Genom att utveckla en ny metod för att mäta isotopförhållanden mellan vatten och koldioxid på distans, forskare har funnit att vattnet i Saturnus ringar och satelliter oväntat är som vatten på jorden, förutom på Saturnus måne Phoebe, där vattnet är mer ovanligt än på något annat föremål som hittills studerats i solsystemet.

Resultaten, finns i Icarus-artikeln "Isotopic Ratios of Saturn's Rings and Satellites:Impplications for the Origin of Water and Phoebe" av Senior Scientist Roger N. Clark från Planetary Science Institute, innebär också att vi måste ändra modeller för bildandet av solsystemet eftersom de nya resultaten är i konflikt med befintliga modeller. Robert H. Brown (U. Arizona), Dale P. Cruikshank (NASA), och Gregg A. Swayze (USGS) är medförfattare.

Isotoper är olika former av grundämnen men med olika antal neutroner. Att lägga till en neutron lägger till massa till grundämnet, och det kan förändra processer för hur en planet, komet, eller måne bildas. Vatten består av två väteatomer (H) och en syreatom, H2O. Lägga till en neutron till en väteatom, kallas då deuterium (D), ökar massan av en vattenmolekyl (HDO) med cirka 5 procent, och att små förändringar resulterar i isotopiska skillnader i bildandet av en planet, måne, eller komet, och ändrar avdunstning av vatten efter bildning. Förhållandet deuterium till väte (D/H) är ett fingeravtryck av bildningsförhållandena, inklusive temperatur och utveckling över tid. Avdunstande vatten berikar deuterium i den återstående ytan.

Modeller för bildandet av solsystemet indikerar att D/H bör vara mycket högre i det kallare yttre solsystemet än i det varmare inre systemet där jorden bildades. Deuterium är rikligare i kalla molekylära moln. Vissa modeller förutspår att D/H bör vara 10 gånger högre för Saturnussystemet än på jorden. Men de nya mätningarna visar att detta inte är fallet för Saturnus ringar och satelliter förutom Saturnus måne Phoebe.

Upptäckten av ett ovanligt deuterium till väte isotopförhållande (D/H) för Saturnus måne Phoebe betyder att den bildades i och kommer från en avlägsen del av solsystemet, sa Clark. "Phoebes D/H-förhållande är det högsta värdet som hittills uppmätts i solsystemet, antyder ett ursprung i det kalla yttre solsystemet långt bortom Saturnus."

Teamet mätte också förhållandet mellan kol-13 och kol-12 (13C/12C) på Saturnus måne Iapetus och Phoebe. Iapetus, som också har D/H liknande jorden, har också 13C/12C nära jordens värden, men Phoebe är nästan fem gånger högre i kolisotopen. Koldioxidnärvaron sätter gränser för hur mycket av Phoebe som kunde ha avdunstat till rymden efter bildandet, lämnar den enda möjligheten att Phoebe bildades i de mycket kalla yttre delarna av solsystemet, mycket längre ut än Saturnus, och stördes därefter in i en omloppsbana där den fångades av Saturnus. Exakt hur långt ut Phoebe har sitt ursprung är okänt. Det finns för närvarande inga mätningar av D/H eller 13C/12C för de isiga ytorna på Pluto- eller Kuiperbältsobjekt bortom Pluto, men denna nya metod kommer att göra det möjligt för oss att göra sådana mätningar av ytisarna.

Mätningarna gjordes från rymdfarkosten NASA Cassini med hjälp av Visual and Infrared Mapping Spectrometer (VIMS) under uppdragets gång. En förbättrad kalibrering av instrumentet, färdigställd i början av 2018, möjliggjorde den precision som behövs för dessa mätningar av reflekterat ljus från ringarna och satelliterna. Den nya metoden för att mäta isotopförhållanden på fasta ämnen som vattenis och koldioxidis med hjälp av reflektansspektroskopi kommer att möjliggöra mätningar av isotopförhållanden för andra objekt i hela solsystemet, sätta ytterligare begränsningar på modeller av solsystemets bildning.

Saturnussystemets D/H-värden nära jordens värden innebär en liknande vattenkälla för det inre och yttre solsystemet, och nya modeller behöver utvecklas där förändringen från inre till yttre solsystem är mindre.

NASAs Europa Clipper-uppdrag kan användas för att mäta isotopförhållanden på de isiga galileiska satelliterna runt Jupiter, och Clark är en Co-Investigator på uppdraget och hoppas kunna göra sådana mätningar.