Dust Populations in the Inner Saturnian System as seen by Cassini’s Cosmic Dust Analyzer during the Ring-Grazing and Grand Finale Orbits

Abstract

Saturn’s vast ring system is unique in our solar system. The Cassini spacecraft, which orbited Saturn for 13 years, provided the most detailed insight into its formation and composition so far. The dust instrument onboard, the Cosmic Dust Analyzer (CDA), recorded in situ time-of-flight mass spectra of numerous sub-μm to μm sized dust particles. These particles were mostly sampled in the E ring, a diffuse ring which is made of constantly replenished icy material ejected from the cryo-volcanic plumes of the icy moon Enceladus. However, another significant amount of the CDA data stems from the inner Saturnian system. There, detected particles originate from the main rings or surfaces of the small satellites nearby. This work presents the first detailed analysis of CDA data recorded in the inner Saturnian system – within the orbit of the moon Mimas. That region was intensively investigated during the end phase of the Cassini mission. Two sets of orbits, the “Ring-Grazing” and the “Grand Finale” orbits, were performed. During the Ring-Grazing orbits not only dust particles from the inner edge of the E ring with the three known main types of water ice particles – pure water ice, organic-enriched and salt- rich ones – were measured, but also particles from other sources such as the main rings or the so-called Janus/Epimetheus ring were detected. The latter was sampled multiple times during Cassini’s ring plane crossings. Based on the compositions of moon ejecta sampled in the ring, the surfaces of these two co-orbital moons appear to be covered with E ring material. The study also reveals that the E ring grains detected just outside of the main rings have a similar age as particles in the outer E ring (beyond 8 Saturn radii, RS). Apart from icy particles, the data analysis revealed additional compositional types, attributed to different mineral species. One is a silicate/water ice mix type, which is unique for the sampled region and was never observed in the Saturnian system before. The composition and prograde dynamics of this specific type argue for a relatively young particle age and suggest a local source, such as Janus and Epimetheus. Mineral dust particles were measured in larger abundance inside of the main rings, an area that was investigated by Cassini during the Grand Finale orbits. This extremely fine mineral dust, with sizes typically below 100 nm, can mostly be attributed to silicates and is one of the main focuses of this work. They are attributed to a population ejected from the main rings by micrometeoroid impacts and thus show the highest abundance near Saturn’s ring plane. However, also at higher latitudes of up to 3 RS vertical distance from the ring plane, CDA detected numerous silicate grains. This from a dynamical point of view unexpected finding raises questions about the particles’ origin. Due to CDA’s relatively low mass resolution (m/dm = 20–50), individual mass peaks could not be entirely resolved in the respective mass spectra. Thus, a deconvolution method was developed and applied to the spectra in the course of this work, allowing to determine the elemental composition of the silicate grains and in turn make a statement on their source. The silicates were found to have magnesium, silicon, and calcium abundances close to cosmic (CI chondritic) abundances, with iron being significantly depleted. This finding is valid for both the population near the ring plane and that at high latitudes. The iron depletion however is unexpected when comparing the compositions to those of interplanetary dust particles (IDPs) that were sampled by CDA in the Saturnian system. Those are assumed to contaminate and darken the main rings over time – a process used in recent studies to determine the age of Saturn’s main rings. This exogenous material is found to be rich in iron and mostly attributed to iron sulfides. Sulphur is only found in a handful of the silicates of this work, suggesting a connection between these dust populations, but at the same time – together with the iron depletion – arguing for compositional processing of the IDPs within the rings. We find that the most likely mechanism generating the observed iron-depleted silicates is chemical alteration of the IDPs induced by their high speed impacts onto the ring material. This process might due to reactions with water ice – the main constituent of Saturn’s rings – simultaneously lead to an accumulation of iron there, likely in the form of iron oxides. Since the compositions of the silicates detected high above and below the ring plane clearly resemble those of the particles near the rings, an origin from the main rings seems plausible, as well. We carried out dynamical simulations that can explain the surprising detection locations of the dust particles as a result of high ejection speeds (>25 km s–1) from the ring plane in combination with trajectories shaped by electromagnetic forces.

Saturns gewaltiges Ringsystem ist in unserem Sonnensystem einzigartig. Die Cassini Raumsonde, die den Saturn 13 Jahre lang umkreist hat, lieferte bislang die detailliertesten Einblicke in dessen Entstehung und Zusammensetzung. Das Staubinstrument an Bord der Sonde, der Cosmic Dust Analyzer (CDA), zeichnete in situ Flugzeitmassenspektren von zahlreichen sub- μm bis μm großen Staubteilchen auf. Diese Teilchen wurden hauptsächlich im E-Ring beprobt, einem diffusen Ring, der aus ständig erneuertem Eismaterial besteht, das wiederum aus den kryovulkanischen Plumes des Eismondes Enceladus ausgestoßen wird. Ein anderer signifikanter Teil der CDA-Daten stammt jedoch aus dem inneren Saturnsystem. Die hier detektierten Teilchen kommen von den Hauptringen oder den Oberflächen der sich in der Nähe befindlichen kleinen Monde. Diese Arbeit stellt die erste detaillierte Analyse von CDA-Daten vor, die im inneren Saturnsystem – innerhalb der Bahn des Mondes Mimas – aufgezeichnet wurden. Diese Region wurde intensiv während der Endphase der Cassini Mission untersucht. Es wurden zwei Orbiteinheiten ausgeführt, die „Ring-Grazing“ und die „Grand Finale“ Orbits. Während der Ring-Grazing Orbits wurden nicht nur Staubteilchen vom inneren Rand des E-Rings mit den drei bekannten Typen an Wassereisteilchen – pures Wassereis, Organik- reich und Salz-reich – gemessen, sondern auch Teilchen aus anderen Quellen, wie z.B. von den Hauptringen oder dem sogenannten Janus/Epimetheus-Ring. Letzterer wurde mehrere Male während Cassinis Ringebenen-Durchflügen beprobt. Basierend auf der Zusammensetzung der Mondejekta, die im Ring detektiert wurden, scheinen die Oberflächen der beiden koorbitalen Monde mit E-Ring-Material bedeckt zu sein. Die Studie zeigt auch, dass die E-Ring-Teilchen, die knapp außerhalb der Hauptringe detektiert wurden, ein ähnliches Alter wie Teilchen des äußeren E-Rings (außerhalb von 8 Saturnradien, RS) besitzen. Neben Eisteilchen enthüllte die Datenanalyse weitere anders zusammengesetzte Teilchen, die verschiedenen Mineralklassen zugeordnet werden können. Eine davon, ein Silikat/Wassereis-Mischtyp, ist einzigartig für die beprobte Region und wurde noch nie zuvor im Saturnsystem beobachtet. Die Zusammensetzung und prograde Dynamik dieses speziellen Typs lassen auf ein relativ junges Teilchenalter schließen und legen eine lokale Quelle, wie z.B. Janus und Epimetheus, nahe. Mineralstaubpartikel wurden in größeren Mengen innerhalb der Hauptringe gemessen, ein Bereich, der von Cassini während der Grand Finale Orbits untersucht wurde. Dieser extrem feine Mineralstaub, mit Größen meist unter 100 nm, kann hauptsächlich Silikaten zugeordnet werden und stellen einen der Schwerpunkte dieser Arbeit dar. Sie gehören zu einer Population, die durch Mikrometeoriteneinschläge aus den Hauptringen herausgeschleudert wurde, und zeigen somit die größte Häufigkeit in unmittelbarer Nähe der Ringebene des Saturn. CDA detektierte jedoch auch in höheren Breiten, von bis zu 3 RS vertikaler Distanz zur Ringebene, zahlreiche Silikatteilchen. Dieser aus dynamischer Sicht unerwartete Fund wirft Fragen über die Herkunft der Teilchen auf. Aufgrund der relativ niedrigen Massenauflösung des CDA (m/dm = 20–50), können individuelle Massenlinien in den jeweiligen Massenspektren nicht komplett aufgelöst werden. Daher wurde im Zusammenhang dieser Arbeit eine Entfaltungsmethode (Deconvolution Method) entwickelt und auf die Spektren angewandt, die es erlaubt, die elementare Zusammensetzung der Silikatteilchen zu bestimmen, und so eine Aussage über deren Herkunft zu treffen. Es stellte sich heraus, dass die Silikate Magnesium, Silicium und Calcium in nahezu kosmischen Häufigkeiten (CI chondritisch) aufweisen, Eisen jedoch signifikant abgereichert ist. Dieser Befund trifft sowohl auf die Population nahe der Ringebene als auch auf jene in höheren Breiten zu. Die Eisenabreicherung ist jedoch überraschend, wenn man die Zusammensetzung mit der von interplanetaren Staubteilchen (IDPs) vergleicht, die mit dem CDA im Saturnsystem beprobt wurden. Bei diesen Teilchen vermutet man, dass sie die Hauptringe verunreinigen und mit der Zeit verdunkeln – ein Prozess der in jüngsten Studien genutzt wird, um das Alter der Saturnringe zu bestimmen. Dieses exogene Material wurde als eisenreich bestimmt und kann hauptsächlich Eisensulfiden zugeordnet werden. Schwefel konnte in dieser Arbeit nur in einer Handvoll von Spektren identifiziert werden, was zwar für eine Verbindung dieser beiden Staubpopulationen spricht, gleichzeitig – zusammen mit der Eisenabreicherung – jedoch eine Prozessierung der Zusammensetzung der IDPs innerhalb der Ringe nahelegt. Wir stellen fest, dass es sich bei dem Mechanismus, der am wahrscheinlichsten zu den beobachteten eisenverarmten Silikaten führt, um eine chemische Veränderung der IDPs handelt, hervorgerufen durch deren Hochgeschwindigkeitseinschläge auf das Ringmaterial. Dieser Prozess könnte durch Reaktionen mit Wassereis – dem Hauptbestandteil der Saturnringe – gleichzeitig zu einer Anreicherung von Eisen dort führen, vermutlich in Form von Eisenoxiden. Da die Zusammensetzungen der Silikate, die weit oberhalb und unterhalb der Ringebene gemessen wurden, denen der Teilchen in der Nähe der Ringe eindeutig ähnelt, scheint auch hier ein Ursprung aus den Hauptringen plausibel. Wir führen dynamische Simulationen durch, die die überraschenden Detektionsorte der Staubpartikel als Folge von hohen Auswurfgeschwindigkeiten (>25 km s–1) aus der Ringebene, in Kombination mit durch elektromagnetische Kräfte geformte Flugbahnen erklären können.