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 являются одной из самых ярких черт солнечной системы. Они окружают шестую планету от солнца в странных конфигурациях, каждая тысяча миль в ширину, но толщина всего несколько метров.
Из чего состоят кольца Сатурна?
Кольца Сатурна состоят в основном из льда с небольшим количеством камней. Ученые лучше понимают динамику,чем когда-либо прежде, благодаря космическому аппарату Кассини, который заканчивает свою миссию в пятницу (15 сентября) с погружением в атмосферу Сатурна, после 13 лет вращения планеты. За это время Кассини отправил невиданные фотографии колец Сатурна на землю, дав исследователям пристальный взгляд на некоторые нечетные структуры, найденные среди льда.
Кольца были впервые обнаружены в 1610 году Галилеем Галилеем, который мог просто видеть их телескопом. Сегодня ученые определили семь отдельных колец, каждое из которых имеет название. Названия буквами немного скремблированы, потому что кольца получили свои имена в том порядке, в котором они были обнаружены, а не в том порядке, в котором они находятся от своей планеты. Ближайшим к Сатурну является слабое D-кольцо, за которым следуют три самых ярких и самых больших кольца: C, B и A. Кольцо F окружено только вне кольца A, за которым следует кольцо G и, наконец, кольцо E.
По данным НАСА, кольца достигают расстояния в 175 000 миль (282 000 километров) от планеты. Они в основном близкие соседи, за исключением 2,720-километровой ширины Кассини между А и В, названной так потому, что она была обнаружена итальянским астрономом 17-го века Джованни Доменико Кассини. Несмотря на невероятную ширину колец, они тонкие, толщиной всего в 33 фута (10 м), в большинстве мест и до километра в других. Для справки, Сатурн сам по себе огромен — 764 планет Земля могут вписаться в кольчатую планету.
Сатурн и его кольца
Масштабирование колец Сатурна производится из очень мелких частиц, немного меньших, чем песчинка, вкрапленные случайными горными кусками льда. Ученые подозревают, что многие из частиц — это куски разбитых комет или мертвых спутников, хотя их точное происхождение и образование остаются загадкой. Миссия Кассини смогла проследить источник некоторых из этих частиц на луне планеты Энцелад, которая выделяет газ и лед в космос. Другие части колец, по-видимому, происходят от обломков некоторых внутренних спутников Сатурна, которые также играют роль в гравитационном формировании колец. Эти луны вращаются вокруг колец Сатурна, и, как и они, они помогают разделить кольца и ограничить их ширину. Например, внутренний край кольца A определяется гравитационным воздействием луны Мимас.
Луна Пан поддерживает Энке Сатурна, полосу шириной 200 миль (325 километров) в кольце А. Кольца очень холодные. В 2004 году космический аппарат Кассини измерил их на своей неосвещенной стороне между минус 264,1 градуса и минус 333,4 градуса по Фаренгейту (минус 163 градуса и минус 203 градуса Цельсия). Они не так радужны, как некоторые астрономические изображения делают их такими: увеличение контраста может привести к драматическим портретам, а некоторые изображения используют цвет для передачи информации о температуре или плотности, но естественные цветные изображения показывают нежность от от белого до светло-желтого до слегка розового коричневого.
Плотность колец Сатурна
Каждое кольцо имеет разную плотность, от плотного кольца B до туманной слабости кольца G. Они очень динамичны, и благодаря взаимодействию частиц внутри них кольца далеки от гладких. Мимас — всего лишь один пример «луна-пастух» в кольцах. Еще одна луна, Пан, проносится через 200-километровую полосу Encke Gap в кольце A. Этот зазор в кольце А вылепит в форму гребешка на 12-мильной ширине (20 км) луны.
Некоторые кольца также содержат перекошенные черты под названием «пропеллеры», которые представляют собой небольшие прорезы, вызванные крошечными лунными лунками без гравитационного воздействия, чтобы открыть трещину, как зазоры Encke или Cassini. Еще одна странная особенность колец — это «спицы», которые выглядят как клинья или линии, которые вращаются вокруг колец. Согласно странице миссии NASA «Кассини», эти спицы представляют собой конгломераты его мельчайших частиц льда, которые левитируют над поверхностью кольца через электростатический заряд. Они временны и были обнаружены миссией Кассини в 2005 году.
В 2009 году астрономы открыли: кроме 25 ближних колец, у Сатурна имеется ещё одно едва различимое кольцо, расположенное гораздо дальше остальных. Его назвали кольцо Фебы (Phoebe ring), по названию спутника Феба. Предположительно, кольцо состоит из частиц этого спутника.
На иллюстрации схематично изображён гигантский размер кольца Фебы, по сравнению с самой планетой (несколько точек в центре).
Это кольцо вполне заслуженно входит в список самых странных объектов Вселенной, обнаруженных к настоящему времени.
Обруч из пыли вращается вокруг газового гиганта на расстоянии около 13 млн км, что почти в 50 раз дальше, чем другие кольца.
Кольцо Фебы обнаружено в 2009 году с помощью космической обсерватории «Спитцер», которая наблюдает космос в инфракрасном диапазоне и способна регистрировать частицы размером около 10 микрон. Именно из таких частиц частично состоит пылевой обруч Фебы (плотность на один кубометр изначально оценили в 10-20 частиц).
Спутник Феба, фото с аппарата «Кассини»
К сожалению, 15 мая 2009 года на телескопе «Спитцер» закончился запас хладагента, так что он не смог продолжить наблюдения.
Чтобы продолжить изучение кольца, в июне 2010 года астрономы направили в сторону Сатурна объектив другого инфракрасного телескопа Wide-field Infrared Survey Explorer (WISE), который находится на околоземной орбите. И с его помощью впервые удалось получить изображение кольца Фебы целиком. На фотографии оно видно как разреженное пылевое облако в горизонтальной плоскости.
Х
10 июня 2015 года в журнале Nature опубликовано исследование , выполненное группой учёных из университета Мэриленда, университета Виргинии и Центра обработки и анализа инфракрасных изображений при Калифорнийском технологическом институте. В исследовании проанализированы данные, полученные с телескопа WISE.
Размер кольца и его дистанция от Сатурна оказались больше, чем предполагалось. В 2009 году частицы были зафиксированы на расстоянии от 128 до 207 радиусов Сатурна (R S = 60 330 км) от планеты. Полная вертикальная протяжённость кольца составляет 40 R S . Таким образом, кольцо Фебы более чем в десять раз больше, чем прежде считавшееся самым большим кольцо Е.
Полную радиальную протяжённость не было возможности измерить на снимках со «Спитцера», также как и характеристики пылевых частиц.
Снимки с WISE показывают, что кольцо Фебы ещё больше, чем предполагалось: оно простирается от отметки 100 R S аж до 270 R S (от 6 млн км до 16 млн км от планеты)! То есть на 30% больше, чем считалось ранее.
Учёные составили модель орбитальной динамики частиц, взлетевших с Фебы в результате столкновения с посторонними космическими телами, и сконструировали теоретические степенные профили распределения частиц по размеру. По их оценке, до 10% площади поперечного сечения кольца составляют крупные частицы с радиусом более 10 см, орбиты которых могли не снижаться внутрь кольца более 4,5 млрд лет.
Таким образом, кольцо Фебы значительно древнее, чем внутренние кольца Сатурна. Вероятно, оно сформировалось одновременно с Солнечной системой.
К сожалению, у телескопа WISE тоже закончился запас хладагента в 2010 году, и с тех пор никакой новой информации о кольце Фебы мы не получили. По словам учёных, сейчас в космосе нет ни одного аппарата, который мог бы помочь в изучении этого объекта.
В 2009 году космический телескоп «Спитцер» обнаружил слабое инфракрасное излучение от источника концентрической формы, расположенного далеко за пределам известных колец Сатурна. Ученые предположили, излучение может исходить от нового, ранее не известного кольца планеты, состоящего из более мелких частиц. Спустя 6 лет исследование, проведенное при помощи более мощного инфракрасного телескопа WISE, позволило подтвердить это допущение.
Система колец Сатурна состоит из 7 концентрических секторов, составленных льдами, пылью и обломками силикатных пород. Называть кольца было принято буквами латинского алфавита, однако имена им присваивались по мере открытия, в связи с чем порядок удаления от планеты казалось бы не соответствует логике: D, C, B, A, F, G и E. Крайнее кольцо E не только самое удаленное, но и самое широкое - оно простирается от 180 до 480 тысяч км от поверхности газового гиганта. Но даже оно, как оказывается, меркнет на фоне новооткрытого восьмого кольца.
Согласно первоначальным расчетам, в основу которых легли данные телескопа Spitzer, самое удаленное кольцо должно было находиться в интервале от 7,6 до 12,4 миллиона км (или от 127 до 207 радиусов (60"000 км) планеты) от поверхности Сатурна. Однако благодаря орбитальной обсерватории WISE эти и без того впечатляющие цифры пришлось поправить в большую сторону: от 6 до 16,2 миллионов км или 100 - 270 радиусов Сатурна.
Соотношение размера нового кольца с размерами планеты
Если Сатурн уменьшить до размеров баскетбольного мяча, то его дальнее кольцо будет находится за пределами баскетбольной площадки, приблизительно в 6-7 зрительском ряду.
Структура кольца Фебы отличается кардинальным образом. В отличии от семи ближних колец оно сложено из значительно более мелких крупиц, больше 80% из которых не превышают 10-20 мКм в диаметре. Частицы диаметром более 10 см составляют менее 10%. Кроме того, материал в нем куда более разряжен. Также ученые предполагают, что содержание космической пыли в данном секторе должно быть в несколько раз выше, на это по крайней мере указывает темный фон частиц и всего кольца в целом.
На данный момент наиболее вразумительной версией, объясняющей происхождение удаленного кольца является гипотеза, согласно которой большая часть материала была выбита метеоритами с поверхности спутника Феба, орбита которого находится приблизительно в 13 млн км.
Темные частицы кольца Фебы практически не отражают солнечный свет, поэтому и наблюдать его непосредственно практически невозможно. Но такие частицы неплохо нагреваются, благодаря чему и были обнаружены в инфракрасном диапазоне.
