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A New View on the Composition of Dust in the Solar System : Results from the Cassini Dust Detector

Postberg, Frank

German Title: Neue Erkenntnisse über die Zusammensetzung von Staub im Sonnesystem : Resultate des Cassini Staub Detektors

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Abstract

In this work the time-of-flight mass spectra of cations, extracted from the plasma created by highvelocity particle impacts onto the Cassini dust detector, are evaluated. The composition of six different dust species is inferred. During Cassini’s cruise, spectra of iron-rich interplanetary dust were obtained. Subsequently two fast hypervelocity stream particle species, originating from the Jovian and Saturnian systems were detected. For the Jovian streams sodium chloride (NaCl) was identified as the major particle constituent, accompanied by sulfurous as well as potassium-bearing components. This implies that the vast majority of the observed Jovian stream particles originate from the volcanically active Jovian satellite Io. An alkali salt condensation of gases inside Pele-type volcanic plumes is proposed as the source mechanism. For the Saturnian stream species the source region is the planet’s ring system. Silicon is identified as the main particle component, indicating that the tiny particles are probably remnants of once larger icy particles populating the outermost tenuous Saturnian ring, the E ring. Following Cassini’s Saturn orbit insertion, three further spectral types have been discovered (during crossings of the E ring), associated with different particle populations. The bulk material of Type I and Type II particles is water ice. In contrast Type III dust exhibits a mineral composition. Type I spectra imply pure water ice particles, whereas in Type II spectra organic compounds and/or silicate minerals are identified as impurities within the icy particles. This reveals the cryo-volcanic plumes of the moon Enceladus as the origin of Type II particles, which implies a dynamic interaction of Enceladus’ rocky core with liquid water. The non-water Type III dust species exhibits an iron-rich composition, probably in the form of pyrite, oxides and/or hydroxides. A magnesium-rich siliceous subspecies is likely. Retrograde or unbound orbits are in best agreement with the Type III observations.

Translation of abstract (German)

Gegenstand der Arbeit ist die Auswertung und Interpretation von Flugzeit-Massenspektren der Kationen, die aus dem Einschlagsplasma von Hochgeschwindigkeitseinschlägen auf den Staub-Detektor der Raumsonde Cassini extrahiert werden. Die Zusammensetzung sechs verschiedener Staubarten wird abgeleitet. Bereits auf dem Weg ins äußere Sonnensystem erhielt man Spektren eisenreichen interplanetaren Staubes. Weiterhin wurden zwei Arten extrem schneller Staubströme, die dem Jupiter- bzw. dem Saturnsystem entspringen, detektiert. Für die Jupiterströme wird Natriumchlorid, neben schwefel- und kaliumhaltigen Komponenten, als Hauptbestandteil identifiziert. Dies belegt den vulkanisch aktiven Jupitermond Io als Quelle für den Großteil der beobachteten Jupiter-Stromteilchen. Als Entstehungsmechanismus wird die Kondensation von Alkalisalzen aus Gasen vulkanischer Auswurffontänen vom Pele-Typ vorgeschlagen. Die Quellregion der Saturn–Stromteilchen ist das Ringsystem des Planeten. Silizium wird als Hauptbestandteil identifiziert. Dies weist darauf hin, dass der winzige Staub wahrscheinlich Überrest einst größerer Eispartikel ist, welche den äußeren dünnen Ring Saturns - den E-Ring - bevölkern. Nach Cassinis Einschwenken in den Saturnorbit wurden bei Durchquerungen des E-Ringes drei weitere spektrale Typen identifiziert, die mit verschiedenen Staubpopulationen assoziiert werden. Der Hauptbestandteil von Typ I- und Typ II-Teilchen ist Wassereis, während Typ III-Staub eine mineralische Zusammensetzung aufweist. Im Gegensatz zu Typ I-Spektren, die reine Wassereiskristalle nahe legen, weisen Typ II-Spektren auf organische Komponenten und/oder silikatische Mineralien als Verunreinigungen in den Teilchen hin. Dies enthüllt die Eisvulkane des Mondes Enceladus als Quelle für Typ II-Teilchen, was eine dynamischen Wechselwirkung von Enceladus’ Gesteinskern mit flüssigem Wasser nahe legt. Der wasserfreie Typ III-Staub weist eine eisenreiche Zusammensetzung, vermutlich in der Form von Pyrit, Oxiden und/oder Hydroxiden, auf. Eine magnesiumreiche silikatische Unterart ist wahrscheinlich. Retrograde oder ungebundene Teilchenbahnen ergeben die beste Übereinstimmung mit den Typ III-Beobachtungen.

Item Type: Dissertation
Supervisor: Grün, Prof. Dr. Eberhard
Date of thesis defense: 19 December 2007
Date Deposited: 14 Jan 2008 14:02
Date: 2007
Faculties / Institutes: Service facilities > Max-Planck-Institute allgemein > MPI for Nuclear Physics
Subjects: 520 Astronomy and allied sciences
Controlled Keywords: Kosmischer Staub, Zusammensetzung, Jupiter <Planet>, Saturn <Planet>, Cassini <Raumsonde>, Planetare Ringe , Interplanetarer Staub
Uncontrolled Keywords: Staubzusammensetzung , Einschlagsionisation , Planetologie , Io , Enceladusplanetology , Io , Enceladus , dust composition , impact ionization
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