En av de sista handlingarna av NASA:s rymdfarkost Cassini innan dess död kastade sig in i Saturnus väte- och heliumatmosfär var att segla mellan planeten och dess ringar och låta dem dra runt den, fungerar i huvudsak som en gravitationssond.

Exakta mätningar av Cassinis slutliga bana har nu gjort det möjligt för forskare att göra den första exakta uppskattningen av mängden material i planetens ringar, väger dem baserat på styrkan av deras gravitationskraft.

Den uppskattningen - cirka 40 procent av massan av Saturnus måne Mimas, som i sig är 2, 000 gånger mindre än jordens måne – berättar för dem att ringarna är relativt nya, har sitt ursprung för mindre än 100 miljoner år sedan och kanske så sent som för 10 miljoner år sedan.

Deras unga ålder sätter en långvarig diskussion bland planetforskare till ro. Vissa trodde att ringarna bildades tillsammans med planeten för 4,5 miljarder år sedan av isiga skräp som fanns kvar i omloppsbana efter bildandet av solsystemet. Andra tyckte att ringarna var väldigt unga och att Saturnus hade, vid något tillfälle, fångade ett föremål från Kuiperbältet eller en komet och minskade det gradvis till kretsande spillror.

Den nya massuppskattningen är baserad på en mätning av hur mycket Cassinis flygbana avböjdes av ringarnas gravitation när rymdfarkosten flög mellan planeten och ringarna i sin slutliga omloppsbana i september 2017. Inledningsvis, dock, avböjningen matchade inte förutsägelser baserade på modeller av planeten och ringar. Först när teamet stod för mycket djupt strömmande vindar i atmosfären på Saturnus – något omöjligt att observera från rymden – var mätningarna meningsfulla, så att de kan beräkna massan på ringarna.

"Första gången jag tittade på data trodde jag inte på det, eftersom jag litade på våra modeller och det tog ett tag att sjunka in att det fanns någon effekt som förändrade gravitationsfältet som vi inte hade tänkt på, sa Burkhard Militzer, en professor i jord- och planetvetenskap vid University of California, Berkeley, som modellerar planetariska interiörer. "Det visade sig vara massiva flöden i atmosfären minst 9, 000 kilometer djupt runt ekvatorialområdet. Vi trodde preliminärt att dessa moln var som moln på jorden, som är begränsade till ett tunt lager och innehåller nästan ingen massa. Men på Saturnus är de verkligen enorma."

De beräknade också att ytmolnen vid Saturnus ekvator roterar 4 procent snabbare än lager 9, 000 kilometer (cirka 6, 000 miles) djupt. Det djupare lagret tar 9 minuter längre tid att rotera än molntopparna vid ekvatorn, som går runt planeten en gång var tionde timme, 33 minuter.

"Upptäckten av djupt roterande lager är en överraskande uppenbarelse om planetens inre struktur, " sa Cassini-projektforskaren Linda Spilker från NASA:s Jet Propulsion Laboratory i Pasadena, Kalifornien. "Frågan är vad som gör att den snabbare roterande delen av atmosfären går så djupt och vad säger det oss om Saturnus inre."

Militzer kunde också beräkna att planetens steniga kärna måste vara mellan 15 och 18 gånger jordens massa, vilket liknar tidigare uppskattningar.

Laget, ledd av Luciano Iess vid Sapienza-universitetet i Rom, Italien, rapporterade sina resultat i dag i tidningen Vetenskap .

Kom ringar från isiga kometer?

Tidigare uppskattningar av massan av Saturnus ringar – mellan en halv och en tredjedel av Mimas massa – kom från att studera densitetsvågorna som färdas runt stenen, isiga ringar. Dessa vågor orsakas av planetens 62 satelliter, inklusive Mimas, som skapar den så kallade Cassini-uppdelningen mellan de två största ringarna, A och B. Mimas är slät och rund, 246 kilometer i diameter. Den har en stor nedslagskrater som gör att den liknar Dödsstjärnan från Star Wars-filmerna.

"Folk litade inte på vågmätningarna eftersom det kan finnas partiklar i ringarna som är massiva men som inte deltar i vågorna, " sa Militzer. "Vi har alltid misstänkt att det fanns någon dold massa som vi inte kunde se i vågorna."

Lyckligtvis, när Cassini närmade sig slutet av sitt liv, NASA programmerade den att utföra 22 dyk mellan planeten och ringarna för att undersöka Saturnus gravitationsfält. Jordbaserade radioteleskop mätte rymdfarkostens hastighet inom en bråkdel av en millimeter per sekund.

Det nya ringmassavärdet ligger inom intervallet för tidigare uppskattningar och gör det möjligt för forskarna att bestämma deras ålder.

Dessa åldersberäkningar, ledd av Philip Nicholson från Cornell University och Iess, byggd på en koppling som forskare tidigare gjort mellan ringarnas massa och deras ålder. Lägre massa pekar på en yngre ålder, eftersom ringarna från början är gjorda av is och är ljusa men med tiden blir de förorenade och mörknade av interplanetärt skräp.

"Dessa mätningar var bara möjliga eftersom Cassini flög så nära ytan under sina sista timmar, " sa Militzer. "Det var en klassiker, ett spektakulärt sätt att avsluta uppdraget."