10.05.2019
Как называется кольцо вокруг сатурна. Кольца сатурна
Существует 3 основных кольца, названных A, B и C. Они различимы без особых проблем с Земли. Есть и более слабые кольца – D, E, F. При ближайшем рассмотрении колец оказывается великое множество. Между кольцами существуют щели, где нет частиц. Та из щелей, которую можно увидеть в средний телескоп с Земли (между кольцами А и В), названа щелью Кассини. В ясные ночи можно даже увидеть менее заметные щели. Внутренние части колец вращаются быстрее внешних.
КОЛЬЦА САТУРНА |
Ширина колец равна 400 тыс. км, однако в толщину они составляют всего несколько десятков метров. Сквозь кольца можно увидеть звезды, хотя свет их при этом заметно ослабевает. Все кольца состоят из отдельных кусков льда разных размеров: от пылинок до нескольких метров в поперечнике. Эти частицы двигаются с практических одинаковыми скоростями (около 10 км/с, их скорости так хорошо уравнены, что соседние частицы кажутся неподвижными по отношению друг к другу), иногда сталкиваясь друг с другом. Под действием спутников кольцо немного выгибается, переставая быть плоским: видны тени от Солнца. Все же частицы медленно перемещаются в разных направлениях - со скоростью 1-2 мм/с.
Внешний вид колец меняется от года к году. Это обусловлено наклоном плоскости колец к плоскости орбиты планеты. Плоскость колец наклонена к плоскости орбиты на 26°. Поэтому в течение года мы видим их максимально широкими, после чего их видимая ширина уменьшается, и, примерно через 15 лет, они превращаются в слабо различимую черту. В 1610 году Галилео Галилей впервые увидел в телескоп кольца Сатурна, но не понял, что это такое, поэтому записал, что Сатурн состоит из частей.
В июле 1610 г. Галилео Галилей опубликовал зашифрованное сообщение такого содержания: "Отдаленнейшую из планет наблюдал тройную". "Отдаленнейшей из планет" в то время считали Сатурн, а его кольца выглядели в телескопе Галилея двумя туманными пятнами по краям планеты.
Полвека спустя Христиан Гюйгенс сообщил о наличии у Сатурна кольца, а в 1675 году Кассини обнаружил между кольцами щель.
Кольца Сатурна постоянно будоражили воображение исследователей своей уникальной формой. Кант первым предсказал существование тонкой структуры колец Сатурна. Пользуясь своей моделью протопланетного облака, он представлял себе кольцо в виде плоского диска из сталкивающихся частиц, вращающихся дифференциально вокруг планеты по закону Кеплера. Именно дифференциальное вращение, согласно Канту, является причиной расслоения диска на серию тонких колечек. Позднее Симон Лаплас доказал неустойчивость твердого широкого кольца. В середине прошлого века астрономы обнаружили десять колечек вокруг Сатурна. Выдающийся вклад в исследование устойчивости колец Сатурна внес Джеймс Максвелл, получивший премию Адамса за труд, в котором он показал, что такие узкие кольца также неустойчивы и будут падать на планету. И хотя вывод Maксвелла о падении гипотетического сплошного ледового кольца на планету был неправильным (такое кольцо гораздо раньше должно развалиться на куски), следствие из него – метеорное строение колен Сатурна – оказалось верным. Так, к концу XIX века гипотеза метеорного строения колец Сатурна, высказанная впервые Жаном Кассини, получила теоретическое, а в 1893 году – и наблюдательное подтверждение. В течение XX века шло постепенное накопление новых данных о планетных кольцах: получены оценки размеров и концентрации частиц в кольцах Сатурна, спектральным анализом установлено, что кольца – ледяные, открыто загадочное явление азимутальной переменности яркости колец Сатурна.
В течение 29,5 лет с Земли кольца Сатурна дважды видны в максимальном раскрытии и дважды наступают периоды, когда Солнце и Земля находятся в плоскости колец, и тогда кольца либо освещаются Солнцем "с ребра", либо оно для земного наблюдателя видно "с ребра". В этот период кольца почти совсем не видны, что свидетельствует об их очень малой толщине. Разные исследователи, основываясь на визуальных и фотометрических наблюдениях и их теоретической обработке, приходят к заключению, что средняя толщина колец составляет от 10 см до 10 км. Конечно, кольцо такой толщины увидеть с Земли "с ребра" невозможно.
В соответствии с законами Кеплера частицы на разных радиусах кольца движутся с различными соростями: чем ближе к планете, тем быстрее. В наиболее плотном кольце есть область, где частицы обращаются с периодом 10,5 ч, т.е. с той же угловой скоростью, с какой вращается Сатурн. Это значит, что относительно поверхности планеты они остаются неподвижными.
Что узнали "Вояджеры"?
Уже первые снимки колец, переданные АМС "Вояджер-1", показали небольшие цветовые вариации в кольцах, щель в кольце С, наличие вещества в делении Кассини и изменения в распределении и яркости вещества в кольцах С и В. Наиболее интересными деталями на первых снимках были "спицы" - радиальные тёмные образования, пересекающие некоторые участки яркого кольца В. Иногда "спицы" наблюдались в течение нескольких часов, хотя внутренний край кольца у основания "спицы" вращается вокруг планеты с большей скоростью, чем внешний край у вершины "спицы", и эти образования должны бы были разрушиться.
Позже были получены снимки "спиц" при рассеивании солнечного света вперед. На этих снимках области спиц светлые, а не темные, как на первых снимках, сделанных при рассеивании света назад. Это позволило предположить, что области "спиц" содержат очень мелкие пылевидные частицы. Область, где наблюдаются "спицы", перекрывает зону кольца, обращающуюся вокруг Сатурна с такой же скоростью, как его магнитное поле. Это, по мнению некоторых ученых, может объяснить устойчивость спиц, несмотря на различную скорость движения частиц. Ученые предположили, что в результате взаимодействия между этими могшими частицами и электростатическими силами частицы могут концентрироваться в определенных областях или подниматься над плоскостью колец. Если кольцо заряжено, частицы в нем должны отталкиваться друг от друга, но силы гравитации удерживают их в кольце. Для крупных частиц силы гравитации больше сил отталкивания, и они остаются в кольце, для мелких частиц силы отталкивания больше, и они поднимаются над плоскостью кольца. Была высказана гипотеза, что магнитное поле планеты воздействует на заряженные мелкие частицы, находящиеся над кольцом В, "выстраивая их подобно железным опилкам" или заставляя слипаться. Еще одна гипотеза объясняет существование спиц волновыми явлениями вокруг кольца, оказывающими влияние на мелкие частицы, находящиеся на пути волны. Механизм, обуславливающий заряженность кольца, неясен. Предлагались гипотезы о том, что это происходит под влиянием атмосферы Сатурна или высокоэнергетического ультрафиолетового излучения Солнца.
Снимки показали, что каждое из наблюдавшихся ранее шести колец Сатурна (D, С, В, A, F, Е - в порядке увеличивающегося удаления от планеты) состоит из большого числа узких колец. Полагали, что после полной обработки снимков могут насчитать 500 - 1000 узких колец. Несколько узких колец было обнаружено и в делении Кассини, которое ранее считали пространством, относительно свободным от вещества.
Съемка при рассеивании света вперед показала, что частицы в кольцах имеют размеры от нескольких микронов до нескольких метров. На основании характера прохождения радиосигналов АМС "Вояджер-1", через кольцо С сделан вывод, что размер частиц в этом кольце составляет от 10 см до 10 м, причем на каждую частицу размером 10 м приходится примерно 1000 частиц размером 1 м и примерно миллион мелких частиц. Мелкие частицы, по-видимому, состоят изо льда, а более крупные - из снега с включениями льда. Позже сообщалось, что, по данным радиозондирования, средний размер частиц в кольце С 1 м, а некоторые достигают 10 м. При этом отмечалось, что ранее предполагали меньший средний размер частиц. Сообщалось также, что, как показали радиозондирование и измерения в инфракрасном диапазоне, частицы являются кусками льда или силикатами с ледяным покрытием. Все же основная масса колец заключена в частицах метровых размеров.
Время от времени можно наблюдать эффективное зрелище - столкновение двух крупных частиц. Вот две глыбы размером с садовый домик начинают медленно соприкосаться друг с другом, сдвигая с поверхности целые сугробы рыхлого снега. Им не повезло: они не выдержали взаимного давления при ударе и медленно развалились на части. Типичная для колец"катастрофа" при скорости миллиметр в секунду! Два остатка первоначальных тел продолжают движение, а сброшенные с них сугробы снега, комки и снежная пыль неспешно разлетается в разные стороны, сверкая в лучах далекого Солнца. Через несколько дней "пострадавшие" частицы снова вырастут, поймав и поглотив огромное количество более мелких снежкой в кольцах.
Кольцо С - наименее яркое из трех "классических" колец (А, В и С). По-видимому, там вещество более рассредоточено. Самым ярким является кольцо В, где должна быть наибольшая плотность вещества. В кольце В частицы расположены так густо, что, залетев серидину, мы потеряем из виду звезды.
Помимо классических колец на снимках, переданных АМС "Вояджер-1", видно самое близкое к планете кольцо D. Предполагают, что оно образовано веществом, которое проникло через барьер, формирующий внутренний край кольца С.
Кольцо F, судя по снимкам, может иметь несколько эллиптическую форму: некоторые участки этого тонкого кольца расположены ближе к планете, чем другие участки. Это кольцо, по-видимому, образовано двумя, а возможно, и тремя свободно переплетенными "прядями". Ученые затрудняются объяснить это явление. Согласно одной гипотезе, поскольку кольцо F состоит из пылевидных частиц, они могут приобрести электрический заряд от солнечного света или от частиц солнечного происхождения и получить свойства миниатюрных электромагнитов. В этом случае взаимодействие их с магнитным полем Сатурна способно привести к переплетению колец. Вокруг кольца F обнаружены сгустки вещества. Один из них был настолько плотным, что его первоначально приняли за спутник. Последующий анализ показал, что это - область концентрации вещества, имеющая характерный размер 100 - 200 км. Высказывалось предположение, что более широкая часть этого сгустка в какой-то мере контролируется спутниками S-13 и S-14 или что сгусток содержит крупное тело, от которого откалываются куски в результате соударений, и поэтому в данной области наблюдается увеличенная плотность вещества. Сгустки, по-видимому, движутся по орбите вокруг Сатурна. Предполагают, что упомянутые спутники S-13 и S-14, расположенные по обе стороны кольца F, контролируют движение частиц в этом кольце.
Съемка колец при рассеивании света вперед обнаружила еще одно кольцо, которому предварительно присвоено обозначение G. Орбитальный радиус кольца G 150000 км. Полагают, что оно находится близ орбит "коорбитальных" спутников S-10 и S-11. Наблюдавшаяся на одном из этих спутников тень, возможно, отбрасывалась именно этим кольцом. На снимках видно также кольцо Е, простирающееся, возможно, на расстояние до 480000 км от планеты.
Вообще система колец, по-видимому, является относительно стабильным явлением для Сатурна. В отличие от этого, кольцо Юпитера, как полагают, представляет собой динамическую систему, которая постоянно саморегулируется, но имеет ограниченную продолжительность существования. Кольцо Юпитера, видимо, существует благодаря тому, что какие-то тела непрерывно подпитывают кольцо веществом или же в самом кольце есть необнаруженные тела, которые генерируют частицы. Что касается колец Урана, то о них известно относительно мало.
Возвращаясь к колечкам, среди них есть узкие потоки, отклоняющиеся от круговой орбиты. Края некоторых колец зазубриваются, а сами они колышутся под гравитационным напором спутников, изгибаясь и образуя волны. Спиральные волны, эллиптические кольца, странные переплетения узких колечек... все сюрпризы колец трудно перечислить.
Что узнал "Кассини"?
Станция "Кассини" была запущена 15 октября 1997 года. Для того чтобы оказаться на сатурнианской орбите, «Кассини» предстояло выполнить долгожданный и ответственный маневр торможения. Часть этого маневра вы можете наблюдать в этой таблице изображений.
Маневр был давно и тщательно рассчитан, и вся программа действий помещена в память бортового компьютера. И вот долгожданный день 1 июля 2004 года, которого так ждали конструкторы и ученые, настyпил. В 2:11 по Гринвичу «Кассини» прошел так называемый восходящий узел траектории и преодолел плоскость колец Сатyрна, причем проскочив точно между двумя тонкими внешними колечками, обозначаемыми как F и G. |
|||
Неправда ли, впечатляет? (даже такие маленькие изображения). На данный момент космический аппарат Кассини получил уже очень много изобржений и информации о планете, и о кольцах, и о спутниках Сатурна.
Происхождение колец Сатурна Долгое время считалось, что к Сатурну приблизился неосторожный спутник и был разорван его приливными силами "в клочки". Но данные "Вояджеров" опровергли это распространенное мнение. Сейчас установлено, что кольца Сатурна (и других планет тоже) представляют собой остатки огромного околопланетного облака протяженностью во многие миллионы километров.
|
| | |
Кольца планеты Сатурн с фото: сколько колец, из чего состоят, как называются, размер и скорость, радиус, список колец, наблюдения Галилея, происхождение.
Обнаружение колец у планеты Сатурна стало настоящим шоком для ученых. Впервые Галилео Галилей заметил их в 1610 году, но и пролет Вояджеров в 1980-х гг. оставил много загадок.
Система колец Сатурна располагает миллиардами частичек. Их размеры могут достигать пылинок, а другие напоминают скалы. Некоторые из них отвечают за формирование зазоров между кольцами, а другие настолько малы, что не просматриваются отдельно, а вплетаются в общую дугу. Ниже представлен список с параметрами и можно узнать, как называются кольца Сатурна.
| Название | Расстояние до центра Сатурна, км | Ширина, км |
|---|---|---|
| Кольцо D | 67 000-74 500 | 7500 |
| Кольцо C | 74 500-92 000 | 17500 |
| Щель Коломбо | 77 800 | 100 |
| Щель Максвелла | 87 500 | 270 |
| Щель Бонда | 88 690-88 720 | 30 |
| Щель Дейвса | 90 200-90 220 | 20 |
| Кольцо B | 92 000-117 500 | 25 500 |
| Деление Кассини | 117 500-122 200 | 4700 |
| Щель Гюйгенса | 117 680 | 285-440 |
| Щель Гершеля | 118 183-118 285 | 102 |
| Щель Рассела | 118 597-118 630 | 33 |
| Щель Джефриса | 118 931-118 969 | 38 |
| Щель Койпера | 119 403-119 406 | 3 |
| Щель Лапласа | 119 848-120 086 | 238 |
| Щель Бесселя | 120 236-120 246 | 10 |
| Щель Барнарда | 120 305-120 318 | 13 |
| Кольцо A | 122 200-136 800 | 14600 |
| Щель Энке | 133 570 | 325 |
| Щель Килера | 136 530 | 35 |
| Деление Роша | 136 800-139 380 | 2580 |
| R/2004 S1 | 137 630 | 300 |
| R/2004 S2 | 138 900 | 300 |
| Кольцо F | 140 210 | 30-500 |
| Кольцо G | 165 800-173 800 | 8000 |
| Кольцо E | 180 000-480 000 | 300 000 |
Полагают, что кольца Сатурна – остатки от комет и уничтоженных спутников. Каждое выполняет оборот вокруг планеты на своей скорости. Стоит отметить, что кольцевые системы присутствуют также у Юпитера, Урана и Нептуна. Но по масштабности и зрелищности Сатурн стоит на первом месте. Вместе его кольца в толщине охватывают 282000 км.
Обозначение колец Сатурна
В качестве имен используется английский алфавит. Вы легко поймете, как называются кольца Сатурна, ведь именованы в порядке обнаружения и расположены близко. Выделяется лишь пробел Кассини – 4700 км. Главными выступают С, В и А. Зазор Кассини разделяет В и А. Также есть слабые кольца. Наиболее приближенное – D. F – узкое, расположенное возле А. К слабым причисляют G и E.
Чтобы попасть на орбитальную точку Сатурна, Кассини пришлось пройти между F и G. Чтобы обезопасить аппарат, его установили на автономное управление и отключили все камеры и приборы. Но проход позволил добыть огромное количество информации о кольцах и их вид изнутри.
Обнаружение колец Сатурна
Человечество тысячелетиями следило за ночным небом, но лишь в 1619 году Галилео Галилею впервые удалось заметить эту планетарную особенность. Но ему показалось, что рядом с планетой находится еще две планеты, которые лишены движения. Он просто описал Сатурн как «планета с ушами». При обзоре в 1612 году заметил, что «уши» исчезли и появились в 1613-м.
Быстрые факты:
- расположение: вокруг экватора Сатурна.
- толщина: от 10 м до 1 км.
- диаметр: 280360 км.
- состав: миллионы частиц, среди которых 99.9% льда с примесями минералов.
- обнаружение: в 1610 году Галилео Галилеем.
- структура: 13 небольших колец, отделенных зазорами.
- другое: кольца не видны через каждые 14 лет, потому что повернуты к нам.
В 1655 году Христиан Гюйгенс использовал более мощную аппаратуру и рассмотрел кольца в их истинной природе. Оказалось, что в 1612 году «уши» исчезли, потому что повернулись острием к Земле. Но в 1613-м угол зрения изменился, и они снова появились. Сейчас мы знаем, что это повторяется раз в 14 лет.
В 1675 году Джованни Кассини отметил, что кольцо не выступает сплошным, а представлено несколькими дугами, отделенными зазорами. Крупнейший назвали пробелом Кассини. В 1859 году Джеймс Максвелл рассчитал, что кольца не могут выступать сплошными, потому что рвутся гравитационными силами. Он предположил, что мы столкнулись с миллионами мелких частичек, расположенных на орбите вокруг планеты. Это подтвердили в 1895 году в спектроскопическом обзоре.
Планетные системы белых карликов
Астрофизик Роман Рафиков о дисках вокруг белых карликов, кольцах Сатурна и будущем Солнечной системы
Размер и состав колец Сатурна
Сколько колец у Сатурна? Наблюдения в современные приборы показывают, что вокруг планеты сосредоточено примерно 13 концентрических колец. Большая часть именована по буквам алфавита в порядке обнаружения (разрыв Кассини отделяет А и В). Часть системы, наблюдаемая в телескоп, начинается с D (66900 км от Сатурна) и движется к F (140180 км). Это дистанция в 73280 км. Но пылевые частички можно зафиксировать и на удаленности в 13 000 000 км.
Видимая часть наблюдается на отдаленности в 280360 км, где ширина колец достигает всего 10 м и 1 км. Несмотря на масштабность кольцевой площади кольца лишены примечательной плотности. Если собрать весь материал вместе, то получили бы примерный объем Мимаса (диаметр – 396 км)
Из чего же состоят кольца Сатурна? Анализ колец показывает, что они на 99.9% наполнены льдом и небольшим количеством минералов. По размеру способны походить на гальку или скалы с параметрами дома. Снимки, добытые зондами, продемонстрировали, что внутри колец можно отыскать сложные узоры, напоминающие паутину. Скорее всего, здесь просматривается гравитационное воздействие планеты и спутников. Некоторые луны-пастухи вращаются вокруг колец и формируют зазоры. К примеру, F-кольцо существует за счет активности Пандоры и Прометея.
Происхождение колец Сатурна
Есть несколько теорий происхождения колец. В 19-м веке Эдуард Рош предположил, что это остаточный материал от крупного планетарного спутника, разорванного на части гравитацией. С помощью математических расчетов он определил критическую удаленность гипотетической луны. Теперь это используют как «предел Роша» и его можно применить к любому небесному телу.
Также есть мнение о том, что кольца представлены материей, оставшейся от изначального материала планетарного формирования. В итоге осколки за чертой Роша слились и создали луны, а остальная часть пошла на формирование колец. Или же был крупный спутник, уничтоженный ударом/столкновением.
В большой телескоп у Сатурна видны три кольца: внешнее средней яркости кольцо, среднее, самое яркое, и внутреннее полупрозрачное кольцо ("креповое"). В порядке удаления от Сатурна они обозначаются буквами латинского алфавита: С, В, А.
В особо благоприятный период 1966 года, когда кольца были повернуты к земному наблюдателю своей неосвещенной стороной и почти ребром (а это значит, что яркие кольца не мешали наблюдениям), было открыто очень слабое самое внешнее кольцо, Еще одно кольцо (тоже очень слабое) было замечено наземными наблюдателями во внутреннем пространстве между "креповым" кольцом С и самой планетой.
Космические посланцы подтвердили наличие у Сатурна этих крайне разреженных колец и уточнили: самое внешнее кольцо представлено тремя самостоятельными кольцами, разделенными промежутками. Внешний радиус самого внешнего из этих трех колец охватывает зону до 6 радиусов планеты, то есть достигает 360 тыс. км.
Итак, общая структура колец Сатурна представлена семью более или менее широкими кольцами, разделенными промежутками. Но свыше 99% отражаемого солнечного света дают лишь два кольца, которые хорошо наблюдаются с Земли: среднее, самое яркое, и отделенное от него щелью Кассини внешнее кольцо.
Очень интересные результаты были получены "Вояджерами". "Вояджер-1" показал, что видимые в телескопы широкие кольца Сатурна состоят из сотен узких колец. А "Вояджер-2", имевший более чувствительные телевизионные камеры, "увидел", что все узкие кольца разделяются на еще более узкие колечки, которые подобны бороздкам на граммофонной пластинке. Число таких колечек в пределах разрешения камер (около 100 м) достигает примерно 10 тыс. На самом же деле их может быть свыше100 тыс. Но почему частицы в кольцах заполняют не все пространство равномерно, а группируются в узкие колечки?
Советские ученые А. М. Фридман и В. Л. Поляченко объяснили это тем, что кольцо, равномерно заполненное частицами, обладает большей потенциальной энергией, чем кольцо, разделенное на отдельные колечки. А так как любая физическая система стремится принять положение, соответствующее минимуму потенциальной энергии, то эволюция колец и привела их к нынешнему состоянию.
Давно доказано, что кольца Сатурна состоят из миллиардов мелких частиц, каждая из которых обращается вокруг планеты наподобие крошечной луны. Ученых интересовали размеры этих мини-лун и их химический состав. Еще из наземных спектральных наблюдений было известно, что частицы колец, вероятно, ледяные. Бортовые приборы, установленные на космических аппаратах, подтвердили правильность такого вывода. При той весьма низкой температуре, какую имеют кольца (средняя -206°С), это действительно могут быть целиком ледяные частицы или же покрытые слоем льда (с каменной "косточкой" внутри). Они очень малы, и разглядеть их не удалось даже с помощью телевизионных камер космических аппаратов, пролетавших вблизи Сатурна. И все же космические эксперименты помогли достаточно надежно оценить физико-химические характеристики этих невидимых частиц.
Поперечники частиц измерялись методом радиозатмения космического аппарата кольцами Сатурна. Радиолуч КА последовательно пронизывал внешнее кольцо, щель Кассини, внутреннее, самое светлое кольцо и находящееся внутри него "креповое" кольцо. При прохождении радиоволн через то или иное кольцо происходило их рассеяние на частицах кольца. По характеру рассеяния радиоволн было установлено, что средний поперечник частиц различен - от нескольких сантиметров до нескольких десятков метров. Самые мелкие из них сосредоточены в "креповом" кольце, самые крупные (размером с дом) - во внешнем. В кольцах встречаются и большие глыбы - до нескольких сотен метров в поперечнике. Сильное рассеяние, но не радиоволн, а видимого света, обнаружено у двух колец из числа самых внешних. Это свидетельствует о наличии в их составе значительных количеств мелкой пыли.
Исследователей интересовал также вопрос: состоят ли частицы колец целиком изо льда или только покрыты льдом? Раскрыть эту загадку помогла радиолокация. Как известно, каменистые частицы поглощают радиоволны, а частицы колец оказались хорошими отражателями радиоволн. Следовательно, кольца Сатурна в основном ледяные.
Эта огромная система колец, достигающая в диаметре удвоенного расстояния Земля-Луна, оказалась на удивление очень тонкой. Если судить по снимкам, переданным "Вояджером-2", толщина колец на некоторых участках составляет 150 м, а есть места, где она едва достигает 100 м. По-видимому, толщина колец изменяется от нескольких десятков до нескольких сотен метров и соизмерима с размерами самых крупных частиц.
Космическими аппаратами была также сделана попытка измерить массу колец. Скорее всего, она близка к одной десятимиллионной доле массы самого Сатурна, или к одной стотысячной массы Земли, или равна примерно одной тысячной массы Луны.
Завершая рассказ о кольцах Сатурна, хотелось бы еще раз коснуться проблемы их происхождения. Кольца могли образоваться в результате разрушения мощными приливными силами одного из близких спутников Сатурна.
Московский астроном М. С. Бобров уже давно высказывал идею, что кольца Сатурна - не спутник, разорванный притяжением планеты, а, наоборот, частицы протопланетного вещества, которым приливные силы воспрепятствовали сформироваться в единый спутник. Поэтому область колец Сатурна, возможно, почти единственное место в Солнечной системе, где сохранились остатки первичной, допланетной материи. Ее изучение могло бы пролить свет на историю происхождения планет.
Кольца Сатурна, главные обозначены
Кольца Сатурна - система плоских концентрических образований изо льда и пыли, располагающаяся в экваториальной плоскости .
Волны в кольцах Сатурна. Цвета неестественные
Природа колец
Плоскость обращения системы колец совпадает с плоскостью экватора Сатурна. Размер частиц материала в кольцах - от микрометров до сантиметров и (реже) десятков метров. Состав главных колец: водяной лёд (около 99 %) с примесями силикатной пыли. Толщина колец чрезвычайно мала по сравнению с их шириной (от 7 до 80 тысяч километров над экватором Сатурна) и составляет от одного километра до десяти метров. Общая масса обломочного материала в системе колец оценивается в 3×10 19 килограммов.
Происхождение колец
Кольца Сатурна с расстояния 1,8 млн км под углом 30 градусов. Фото межпланетной станции «Кассини», 2006 год
Существует несколько гипотез:
- все образуются из пыли и мелких осколков, но, возможно, гравитационной силы Сатурна недостаточно для того, чтобы вещество из своих колец использовать для строительства своей планеты, но вполне достаточно, чтобы не отпускать их от себя.
- по другой гипотезе, Сатурн столкнулся с другим довольно большим телом, в результате чего оно было уничтожено и развалилось на мелкие кусочки, а потом со временем равномерно распространилось по орбите.
- Согласно новой модели, виной всему несколько последовательных поглощений Сатурном его , миллиарды лет назад обращавшихся вокруг молодого газового гиганта. Расчеты Кануп показывают, что после формирования Сатурна, примерно 4,5 миллиарда лет назад, на заре , вокруг него вращалось несколько крупных спутников, каждый из которых был в полтора раза больше . Постепенно из-за гравитационного воздействия эти спутники один за другим «сваливались» в недра Сатурна. Из «первичных» спутников на сегодняшний день остался только . В процессе схода со своих орбит и вхождения в спиральную траекторию эти спутники разрушались. При этом легкая ледяная составляющая оставалась в космосе, тогда как тяжелые минеральные компоненты небесных тел поглощались планетой. Впоследствии лед захватывался гравитацией следующего спутника Сатурна, и цикл вновь повторялся. Когда произошел захват Сатурном последнего из своих «первичных» спутников, ставшего гигантским ледяным шаром с твердым минеральным ядром, вокруг планеты образовалось «облако» изо льда. Фрагменты этого «облака» имели от 1 до 50 километров в диаметре и сформировали первичное кольцо Сатурна. По массе это кольцо превышало современную систему колец в 1 тысячу раз, однако в течение последующих 4,5 миллиарда лет соударения образующих кольцо ледяных глыб привели к измельчению льда до размеров градин. При этом большая часть вещества была поглощена планетой, а также утрачена при взаимодействии с и , многие из которых также стали жертвами гравитации Сатурна.
Состав
| Название | Расстояние до центра Сатурна, км | Ширина, км |
|---|---|---|
| Кольцо D | 67 000-74 500 | 7500 |
| Кольцо C | 74 500-92 000 | 17500 |
| Щель Коломбо | 77 800 | 100 |
| Щель Максвелла | 87 500 | 270 |
| Щель Бонда | 88 690-88 720 | 30 |
| Щель Дейвса | 90 200-90 220 | 20 |
| Кольцо B | 92 000-117 500 | 25 500 |
| Деление Кассини | 117 500-122 200 | 4700 |
| Щель Гюйгенса | 117 680 | 285-440 |
| Щель Гершеля | 118 183-118 285 | 102 |
| Щель Рассела | 118 597-118 630 | 33 |
| Щель Джефриса | 118 931-118 969 | 38 |
| Щель Койпера | 119 403-119 406 | 3 |
| Щель Лапласа | 119 848-120 086 | 238 |
| Щель Бесселя | 120 236-120 246 | 10 |
| Щель Барнарда | 120 305-120 318 | 13 |
| Кольцо A | 122 200-136 800 | 14600 |
| Щель Энке | 133 570 | 325 |
| Щель Килера | 136 530 | 35 |
| Деление Роша | 136 800-139 380 | 2580 |
| R/2004 S1 | 137 630 | 300 |
| R/2004 S2 | 138 900 | 300 |
| Кольцо F | 140 210 | 30-500 |
| Кольцо G | 165 800-173 800 | 8000 |
| Кольцо E | 180 000-480 000 | 300 000 |
| Кольцо Феба | ~4,000,000 – >13,000,000 | ? |
Составное изображение колец Сатурна D, C, B, A и F (слева направо) в натуральных цветах по снимкам аппарата Кассини на неосвещённой стороне Сатурна, 9 мая 2007.
Отличие Сатурна от остальных планет Солнечной системы видно сразу: его кольца несопоставимо больше, чем кольца любой другой планеты нашей системы. Это очень необычно по целому ряду причин.
Во-первых, почти все имеющиеся теоретические модели эволюции Солнечной системы предсказывают, что кольца у ее планет должны были образоваться с самого начала. Понятно, что ближе Юпитера у планет кольца типа сатурнианских не выживут: Солнце греет слишком хорошо, поэтому лед испаряется. Кольца у Земли или Марса если и были когда-то, то быстро исчезли. Непонятно другое: почему таких же впечатляющих колец нет у Юпитера, гравитация которого много сильнее, чем у Сатурна, или у Урана с Нептуном, которые куда дальше от Солнца, что, по идее, хорошо для сохранности колец.
Во-вторых, совершенно непонятно, почему кольца Сатурна так блестят. В Солнечной системе не так мало комет, которые покрыты льдом. Но на всех них этот лед довольно темный. Даже если в составе кометы мало пыли, солнечные лучи ее периодически нагревают и лед вокруг пылинок испаряется. Остается грязный комок снега и льда, напоминающий остатки снега на городских улицах весной. А вот водный лед в кольцах Сатурна в основном яркий, блестящий. Ни один расчет не показывает, что он мог бы сохранить этот блеск за 4,5 миллиарда лет, прошедших со времен возникновения нашей системы.
Озабоченные всеми этими вопросами, авторы новой статьи в Science еще пару лет назад задумали очень необычный ход - проверить, с какой скоростью Сатурн пожирает свои кольца. В ходе финальных витков вокруг планеты «Кассини» проскользнул в 3 тысячах километров над верхним слоем облаков Сатурна и в 320 километрах от видимого края кольца D, самого близкого к планете. Аппарат сделал там 22 витка и, используя свой анализатор космической пыли, смог замерить количество заряженных частиц пыли, падающих в атмосферу планеты-гиганта, а также типичные направления, с которых они приходят. Всего удалось захватить 2700 частиц такой пыли, причем большинство из них падало на экватор планеты практически вертикально.
Оказалось, что всего во внутреннем кольце Сатурна образуется примерно несколько тонн нанометровой пыли - за счет соударения и разрушения более крупных частиц. Часть такой пыли, возможно до одной тонны в секунду , падает в атмосферу Сатурна (впрочем, надежно измеренный объем относится только к части экваториальной плоскости планеты и дает всего пять килограммов в секунду).
Темная-темная нанопыль в черном-черном космосе
Что особенно интересно, среди падающих частиц 422 состояли из водного льда и 214 - из силикатов. Это соотношение значительно выше, чем до сих пор показывали все измерения с помощью телескопов. В принципе расхождения с удаленными наблюдениями можно было ожидать. Силикатные частицы, как правило, очень темные, а расстояние между Сатурном и Землей никогда не бывает меньше 1,3 миллиарда километров. Само собой, увидеть нанометровые силикатные частицы темного цвета с такого расстояния куда сложнее, чем яркие частицы водного льда. Открытие указывает на то, что дистанционное изучение небесных тел даже в случае планет Солнечной системы не может заменить исследования «на месте».
Как выяснилось с помощью камеры «Кассини», работающей в ультрафиолетовой части спектра, в атмосфере планеты наблюдаются своего рода «столбы» нейтрального водорода. До наблюдений за нанопылью, падающей из колец, было неясно, откуда они берутся. Но, сочетая одни наблюдения с другими, ученые пришли к выводу, что они хорошо стыкуются. Если заряженные нанометровые частицы пыли падают в атмосферу Сатурна, то они должны там тормозиться, отдавая свою энергию атомам водорода из газовой оболочки планеты. Те в итоге получают большую энергию, что позволяет им «выскочить» над основной частью атмосферы, после чего они снова возвращаются в нее.
На данный момент исследователи еще не пришли к однозначному выводу о том, каков возраст колец планеты. Полученные данные по пыли позволят сделать это только в рамках будущих работ, которые учтут, насколько при таком количестве силикатных частиц в кольцах они должны быть темными - как в сценарии их большой древности, так и в сценарии недавнего появления. Дело в том, что чем дольше лед находится в регионе, богатом пылью, тем большее ее на нем оседает. Судя по полученным приборами «Кассини» данным, силикатной пыли в кольцах больше, чем думали. А значит, объяснить нестерпимую яркость колец из водного льда еще сложнее, чем считалось раньше. Другой механизм оценки возраста колец вытекает из скорости пожирания их атмосферой планеты. Если выяснится, что за миллиарды лет кольцо D, ближайшее к Сатурну, должно было давно истощиться, а оно все еще этого не сделало, гипотеза молодости колец получит еще одно подтверждение.
Почему это важно?
В теории это делает привлекательным другое объяснение: кольца возникли очень недавно и поэтому не успели потемнеть. «Недавно», конечно, только по астрономическим меркам. Некоторые работы предполагают, что появились они как побочный продукт серии столкновений спутников Сатурна, которая случилась около 100 миллионов лет назад. В их ходе какие-то более древние спутники планеты исчезли, а потом из их разбросанного материала сформировались кольца, из материала которых, в свою очередь, возникли новые спутники. Одним из них считается Энцелад, также состоящий главным образом из водного льда, как и сами кольца.
Следует понимать, что если подобные титанические по масштабу события действительно случились всего 100 миллионов лет назад, то это не просто местная история, относящаяся только к шестой планете системы. Дело в том, что орбиты спутников планет-гигантов, как правило, крайне устойчивы - других примеров в Солнечной системе не видно. Чтобы произошло столкновение, должно было случиться что-то большое и не вполне очевидное. Вообще говоря, такое бывает: Солнечная система делает круг вокруг центра нашей Галактики каждые 220 миллионов лет и на этом пути периодически попадает в один из рукавов, где плотность звезд выше, чем между рукавами. Попадая в такое место, система имеет более высокую вероятность сблизиться с другой звездой, а гравитация той способна серьезно дестабилизировать орбиты комет облака Оорта, да и других тел системы. Какие-то из них могут случайно пройти близко от планет, где гравитация постепенно будет сближать их со спутниками или даже самой планетой. 66 миллионов лет назад по такому сценарию крупное тело положило конец эпохе динозавров на Земле. Кто знает, не привела ли подобная цепь событий и к катастрофическому сценарию образования колец Сатурна.
Как «Кассини» «засекретил» длину суток Сатурна
Еще одна недавно вышедшая работа в той же Science посвящена другой загадке планеты - километровым радиоволнам (типичная их длина - несколько километров) большой силы, исходящим от нее и на данный момент не имеющим полных аналогов ни на одном другом известном небесном теле. Оценочная мощность такого излучения для шестой планеты - примерно один гигаватт, что для радиоисточника незвездного происхождения не так мало (у человечества, положим, постоянно работающих радиоисточников сопоставимой мощности пока и близко нет). При этом для земного наблюдателя данные сигналы имеют определенную периодичность - 10−11 часов.
Из-за периодичности, близкой к оценочному периоду сатурнианских суток, сначала астрономы полагали, что источник этого странного излучения - более плотная часть планеты, из которой излучение проходит через атмосферу и попадает в космос. Увы, «Кассини» окончательно похоронил эту гипотезу. Дело в том, что период всплесков этого радиоизлучения в XX веке была замерен «Вояджерами» как равный 10 часам 39 минутам и 24 секундам. А по данным «Кассини» вышло, что период равен 10 часам 45 минутам и 45 секундам. Более того, за годы наблюдений зонд обнаружил, что периоды этого излучения меняются на 1 процент буквально за месяц. Удалось понять только то, что есть прямая связь между силой сигналов и скоростью солнечного ветра (потока протонов и иных частиц от Солнца), и та же скорость как-то влияет и на периодичность километровых волн от планеты.
Надо понимать, что Сатурн радикально больше, например, Земли, и планета такого размера просто не может изменить длину своих суток более чем на шесть минут за десятки лет. Тем более, длина суток не может меняться за месяц или зависеть от скорости солнечного ветра. Стало ясно, что нужно какое-то другое объяснение.
Авторы новой работы воспользовались данными сразу нескольких приборов «Кассини», полученными в 2017 году во время его проходов над областями такого излучения. У них получилось, что излучение по времени четко коррелируется с изменениями в плотностях электронов в районах, близких к регионам существования полярного сияния на Сатурне. Иными словами, выходит, что источник странных километровых волн - события в магнитосфере. Отталкиваясь от количественных данных наблюдений «Кассини», исследователи предварительно «назначили» источником излучения область нестабильности между разными слоями заряженных частиц над зонами полярного сияния. Нельзя сказать, чтобы все с этим излучением стало ясно, но достоверно понятно, что периодичность километровых волн нельзя использовать для определения длины сатурнианских суток. К сожалению, атмосфера планеты имеет меняющуюся скорость, более плотная часть планеты недоступна наблюдениям, поэтому сейчас выяснить точную длину этих суток вообще нереально. Кто знает, быть может, следующий зонд поможет прояснить ситуацию.
