Содержание
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.
Галилей 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 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».
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.
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.
В 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.
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.
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.
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.
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.
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.
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%.
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.
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.
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.
Вертикальные структуры на внешней части кольца B (фото Cassini, август 2009 года)
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.
Количество 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 |
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:
В 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.
- 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.
- 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.
- 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
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.
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.
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.
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.
