Как устроены кольца Сатурна и откуда они взялись

История

Теория колец, наблюдения и исследования

Роберт Гук отметил тени (a и b), отбрасываемые земным шаром и кольцами друг на друга на этом рисунке Сатурна в 1666 году.

В 1657 году Кристофер Рен стал профессором астрономии в Грешем-колледже в Лондоне. Он проводил наблюдения за планетой Сатурн примерно с 1652 года с целью объяснить ее появление. Его гипотеза была изложена в De corpore saturni, в котором он был близок к предположению, что у планеты есть кольцо. Однако Рен не был уверен, было ли кольцо независимым от планеты или физически прикрепленным к ней. До того, как теория Рена была опубликована, Христиан Гюйгенс представил свою теорию колец Сатурна. Сразу же Рен понял, что это лучшая гипотеза, чем его собственная, и De corpore saturni так и не была опубликована. [8]

Гюйгенс был первым, кто предположил, что Сатурн был окружен кольцом, отделившимся от планеты. Используя рефракторный телескоп с 50-кратным увеличением, который он сконструировал сам и который намного превосходит те, что были доступны Галилею, Гюйгенс наблюдал Сатурн и в 1656 году, как и Галилей, опубликовал анаграмму «aaaaaaacccccdeeeeeghiiiiiiillllllmmnnnnnnnnooppqrrstttuuuuu». Подтвердив свои наблюдения, три года спустя он показал, что это означает «Annuto cingitur, tenui, plano, nusquam coherente, ad eclipticam inclinato»; то есть «Он [Сатурн] окружен тонким плоским кольцом, никуда не касающимся, наклоненным к эклиптике». [4] [9] Роберт Гук был еще одним ранним наблюдателем колец Сатурна и заметил отбрасывание теней на кольца. [8]

В 1675 году Джованни Доменико Кассини определил, что кольцо Сатурна состоит из нескольких более мелких колец с промежутками между ними; самый большой из этих разрывов позже был назван Дивизией Кассини . Это деление является 4,800 км , широкая область между А кольцо и кольцо В . [10]

В 1787 году Пьер-Симон Лаплас доказал, что однородное твердое кольцо будет нестабильным, и предположил, что кольца состоят из большого количества твердых локонов. [4] [11]

В 1859 году Джеймс Клерк Максвелл продемонстрировал, что неоднородное твердое кольцо, твердые локоны или непрерывное жидкое кольцо также не будет стабильным, указывая на то, что кольцо должно состоять из множества мелких частиц, независимо вращающихся вокруг Сатурна. [11] Позже Софья Ковалевская также обнаружила, что кольца Сатурна не могут быть жидкими кольцевидными телами. [12] Спектроскопические исследования колец, проведенные в 1895 году Джеймсом Килером из обсерватории Аллегейни и Аристархом Белопольским из Пулковской обсерватории, показали, что анализ Максвелла был правильным.

Четыре космических аппарата-робота наблюдали кольца Сатурна из окрестностей планеты. Pioneer 11 s ближайший подход к Сатурну произошел в сентябре 1979 года на расстоянии 20900 км. [13] Pioneer 11 был ответственен за открытие кольца F. [13] Самый близкий сближение « Вояджера-1 » произошло в ноябре 1980 года на расстоянии 64 200 км. [14] Неисправный фотополяриметр не позволил » Вояджеру-1″ наблюдать кольца Сатурна с запланированным разрешением; тем не менее, изображения с космического корабля предоставили беспрецедентную детализацию системы колец и показали существование кольца G. [15] Самый близкий сближение « Вояджера-2 » произошло в августе 1981 года на расстоянии 41 000 км. [14] Рабочий фотополяриметр « Вояджера-2 » позволил ему наблюдать систему колец с более высоким разрешением, чем « Вояджер-1» , и тем самым обнаружить многие ранее невидимые локоны. [16] Кассини корабль перешел на орбиту вокруг Сатурна в июле 2004 года [17] Кассини «s изображения колец наиболее подробно в актуальном состоянии , и несут ответственность за открытие еще более локонов. [18]

Кольца названы в алфавитном порядке в том порядке, в котором они были обнаружены [19] (A и B в 1675 году Джованни Доменико Кассини , C в 1850 году Уильямом Кранчем Бондом и его сыном Джорджем Филлипсом Бондом , D в 1933 году Николаем П. Барабачевым и Б. Семейкин , E в 1967 году Вальтером А. Фейбельманом , F в 1979 году Pioneer 11 и G в 1980 году Voyager 1 ). Основные кольца C, B и A, выходящие наружу от планеты, с отделением Кассини, самым большим разрывом, разделяющим кольца B и A. Несколько более тусклых колец были обнаружены совсем недавно. Кольцо D очень тусклое и находится ближе всего к планете. Узкое кольцо F находится сразу за пределами кольца A. Помимо этого есть два гораздо более тусклых кольца, названные G и E. Кольца демонстрируют огромное количество структур на всех уровнях, некоторые из которых связаны с возмущениями спутников Сатурна, но многое необъяснимо. [19]

Моделирование появления Сатурна с Земли в течение одного года Сатурна.

Видео

Подразделения и структуры внутри колец

Самыми плотными частями системы колец Сатурна являются кольца A и B, которые разделены отделом Кассини (обнаруженным в 1675 году Джованни Доменико Кассини ). Наряду с кольцом С, которое было обнаружено в 1850 году и по своему характеру похоже на подразделение Кассини, эти регионы составляют основные кольца . Основные кольца более плотные и содержат более крупные частицы, чем тонкие пыльные кольца . К последним относятся кольцо D, простирающееся внутрь до вершин облаков Сатурна, кольца G и E и другие, выходящие за пределы основной системы колец. Эти диффузные кольца характеризуются как «пыльные» из-за небольшого размера их частиц (часто около 1 мкм ); их химический состав, как и основные кольца, почти полностью состоит из водяного льда. Узкое кольцо F, расположенное рядом с внешним краем кольца A, сложнее классифицировать; части его очень плотные, но также содержат много частиц размером с пыль.

Откуда у Сатурна кольца

Сейчас в науке имеется две теории, объясняющие происхождение колец Сатурна. Согласно первой они образовались в результате крушения то ли большого метеорита, то ли неосторожного спутника. Разрушение могло быть вызвано мощными гравитационными воздействиями Сатурна, буквально разорвавшими некий небесный объект на мелкие кусочки.

Но есть и другая теория на этот счет, согласно ней, кольца являются остатками большого околопланетного облака. Из внешней части этого облака образовались спутники Сатурна (их 62 штуки) а внутренняя так и осталась в виде космической пыли, из которой теперь и состоят знаменитые кольца.

Особенности отдельных колец

Кольцо F на отдельных участках имеет свитую структуру – оно состоит из трёх жгутов, два из которых завиваются вокруг третьего. Есть два объяснения этому феномену – F состоит из наэлектризованных частиц. Они подвергаются воздействию магнитного поля Сатурна, что и обуславливает такую структуру. На частицы влияют два спутника – Пандора и Прометей орбиты которых находятся на разных концах F.

Интерес вызывают и спицеподобные радиальные образования в B, именуемые спицами. Их образуют частицы, рассеивающие солнечный свет.  Маленький размер (около 1 микрометра) позволяет частицам подниматься над поясом планеты. Длина спиц достигает 1000 км, ширина 1000 км. Они возникают на короткий промежуток времени, после чего исчезают.  Скорость вращения спиц может превышать скорость колец и совпадать со скоростью вращения планеты.

Наличие спиц обусловлено молниями в атмосфере Сатурна. Молнии обнаружены и в самом B. Их мощность достигает 1000 мВт.

D — самое близкое к планете. Оно находится на расстоянии 7000 км от облачного покрова. Наблюдатель с Сатурна смог бы рассмотреть много частиц, летающих над облаками. Их примерный состав известен: камень, покрытый льдом, гидрат аммиака и метана. Плотность такого льда примерно равна 0, 6 г/см3.

Полёт аппарата Кассини позволил получить новые данные о составе частиц. Оказалось, что помимо указанных компонентов, частицы содержат бензол, углекислый газ и органику. По своему составу они схожи с кометами. Также частицы поглощаются атмосферой планеты, изменяя её состав. Скорость этого поглощения довольно большая (от 10 до 45 тонн в секунду).  Это может привести к исчезновению D через несколько десятков тысяч лет.

Лежащее после D кольцо C будет «съедено» планетой за промежуток времени от 700 тыс. до 7 млн лет.

Частицы, которые входят в состав C — более крупные. Их диаметр достигает 1 м. 99% солнечного света, падающего на кольца, отражают A и B. Размер частиц, из которых состоят различные кольца, не одинаков. Он разнится от 1 мкм до 1 км. Толщина А, B, C близка к 1,3 км.

Е – самое удалённое кольцо от планеты. Оно находится в зоне, составляющей от 3 до 8 радиусов Сатурна. В центре этой зоны располагается орбита спутника Энцелада. Не исключено, что вулканическая активность этого спутника стала причиной появления частиц Е. Его структура однородна.

Сколько колец у Сатурна

Сейчас у Сатурна известно 7 более-менее широких колец. Самые большие обозначаются в таком порядке от планеты – D, C, B, A, F, G, и E. Это довольно крупные образования, которые видны в крупный телескоп с Земли. Лишь E невидимо с Земли, так как слишком разреженное и было обнаружено зондами.

Кольца С, B и A хорошо видны в любительские телескопы – именно в таком порядке они расположены от центра планеты. Между B и A расположена щель Кассини – большой промежуток, также хорошо заметный в любительские телескопы.

Область вблизи планеты.

Область вблизи планеты.

Удалённая от планеты область.

Удалённая от планеты область.

Но на самом деле никто не знает, сколько таких образований в действительности. Дело в том, что эти 7 крупных колец разбиты на неимоверное количество более тонких, как грампластинка, содержащая множество отдельных дорожек. Количество их огромно и подсчитать все практически невозможно. Особенно учитывая, что в ширину весь диск простирается на миллионы километров и не все его части видимы в оптическом диапазоне.

Так что мы можем выделить лишь 7 крупных колец, которые явно отличаются цветом или разделены промежутками, а сколько в них содержится более узких – неизвестно. Причём они при приближении сами делятся на еще более узкие. Ширина некоторых составляет всего 10 метров, а других – 1 км.

Открытие колец Сатурна

Первым кольца Сатурна увидел Галилео Галилей в 1610 году, воспользовавшись своим 20-кратным телескопом. Но он не понял, что это такое – качество изображения его телескопов было далёким от идеального. Поэтому Галилей решил, что видит по бокам от планеты непонятные «придатки», и она «тройная». Он написал:

«Высочайшую планету тройную наблюдал».

В 1612 году Галилей был озадачен, не увидев у Сатурна ничего – в то время кольца были расположены ребром к Земле и были невидимы. Но потом они снова стали видны.

Галилео Галилей, первооткрыватель колец Сатурна.

Галилео Галилей, первооткрыватель колец Сатурна.

А вот первым человеком, увидевшим Сатурн во всей красе вполне отчётливо, стал нидерландский астроном Христиан Гюйгенс. Он наблюдал его в 50-кратный телескоп собственного изготовления и хорошо рассмотрел. Результаты наблюдений он опубликовал 5 марта 1656 года.

«Кольцом окружен тонким, плоским, нигде не прикасающимся, к эклиптике наклоненным».

Однако Гюйгенс не мог рассмотреть детали в свой маломощный телескоп. Поэтому он и решил, что странное образование всего одно, твёрдое и тонкое. В принципе, так оно и выглядит при увеличении 50 крат. Учитывая, что до этого никто еще не видел такого невероятного феномена, ничего удивительного в выводах Гюйгенса нет.

Дальше последовали более детальные исследования – Джованни Кассини в 1675 году обнаружил промежуток в кольце, названный потом в его честь щелью Кассини. В 1859 году Джеймс Максвелл высказал теорию, что эти структуры не могут быть сплошными, и должны состоять из множества мелких частиц. Через 10 лет эта версия подтвердилась спектрографическими наблюдениями.

Кольца Сатурна со времени открытия их Галилеем оказались очень необычным явлением, озадачившим многих учёных. В течении нескольких веков их природа оставалась непонятной. Много учёных приложили руку к установлению их истинной природы. Сейчас, когда они довольно детально изучены вблизи, с помощью космических зондов, мы знаем о них немало.

Из чего состоят кольца Сатурна?

Они состоят из кусков льда разных размеров — от кубиков, которые уместились бы в стакане с прохладительным напитком, до айсбергов средней величины. При взгляде издали кажется, что кусочки льда, вращающиеся вокруг Сатурна со скоростью 72 000 километров в час, образуют несколько широких колец. До полетов «Вояджера-1» и «Вояджера-2», которые исследовали Сатурн, пролетая мимо него, с близкого расстояния, многие ученые полагали, что вокруг Сатурна вращаются три или четыре ледяных кольца.

Система колец Сатурна и положение его спутников в ней

Первые же снимки, присланные космическими кораблями, оказались откровением. Вместо нескольких колец их было несколько тысяч. Кое-где между кольцами видны глубокие щели, но в основном кольца располагались очень близко друг к другу, как бороздки в компакт – диске.

Интересный факт: каждое кольцо Сатурна состоит из сотен тысяч кусочков льда.

Камеры космических кораблей «Вояджеров» оказались слишком далеко от колец, чтобы получить качественные снимки отдельных льдинок. Но из снимков становится ясно, что кольца очень тонки: сквозь них видны звезды. Еще один сюрприз. Прозрачные соединения между кольцами — это куски льда размерами от одного до девяноста километров в поперечнике, которые называют лунками. Не путать с настоящими лунами Сатурна. Считается, что сила притяжения лунок вместе с гравитацией настоящих спутников Сатурна обуславливает пространственную ориентацию колец.

Интересно:   Почему пузыри круглые? Описание, фото и видео

Усиленное цветное изображение колец Сатурна, снятое космическим аппаратом Вояджер-2 в августе 1981 года

«Вояджеры» не только фотографировали кольца. Специальные приемники прослушивали кольца на радиочастотах. Был уловлен треск, который расценили как разряды статического электричества, своеобразные молнии в кольцах. Эти молнии невидимы, потому что вокруг колец нет атмосферы, которая бы отражала и рассеивала свет молний.

Размер и состав

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)

В 1610 году Галилео Галилей первым заметил кольца

В 1610 году Галилео Галилей первым заметил кольца возле Сатурна

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.

Теги

Adblock
detector