История открытия и наблюдения

Сатурн – единственная планета Солнечной системы, изображающаяся с кольцами. Они стали своеобразной «визитной карточкой» этого небесного тела. На самом деле кольца есть и у других планет: Юпитера, Урана, Нептуна. Но только у Сатурна они такие яркие и заметные.

Мнение эксперта
Ханова Ольга Евгеньевна
Исследовательница космоса, астрофизик по образованию
Первым кольца Сатурна увидел с помощью собственного изобретения телескопа великий астроном Галилео Галилей. Произошло это в далеком 1610 году и стало настоящей научной сенсацией. Но в то время природу и происхождение колец Сатурна объяснил было технически невозможно. Поэтому долгое время кольца оставались загадкой для человечества.

Кольца Сатурна: факты и гипотезы о происхождении и составеГалилей писал герцогу Тосканскому, что «Сатурн не является одиночным телом, а состоит из трёх тел, которые почти соприкасаются друг с другом и не изменяют положение по отношению друг к другу.

Они расположены в линию, параллельную зодиаку, и средний (собственно, сам Сатурн) составляет примерно одну третью от наибольшего (то есть, расстояния между кольцами)». Ученый охарактеризовал Сатурн, как имеющий «уши».

В 1612 году плоскость колец была ориентирована ребром к Земле, поэтому они не были видны в телескоп. Озадаченный Галилео интересуется: «Сатурн проглотил своих детей?». В этой фразе он имел ввиду древнеримский миф, в котором Сатурн ел своих детей, чтобы предотвратить свое свержение. В 1613 году кольца стали видны снова, и это еще более запутало Галилея.

В 1655 году ученый из Нидерландов Христиан Гюйгенс первый смог распознать кольцо в странных выступах, сопровождавших Сатурн. Через 4 года он рассказал о своем открытии в книге «Система Сатурна». Ученый поведал миру, что Сатурн «кольцом окружен тонким, плоским, нигде не прикасающимся, к эклиптике наклоненным».

Кольца Сатурна: факты и гипотезы о происхождении и составе

Кольца Сатурна: факты и гипотезы о происхождении и составе

В 1675 году директор Парижской обсерватории Джованни Доменико Кассини обнаружил внутри кольца черную полосу (поздней ее назовут «делением Кассини»). Она рассекала его на две части – их начали называть кольцами А и В. Он же первым сделал предположение, что кольца состоят из отдельных частиц.

Долгое время после открытия Кассини астрономы считали, что колец у Сатурна всего два, они тонкие и твердые.

В 1787 году Лаплас на основе расчетов предположил, что колец должно быть много: тысячи или даже миллионы, иначе гравитационное поле их разрушит. Впрочем, он, как и предыдущие исследователи, полагал, что кольца сплошные, похожие на гигантские гимнастические обручи.

Кольца Сатурна: факты и гипотезы о происхождении и составе

В 1848 году французский астроном Э. Рош рассчитал минимальное расстояние, на котором спутники могут существовать, не разрушаясь под воздействием гравитационного поля планеты. Это расстояние, названное по имени исследователя «Пределом Роша», составляет 2,44 радиуса планеты. Никакие спутники и луны, твердые или жидкие, не могут циркулировать над поверхностью небесного тела ближе этого расстояния.

Мнение эксперта
Ханова Ольга Евгеньевна
Исследовательница космоса, астрофизик по образованию
Но внешний радиус колец Сатурна равен 2,3 R, то есть находится внутри критического предела. Отсюда Рош сделал вывод, что кольца не могут быть: а) сплошными; и б) жидкими. Остается единственный возможный вариант: они должны состоять из достаточно мелких твердых частиц.

Кольца Сатурна: факты и гипотезы о происхождении и составеВ 1859 году английский физик, основатель электромагнетизма Джеймс Клерк Максвелл поставил некую предварительную точку, математически доказав, что кольца Сатурна представляют собой скопления твердых частичек.

Д. Килер и У. Кемпбелл, измеряя в 1895 году доплеровские сдвиги, нашли, что частички, из которых состоят кольца, движутся по кеплеровским орбитам и скорость их движения по внутренним орбитам выше, чем по внешним, что совпадает с выводами и Кеплера и Максвелла.

То есть в поведении частиц нет отклонений от привычного понимания физической природы орбитального движения.

Астрономы всего мира активно изучают загадочные кольца более 400 лет.

Сначала наблюдали их в простейшие, затем в мощные наземные телескопы. Когда стали осваивать дальнее космическое пространство, исследование продолжилось с помощью автоматических межпланетных станций (АМС).

И, наконец, легендарный космический телескоп им. Хаббла (КТХ) начиная с 1990 года дал ученым огромное количество информации о кольцах Сатурна.

Кольца Сатурна: факты и гипотезы о происхождении и составе

Кольца Сатурна: факты и гипотезы о происхождении и составе

В 20 веке вблизи Сатурна побывали 3 американских космических аппарата: «Пионер-11» (октябрь 1979 г.), «Вояджер-1» (ноябрь 1980 г.) и «Вояджер-2» (август 1981 г.). Они передали на Землю тысячи фотографий колец и спутников Сатурна с разрешением до нескольких километров. Просвечивание колец радиосигналами дало возможность изучать их тонкую структуру. «Вояджеры» подтвердили существование четырех новых колец: D, F, G и E.

Мнение эксперта
Ханова Ольга Евгеньевна
Исследовательница космоса, астрофизик по образованию
С 1 июля 2004 года глазами людей на орбите Сатурна становится АМС «Кассини». Станция стала первым искусственным спутником Сатурна. «Кассини» проработал до августа 2010 года.

Как они сформировались

Кольца Сатурна — концентрические образования различной яркости, как бы вложенные друг в друга и образующие единую плоскую систему небольшой толщины, располагающуюся в экваториальной плоскости.

Кольца Сатурна: факты и гипотезы о происхождении и составе
Происхождение колец и сегодня вызывает немало вопросов. Исследователи не перестают выдвигать все новые гипотезы, объясняющие их природу. На протяжении 4 столетий выдвигались разные гипотезы.

В 19 веке астроном из Франции Эдуард Альбер Рош выдвинул гипотезу, что один из спутников Сатурна до такой степени сблизился с планетой, что был разорван приливными силами. Из его обломков образовались кольца, окружающие теперь Сатурн.

Ни один спутник, который преодолел так называемый «предел Роша», не может уцелеть. Рано или поздно он распадется, образуя очередное кольцо, которое в последствии осядет на планету.
Кольца Сатурна: факты и гипотезы о происхождении и составе
Вид Сатурна в 12″ (~30 см) телескоп с Земли в 2015 году, обсерватория Ла-Каньяда, Авила, Испания (код J87).

Как бы там ни было, кольца, считают сторонники этой гипотезы, явление временное. Нам повезло жить в то время, когда сразу несколько крупных планет окружены ими.

Согласно другой гипотезе, кольца могли образоваться после столкновения одного из спутников Сатурна с крупным метеоритом. Множество осколков, усеявших окрестности планеты после коллизии, и стали материалом, из которого сформировались кольца. Расчеты показали, что их возраст не более 100 миллионов лет.

Согласно современной теории, виной всему несколько последовательных поглощений Сатурном его спутников, миллиарды лет назад обращавшихся вокруг молодого газового гиганта.

Расчеты Кануп показывают, что после формирования Сатурна, примерно 4,5 миллиарда лет назад, на заре Солнечной системы, вокруг него вращалось несколько крупных спутников. Каждый из них был в полтора раза больше Луны.

Мнение эксперта
Ханова Ольга Евгеньевна
Исследовательница космоса, астрофизик по образованию
Постепенно из-за гравитационного воздействия эти спутники один за другим «сваливались» в недра Сатурна. В процессе схода со своих орбит и вхождения в спиральную траекторию они разрушались.

При этом легкая ледяная составляющая оставалась в космосе, а 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.

Кольца Сатурна: факты и гипотезы о происхождении и составе

Кольца Сатурна: факты и гипотезы о происхождении и составе

По массе это кольцо превышало современную систему колец в 1000 раз. Но 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 или утрачена при взаимодействии с астероидами и кометами, многие из которых также стали жертвами гравитации Сатурна.

На сегодняшний день из «первичных» спутников планеты остался только Титан.

Состав

Кольца Сатурна состоят из миллиардов кусков льда и камня. Размеры этих обломков варьируются от крупицы соли до небольшой горы. В 1952 году исследование спектральных характеристик колец позволило сделать вывод, что они содержат большое количество замерзшей воды – до 90%.

Кольца Сатурна: факты и гипотезы о происхождении и составе
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.

Это был очень важный момент, поскольку наконец-то была определена природа материальной составляющей. Несколько позже установили, что кроме льда кольца содержат водород, аммиак, метан, серные соединения и ферросиликаты.

Мнение эксперта
Ханова Ольга Евгеньевна
Исследовательница космоса, астрофизик по образованию
Размер частиц материала в кольцах — от микрометров до сантиметров и (реже) десятков метров. 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 ×1019 килограммов.
Кольца Сатурна: факты и гипотезы о происхождении и составе
Кольца Сатурна с расстояния 1,8 млн км под углом 30 градусов. Фото межпланетной станции «Кассини», 2006 год.

Согласно расчетам, кольца Сатурна некогда весили в тысячи раз больше, чем сейчас. Однако периодически врезавшиеся в них астероиды и кометы выбивали часть материала.

Из него могли быть сформированы внутренние спутники Сатурна – к примеру, Тефия. Тем временем силикаты и металлы, содержавшиеся в астероидах, пополняли материал колец – так появились те 5—10% примесей, которые там обнаружили.

Внешние кольца Сатурна все время подпитываются пылью, вылетающей с поверхности его спутников после столкновений с микрометеоритами. Именно из нее и состоит кольцо, обнаруженное лишь в 2009 г.

Его радиус составляет от 100 до 200 радиусов Сатурна, и сформировано оно из пыли, выброшенной с поверхности Фебы, самого отдаленного и темного спутника планеты.

Обнаружить новое кольцо смогли благодаря инфракрасному излучению, исходящему от него. В отличие от других колец Сатурна оно расположено не в экваториальной плоскости планеты, а в плоскости орбиты, по которой та обращается вокруг Солнца. Угол между двумя плоскостями составляет около 27 градусов.

Кроме огромной базы данных о свойствах колец, на сегодняшний день не существует полноценной физической модели этого объекта. С точки зрения классических теорий, учитывающих гравитационные и центробежные силы, поведение солнечного ветра и плазменные эффекты, невозможно ответить на множество вопросов: как кольца образовались, как они были сжаты в диск и как этот диск был разбит на сотни отдельных колец.

Кольца Сатурна: факты и гипотезы о происхождении и составе

Вертикальные структуры на внешней части кольца B (фото Cassini, август 2009 года)

Кольца Сатурна: факты и гипотезы о происхождении и составе

Волны в кольцах Сатурна в искусственных цветах

Неясно также, почему частички колец не перемешиваются между собой, а микроволны круговой поляризации отражаются от колец, как от магнитного зеркала.

До сегодняшнего дня ученые не смогли объяснить причину сильного отражения радиоволн и низкой яркости колец, дискретное неполяризованное электромагнитное излучение в диапазоне от 20,4 килогерца до 40,2 мегагерца, существование около колец атмосферы неизвестного происхождения, наличие в кольцах так называемых «волн плотности» и многого другого.

Кольца Сатурна: факты и гипотезы о происхождении и составеКоличество и размер

На сегодняшний день выявлено 8 колец Сатурна. Названы они в алфавитном порядке на основании даты обнаружения.

Ближе всего к планете находится кольцо D, а затем по мере удаления — кольца C, B, A, F, Janus / Epimetheus, G, Pallene и Е. Между кольцами располагаются расстояния, именуемые учеными щелями.

Последовательное расположение всего окружения планеты и размеры каждого представлены в таблице:

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 Ширина пока не определена
Мнение эксперта
Ханова Ольга Евгеньевна
Исследовательница космоса, астрофизик по образованию
Кольцо Феба, обнаруженное последним и расположенное на расстоянии от 3,7 до 11,1 млн км от поверхности планеты наклонено на 27 градусов. Ученые увидели его случайно в 2009 году с помощью инфракрасного телескопа. По сравнению с остальными кольцами Феб вращается в противоположном направлении.

Особенности наблюдения колец с Земли

Вид колец при наблюдении с Земли не всегда одинаков. Поскольку их плоскость совпадает с плоскостью экватора Сатурна, а он наклонен к плоскости своей орбиты почти на 27 градусов, вид колец с Земли сильно зависит от расположения планеты на орбите вокруг Солнца и в значительно меньшей степени от положения Земли на своей орбите (из-за того, что орбита Сатурна наклонена к плоскости эклиптики на 2,5 градуса).

Год на Сатурне длится 29,5 земных лет, на протяжении этого периода:

  • Кольца Сатурна: факты и гипотезы о происхождении и составеВ равноденствие на Сатурне его кольца для земных наблюдателей исчезают почти полностью, поскольку видны только «с ребра».
  • Затем в течение 7 лет раскрытие площади колец увеличивается. Постепенно становится все больше видна их плоскость с одной стороны.
  • Ближе к солнцестоянию Сатурна раскрытие колец становится максимальным.
  • В течение последующих 7 лет раскрытие постепенно уменьшается. К следующему равноденствию Сатурна кольца исчезают.
  • Следующие 7 лет начинается новое раскрытие с другой стороны колец. Достигает оно максимума к очередному солнцестоянию.
  • В последующие 7 лет видимость уменьшается и к концу этого периода кольца исчезают совсем.

Интересные факты

Ученые-астрономы пытаются разгадать все тайны загадочных колец Сатурна и сегодня, открывая новые интересные факты:

  • В 1983 году астрономы обнаружили в кольцах возмущения, напоминающие рябь. Они считают, что это было вызвано тем, что обломки кометы столкнулись с кольцами. Кольца планеты могут выступать в качестве свидетельства того, как кометы и метеоры, пролетающие через Солнечную систему, притягиваются к Сатурну.

  • Столкновение 1983 года с кометой массой от 100 миллиардов до 10 триллионов килограммов привело к тому, что были нарушены орбиты колец C и D. Считается, что кольца будут «выравниваться» в течение сотен лет.

Кольца Сатурна: факты и гипотезы о происхождении и составе

  • Ширина колец Сатурна огромна (до 80 тысяч километров). При этом их толщина сравнительно очень мала. Как правило, она составляет около 10 метров и редко доходит до 1 километра.
  • В щелях Килера и Энке обнаружены крошечные спутники Сатурна. Предполагается, что эти щели в кольцах образовались именно из-за прохождения спутников через кольца.
  • Каждое из колец вращается вокруг Сатурна с разной скоростью. Скорость вращения колец убывает с удалением от планеты.

  • Расположенное сразу за главной кольцевой системой Сатурна узкое кольцо F (на самом деле, это три узких кольца) имеет в своей структуре изгибы и сгустки. Ученые предположили, что внутри кольца могут находиться мини-спутники планеты.
  • Частицы внутри колец Сатурна иногда могут образовывать вертикальные образования. Выглядят они как вертикальные «бугорки» на кольцах высотой около 3 км.

Кольца Сатурна: факты и гипотезы о происхождении и составе
  • В кольцах Сатурна были обнаружен странные образования, похожие на призраки. Выглядят они как светлые и темные полосы, идущие поперек колец. Астрономы назвали эти полосы «спицами». Было высказано множество теорий относительно их происхождения, но единого мнения нет.

Кольца Сатурна: факты и гипотезы о происхождении и составе
  • У второго по величине спутника Сатурна Рея могут быть свои кольца. Их до сих пор не обнаружили. Но существование колец предполагается на основании того, что зонд «Кассини» зафиксировал в окрестностях Реи торможение электронов магнитосферы Сатурна.

Вопросы и ответы

Какого цвета кольца Сатурна?

Снимки колец Сатурна показывают, что кольца имеют разные цвета. Светятся за счет отраженного солнечного света, следовательно, их излучение должно бы иметь солнечный спектр. Но это при условии, что кольца обладают абсолютной отражательной способностью. На самом деле, частицы, из которых состоят кольца, в основном состоят из полупрозрачного водяного льда, с небольшими примесями более темного тона. Отражая солнечные лучи, кольца принимают различные цвета: самое первое от планеты (внутреннее) серовато-черное, наружное из основных колец — желтовато-серое, а среднее имеет белые и желтовато-белые участки.

Как часто наступает период исчезновения колец Сатурна для земного наблюдателя?

Кольца перестают быть видны, когда наблюдатель находится точно в плоскости колец. Это происходит два раза за полный оборот Сатурна вокруг Солнца (29,5 лет) – через 13,75 и 15,75 лет. Последнее «исчезновение» колец наблюдалось в 2009 году, следующее будет в 2024 году.

Можно ли увидеть кольца Сатурна в обычный бинокль?

Да. Детали планеты и спутники, конечно, рассмотреть не получится, кольца тоже будут видны только лишь в виде небольших отростков по бокам. Но факт остается фактом – Сатурн виден и глазом, не вооруженным телескопом.

Правда ли, что кольца Сатурна могут исчезнуть совсем?

По утверждениям ученых, это вполне возможно. Новое исследование NASA показало, что Сатурн теряет свои кольца по худшему из предполагаемых учеными сценариев. При нынешней скорости разрушения они могут предположительно полностью исчезнуть через 100-300 миллионов лет.

Видео-обзор научных фактов