Деление энке в кольцах сатурна. Сатурн и его кольца

21.07.2015

Сатурн, шестая по счёту планета от Солнца, является одним из наиболее легко наблюдаемых объектов для астрономов, во многом благодаря его обширной и весьма специфической системе колец. Кольца Сатурна восхищали астрономов-любителей на протяжении столетий, начиная с того времени, когда люди впервые начали вглядываться в небо через окуляр телескопа.

Когда Галилео Галилей впервые наблюдал Сатурн в 1610 г., он подумал, что эти кольца представляли собой гигантские спутники планеты, находившиеся по разные стороны от неё. Однако дальнейшие наблюдения, проводившиеся учёным в течение нескольких последующих лет, показали, что эти кольца меняли свою форму и даже исчезали полностью, по мере того как менялся их наклон по отношению к Земле.

В настоящее время мы знаем, что Галилео наблюдал «пересечение плоскости колец». Экватор Сатурна наклонён по отношению к орбите этой планеты вокруг Солнца под углом примерно в 27 градусов (аналогичный угол наклона для Земли составляет 23 градуса). Когда Сатурн обращается вокруг Солнца, то сначала одно, а затем и второе полушария по очереди освещаются Солнцем. Этот наклон отвечает за смену сезонов, так же как и в случае с Землёй, и когда на Сатурне наступает осеннее или весеннее равноденствие, то Солнце попадает в плоскость системы колец, в которой лежит также и экватор планеты. Солнечные лучи освещают кольца «с ребра», и тонкую полоску колец становится трудно различить при помощи телескопов. Кольца Сатурна очень широкие – они достигают 273600 километров в поперечнике – но толщина их составляет не более 10 метров.

В 1655 г. астроном Кристиан Гюйгенс предположил, что эти странные тела были твёрдыми, наклонёнными кольцами, и в 1660 г. другой астроном предположил, что эти кольца состояли из небольших спутников – догадка, которая не могла получить подтверждения в течение почти 200 последующих лет.

В эпоху освоения космоса зонд «Пионер-11» прошёл сквозь плоскость колец Сатурна в 1979 г. В 1980-е гг. космические аппараты «Вояджер-1» и «Вояджер-2» позволили взглянуть на систему колец гигантской планеты.

В 2004 г. миссия НАСА «Кассини-Гюйгенс» впервые в мире вышла на орбиту вокруг Сатурна и произвела подробные наблюдения не только самой планеты, но и её системы колец.

Состав и структура

Кольца Сатурна состоят из миллиардов частиц, размеры которых колеблются от нескольких миллиметров до десятка километров. Состоящие преимущественно из водяного льда, эти кольца также втягивают в свою систему каменистые метеороиды, движущиеся сквозь космическое пространство.

Хотя начинающему астроному-любителю может показаться, что Сатурн опоясан единым, твёрдым кольцом, но на самом деле система колец разделена на несколько частей. Эти кольца получили свои названия по алфавиту в соответствии с датами их открытия. Таким образом, главные кольца, если двигаться от периферии системы к центру, называются соответственно A, B и С. Щель шириной в 4700 километров, известная как Щель Кассини, разделяет между собой кольца A и B.

Другие, более тусклые кольца открывались по мере того, как совершенствовались технологии изготовления телескопов. «Вояджер-1» обнаружил самое близкое к центру системы кольцо D в 1980 г. Рядом с кольцом А, охватывая его снаружи, находится кольцо F, которое, в свою очередь, охватывается кольцами G и E, лежащими на значительном удалении от остальных колец системы.

Сами кольца содержат значительное число щелей и структур. Некоторые из них созданы многочисленными небольшими спутниками Сатурна, в то время как природа других из них до сих пор продолжает ставить в тупик астрономов.

Сатурн не единственная планета Солнечной системы, имеющая кольца – Юпитер, Уран и Нептун также располагают тусклыми системами колец – но со своими спутниками, система которых простирается на три четверти расстояния от Земли до Луны (282000 километров), он, без сомнения, формирует наиболее впечатляющую и доступную для наблюдения систему колец в Солнечной системе.

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

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.

Сатурн - одна из самых завораживающих планет как для профессиональных, так и для астрономов-любителей. Наибольший интерес к этой планете у нас вызывают его характерные кольца. Хоть их и не увидеть невооружённым глазом, любой желающий может разглядеть эти впечатляющие кольца даже через самый слабый телескоп.

И хотя нам эта система образований видится, как одно массивное широкое кольцо, вращающееся по орбите планеты, кольцевая система Сатурна состоит из множества различных колец, отличающихся друг от друга плотностью, толщиной и шириной.

Состоящие преимущественно изо льда и пыли, кольца Сатурна удерживаются на орбите сложными гравитационными воздействиями газового гиганта и его спутниками, причём некоторые из них фактически расположены в пределах колец.

Факты про кольца Сатурна приобретают ещё большую яркость и реальность, если сопровождаются фотографиями, сделанными бесчисленными телескопами и пролетающими мимо них космическими аппаратами. Несмотря на то, что человечество узнало немало о кольцах с тех пор, как они были впервые обнаружены четыре столетия назад, учёные продолжают исследовать их, чтобы пополнить свои знания.

Вдохновитесь их красотой и величием, прочитав эти 25 фактов про кольца Сатурна и посмотрев столько же замечательных фотографий!

25. В 1610 году знаменитый астроном и враг церкви Галилео Галилей стал первым человеком, направившим свой телескоп на Сатурн. Он увидел странные, нечёткие формы возле планеты. А поскольку его телескоп был недостаточно мощным, он не понял, что это были кольца Сатурна.

24. Кольца Сатурна состоят из миллиардов частиц льда и осколков, размеры которых варьируются от одного сантиметра до десяти метров.

23. Невооружённым глазом мы можем увидеть пять планет: Меркурий, Венеру, Марс, Юпитер и Сатурн. Но чтобы разглядеть кольца Сатурна, понадобится телескоп, как минимум, с 20-кратным увеличением.

22. Кольцам дают названия в алфавитном порядке, основываясь на дате их обнаружения. Ближайшее к планете - кольцо D, затем идут кольца C, B, A, F, Янус/Эпиметей, G, Паллена и E.

21. Кольца Сатурна, как полагают, являются остатками проходящих планет (в основном), астероидов или разрушившихся спутников - в значительной степени потому, что 93% их массы состоят из воды в форме льда с незначительными примесями.

20. Первым, кто разглядел и определил кольца Сатурна, был нидерландский астроном Христиан Гюйгенс в 1655 году. Тогда он предположил, что газовый гигант имеет одно твёрдое, тонкое и плоское кольцо.

19. Источником материи кольца Е - льда - по мнению учёных, является шестой спутник Сатурна Энцелад, на поверхности которого активны гейзеры, выбрасывающие в космос огромные струи воды. Этот спутник очень важен для нас, поскольку под его поверхностью, предположительно, находится океан, в котором возможно существование жизни.

18. Каждое кольцо обращается вокруг Сатурна с разной скоростью.

17. Кольца Сатурна наиболее известны в Солнечной системе, однако другой газовый гигант, Юпитер, и ледяные гиганты Нептун и Уран также имеют кольца.

16. Кольца планеты могут служить своеобразной исторической записью, демонстрирующей свидетельства комет и метеоритов, пролетающих через них на своём пути столкновения с планетой. Учёные, изучающие кольцо С, обнаружили в его слоях зыбь, которая, как они предполагают, вызвана попаданием осколков комет или астероидов.

15. В то время как комета может оставить после себя в кольце отверстие, некое массивное тело - весом от 100 миллионов до 10 миллиардов тонн - столкнувшееся с кольцами в 1983 году, заставило их колебаться. Они будут колебаться ещё сотни лет.

14. Частицы в пределах колец Сатурна иногда могут собираться в вертикальные скопления, формируя образования высотой более 3 километров.

13. Сатурн является второй по скорости вращения планетой после Юпитера, делая полный оборот вокруг собственной оси за 10 часов 34 минуты 13 секунд. Из-за своей скорости планета приобретает выпуклую форму на экваторе (и более сплющенную на полюсах), что ещё больше подчёркивает её кольца.

12. Узкое кольцо F (хотя в действительности это три узких кольца), расположенное сразу за главной кольцевой системой Сатурна, по-видимому, имеет изгибы, изломы и скопления. Учёные предполагают, что в пределах структуры могут оказаться захваченными миниспутники, придавая кольцу скрученный и плетёный вид.

11. Чтобы оказаться на орбите Сатурна, автоматическая межпланетная станция "Кассини" аккуратно пролетела между кольцами F и G, прежде чем стать искусственным спутником планеты.

10. Щели в кольце А - щель Килера и щель Энке - имеют свои крошечные спутники: Дафнис внутри щели Килера и Пан внутри щели Энке.

9. Хотя кольца Сатурна отбрасывают тень в космос на 280.000 километров, их толщина, как правило, не превышает 9-ти метров.

8. В кольцах Сатурна были обнаружены образования, идущие поперёк колец и похожие на призраки, которые учёные назвали "спицами". Преобладает научное мнение, что это - заряженные электричеством слои мельчайших пылевидных частиц, которые могут формироваться и рассеиваться в течение всего нескольких часов.

Хотя учёным не понятно, что обуславливает их образование, существуют теории, включающие метеориты, ударяющиеся о кольца, или пучки электронов от молний в атмосфере Сатурна, вбрасываемые в кольца.

7. Второй по величине спутник Сатурна, Рея, может иметь собственную систему колец. Вокруг спутника никогда ранее не было обнаружено колец, и на настоящий момент существуют слабые доказательства этого, однако признаки торможения электронов возле Реи и наличие льда на поверхности спутника (от образований льда с кольца, которые выпадают с орбиты) оставляют этот вопрос нерешённым.

6. Несмотря на свой кажущийся размер, эти кольца в действительности являются довольно лёгкими. Крупнейший из 62 спутников Сатурна, Титан, составляет более 90% всей массы спутников, обращающихся по орбите этой планеты.

5. Деление Кассини - это промежуток в кольце, образовавшийся между главными кольцами B и A, разрыв пространства которого составляет 4700 километров.

4. Некоторые спутники Сатурна - особенно Пандора и Прометей - удерживают крайние частицы колец, не позволяя им уходить от них в стороны, то есь рассеиваться в космосе. Такие спутники называют спутниками-"пастухами", потому что они как бы "пасут" эти частицы.

3. Недавно вокруг Сатурна астрономами было обнаружено новое гигантское кольцо. Расположенное от поверхности планеты на расстоянии 3,7-11,1 миллиона километров, это кольцо наклонено на 27 градусов по отношению к плоскости остальных колец. Кроме того, его вращение происходит в обратном направлении.

2. Новое кольцо является настолько разреженным, что, попав в него, это трудно заметить, даже несмотря на то, что в его пределах может поместиться миллиард планет, по размеру сравнимых с Землёй. Кольцо было обнаружено лишь недавно, потому что его холодные частицы (около -193°С) можно заметить только с помощью инфракрасного телескопа.

1. Согласно открытиям, сделанным в 2014 году, учёные полагают, что, по крайней мере, несколько спутников Сатурна могли сформироваться на границах его колец.

Изображения границы кольца А демонстрируют то, что могло бы быть формированием небольшого спутника под воздействием гравитации. Поскольку многие спутники Сатурна являются ледяными, а частички льда являются основными компонентами колец, существует гипотеза, что спутники были сформированы отдалёнными кольцами, существовавшими в далёком прошлом.

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.