Alten Ägypten symbolisierte er als Hor-ka-pet, „Himmelsstier“, die Gottheit Horus. Die Sumerer nannten ihn Lubat-saguš, „Stern der Sonne“, und die Babylonier wegen seiner langsamen Bewegung Kajamanu, „der Beständige“. Im antiken Griechenland galt er als Planet des Gottes Kronos, bei den Römern als Planet des Gottes Saturnus. In der hinduistischen Astrologie heißt Saturn Shani.

In der chinesischen und japanischen Kultur steht Saturn für die Erde, bezogen auf die Fünf-Elemente-Lehre. In osmanischer und indonesischer Sprache heißt er, vom Arabischen زحل abgeleitet, Zuhal. Im Hebräischen wird er Shabbathai genannt. Der englische Tagesname Saturday verweist noch auf Saturn, der in der Einteilung der sieben babylonischen Wochentage eine Rolle spielte.

In der mittelalterlichen Astrologie stand Saturn unter anderem für Unglück, Sorgen, Melancholie, Krankheiten und harte Arbeit, zugleich aber auch für Ordnung und Maß. In Kunst und Literatur blieb er daher ein Symbol der Melancholie. Johannes Kepler vermutete, der Stern von Betlehem könne eine seltene dreifache Saturn-Jupiter-Konjunktion im Sternzeichen Fische gewesen sein. Die beiden Gasriesen trafen sich im Jahr 7 vor Christus dreimal: am 27. Mai, 6. Oktober und 1. Dezember. Dem Saturn wurde in der Antike das Metall Blei zugeordnet; daher heißt Bleivergiftung Saturnismus.