Кольца Сатурна, главные обозначены
Волны в кольцах Сатурна. Цвета неестественные
Кольца Сатурна с расстояния 1,8 млн км под углом 30 градусов. Фото межпланетной станции «Кассини», 2006 год

Кольца Сатурна — система плоских концентрических образований изо льда и пыли, располагающаяся в экваториальной плоскости планеты Сатурн.

История

Галилео Галилей был первым, кто увидел кольца Сатурна, он наблюдал их в свой телескоп с 20-кратным увеличением в 1610 году, но не идентифицировал их как кольца. Он считал, что видит Сатурн «тройным», с двумя придатками неизвестной природы по бокам и зашифровал это в виде анаграммы smaismrmilmepoetaleumibunenugttauiras. Расшифровывалась она как лат. Altissimum planetam tergeminum obseruaui «Высочайшую планету тройною наблюдал»[1], расшифровка опубликована в письме Галилея Джулиано де Медичи 13 ноября 1610 года[2]. В 1612 году кольца были видны с ребра, поэтому они стали незаметны при наблюдении в телескоп, что озадачило Галилея. Позднее они появились вновь[3].

Христиан Гюйгенс стал первым человеком, который предположил, что Сатурн окружён кольцом. Он соорудил телескоп-рефрактор с 50-кратным увеличением, намного большим, чем телескоп Галилея, в который он наблюдал Сатурн. Результаты наблюдения он опубликовал 5 марта 1656 года в виде анаграммы[1] в своём сочинении «De Saturni Luna observatio nova»[4]. Расшифровку анаграммы Гюйгенс даёт в 1659 году в своём сочинении «Systema Saturnium»: лат. Annulo cingitur, tenui, plano, nusquam cohaerente, ad eclipticam inclinato[5] (Кольцом окружён тонким, плоским, нигде не прикасающимся, к эклиптике наклонённым[1]).

В 1675 году Джованни Доменико Кассини определил, что кольцо Сатурна состоит из двух частей, разделённых тёмным промежутком, который позднее был назван делением (или щелью) Кассини. В XIX веке В. Я. Струве предложил назвать внешнюю часть кольцом A, а внутреннюю — кольцом B[6].

В 1837 году Иоганн Франц Энке заметил промежуток в кольце A, который назвали делением Энке[6]. Через год Иоганн Готтфрид Галле обнаружил кольцо внутри кольца B,[7][8] однако его открытие не было принято всерьёз, и получило признание лишь после переоткрытия этого кольца в 1850 году У. К. Бондом, Д. Ф. Бондом и У. Р. Дейвсом,[9] его стали называть кольцом C, или креповым кольцом[10].

В своё время Лаплас предположил, что кольца Сатурна состоят из большого числа меньших цельных колечек[10]. В 1859 году Джеймс Клерк Максвелл показал, что Лаплас был не совсем прав, кольца не могут быть цельными твёрдыми, ибо тогда они оказались бы нестабильными и были бы разорваны на части. Он предположил, что кольца состоят из множества мелких частиц[10]. В своей единственной астрономической работе, опубликованной в 1885 году, Софья Ковалевская показала, что кольца не могут быть ни жидкими, ни газообразными[11]. Предположение Максвелла было доказано в 1895 году благодаря эффекту Доплера спектроскопическими наблюдениями колец, выполненными Аристархом Белопольским в Пулково и Джеймсом Эдуардом Килером в обсерватории Аллегени[12].

С начала космической эры 4 октября 1957 года по 2016 год в районе колец Сатурна пролетало четыре АМС. 1 сентября 1979 года АМС «Пионер-11» приблизилась к облачному покрову Сатурна на расстояние 20 900 км. По данным, переданным АМС «Пионер-11» были открыты кольцо F[13] и кольцо G[14]. Была измерена температура колец: -203 °C на Солнце и -210 °C в тени Сатурна[15]. 12 ноября 1980 года АМС «Вояджер-1» приблизилась к облачному покрову Сатурна на расстояние 64200 км[16]. По снимкам АМС «Вояджер-1» было установлено, что кольца Сатурна состоят из узеньких колечек, число которых измеряется сотнями[14]. С внешней и внутренней стороны кольца F открыты два спутника-«пастуха» (позднее им присвоили имена Прометей и Пандора), «пасущие» частицы кольца[17]. 26 августа 1981 года АМС «Вояджер-2» приблизилась к Сатурну на расстояние 161 000 км от его центра[18].

С помощью фотополяриметра, который не сработал на АМС «Вояджер-1», АМС «Вояджер-2» была способна наблюдать кольца с намного большим разрешением и открыть много новых колечек[19]. 1 июля 2004 года АМС «Кассини» приблизился к облачному покрову Сатурна на расстояние в 18 000 км и стал искусственным спутником Сатурна[20]. На 2016 год снимки АМС «Кассини» являются самыми детальными, по ним открыты новые колечки[21].

30 июня 2004 года исследовательский аппарат «Кассини» успешно пролетел через кольца Сатурна между двумя внешними кольцами F и G. Для защиты от микрометеоритов использовалась радиоантенна диаметром 4 метра. При пролёте аппарат получил более 100 тысяч ударов микрометеоритами, но серьёзно не пострадал.

В кольцах Сатурна наблюдаются необычные образования — «спицы», представляющие собой светлые и тёмные полосы, идущие поперёк колец. Впервые спицы были обнаружены аппаратами серии «Вояджер». Поскольку кольцо Сатурна не является единым телом и внутренние слои вращаются вокруг планеты быстрее внешних, то спицы должны быстро разрушаться, однако этого не происходит. Хотя спицы не являются долговечными образованиями, они могут существовать существенно дольше, чем можно было бы предположить, исходя из законов небесной механики[22]. Были высказаны гипотезы о влиянии электростатических либо гравитационных сил на формирование спиц.

Лишь относительно недавно, в 2009 году, с помощью инфракрасного космического телескопа «Спитцер» было открыто самое большое кольцо — кольцо Фебы диаметром более 10 миллионов километров[23][24]. Также учёные предполагали наличие системы колец у спутника Сатурна Реи, но эта догадка не подтвердилась[24].

Происхождение колец

Существует 2 основные гипотезы:

  • Кольца сформировались из остатков околопланетного облака вещества, которые из-за непостоянства притяжения Сатурна не смогли, как у других планет, стать полноценным спутником. В спутники превратились лишь внешние области этого облака, тогда как частицы из внутренних, вращаясь слишком быстро и беспорядочно, претерпевали чрезмерно сильные соударения, постепенно измельчаясь и становясь всё более рыхлыми[25].
  • Кольца появились в результате разрушения крупного спутника из-за столкновения с метеоритом, крупной кометой или астероидом. Разрушение могло произойти и из-за гравитационного влияния самого Сатурна[25], когда орбита спутника оказывалась ниже предела Роша[24].

Так, согласно одной из моделей, предложенной американкой Робин Кэнап, причиной образования колец стали несколько последовательных поглощений Сатурном его спутников. Практически все из нескольких крупных (в полтора раза больше Луны) сформировавшихся на заре Солнечной системы спутников постепенно из-за гравитационного воздействия падали в недра Сатурна. В процессе схода со своих орбит по спиральной траектории они разрушались. При этом лёгкая ледяная составляющая оставалась в космосе, тогда как тяжёлые минеральные компоненты поглощались планетой. Впоследствии лёд захватывался гравитацией следующего спутника Сатурна, и цикл повторялся. Когда произошел захват Сатурном последнего из своих изначальных спутников, ставшего гигантским ледяным шаром с твердым минеральным ядром, вокруг планеты образовалось «облако» изо льда, фрагменты которого имели от 1 до 50 километров в диаметре и сформировали первичное кольцо Сатурна. По массе оно превышало современную систему колец в 1000 раз, однако в течение последующих 4,5 миллиарда лет соударения образующих его ледяных глыб привели к измельчению льда до размеров градин. При этом большая часть вещества была поглощена планетой, а также утрачена при взаимодействии с астероидами и кометами, многие из которых также были разрушены гравитацией Сатурна[26].

По другой теории, согласно расчётам группы японских и французских учёных, кольца сформировались при разрушении крупных небесных тел из пояса Койпера, сближение с которыми часто имело место во время Поздней тяжёлой бомбардировки 4 млрд лет назад[27].

Свойства

Плоскость обращения системы колец совпадает с плоскостью экватора Сатурна[28], то есть наклонена относительно плоскости орбиты вокруг Солнца на 26,7°. Кольца представляют собой кеплеровский диск, то есть их частицы совершают дифференциальное вращение, из-за чего постоянно сталкиваются между собой. Эти столкновения становятся источником тепловой энергии и являются причиной расщепления на более тонкие колечки. Помимо данного фактора, несимметричность гравитации Сатурна, его магнитное поле и взаимодействие с его спутниками также вызывают колебания орбит частиц, составляющих кольца, их отклонения от круговой формы и прецессию[29].

Кольца состоят из водяного льда с примесями силикатной пыли[30]. Размер частиц материала в них — от сантиметров до десятков метров; бо́льшую часть массы составляют частицы размером порядка метра[29]. В некоторых частях колец мелкие частицы состоят из снега[30]. Толщина колец чрезвычайно мала по сравнению с их шириной, при этом собственно вещество занимает всего порядка 3 % объёма (всё остальное — пустое пространство). Общая масса обломочного материала в системе колец оценивается в 3×1019 килограммов[29].

Основные элементы структуры колец Сатурна
Название Расстояние до центра Сатурна, км Ширина, км Толщина, м Особенности
Кольцо D 67 000—74 500[31] 7500[24] Не имеет резкой внутренней границы, она плавно переходит в верхние слои атмосферы Сатурна[30]; содержит мелкие кристаллики из водяного и метанового льда[32]
Кольцо C 74 500—92 000[31][30] 17 500[24] 5[31] называется также внутренним, состоит из частиц размером до 2 м[30], в нём сосредоточено ~ 1/3000 всей массы осколочного материала колец[24]
Щель Коломбо 77 800 около 150[24] содержит внутри небольшое кольцо, находящееся в орбитальном резонансе с Титаном[24]
Щель Максвелла 87 490[31] 270
Щель Бонда 88 690—88 720 30
Щель Дейвса 90 200—90 220 20
Кольцо B 92 000—117 580[31] 25 500[24] 5-10[31] наиболее яркое из всех колец[30]; отличительная особенность — вертикальные образования на внешней кромке высотой более 2,5 километра[24], вызываемые взаимодействием со спутником Мимасом[29]
Деление Кассини 117 580—122 170[31] ~ 4500[24] 20[31] содержит внутри себя материал, напоминающий собой материал кольца C (частицы размером в среднем 8 м[30]), а также «настоящие» щели[24]; находится в орбитальном резонансе 2:1 с Мимасом[29]
Щель Гюйгенса 117 680 300[24]
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 122 170—136 775[31][30] 14 600[24] 10-30[31][24] называется также внешним, состоит из частиц размером до 10 м[30], считается одним из самых молодых, содержит внутри себя спутники Пан, Дафнис, Атлас и крупные щели[24]; на внутренней границе присутствуют возмущения, вызванные взаимодействием со спутником Янусом[29]
Щель Энке 133 590[31] 325[24]
Щель Килера 136 530[31] 32-47[32]
Деление Роша 136 800—139 380 2580
R/2004 S1 137 630 300[33]
R/2004 S2 138 900 300[33]
Кольцо F ~140 130—140 180[28][31] 30—500[24] гравитационно удерживается лунами-«пастухами» Прометеем и Пандорой[24][32]
Кольцо G 166 000—175 000[24] около 9 000[24] 105[31] вблизи внешнего края располагается спутник Эгеон, собравший вокруг себя небольшую плотную арку из материала кольца, простирающуюся на 1/6 окружности[24]
Кольцо E 181 000—483 000[31] 300 000 107[31] основным источником материала служат гейзеры Энцелада[24]
Кольцо Фебы ~6 000 000 – 16 300 000[23][24] ~6 000 000[23][24] состоит в основном из небольших частиц диаметром до 10 см, источником материала является пыль, сдуваемая с Фебы, поэтому, как и её орбита, наклонено на 27° по отношению к другим кольцам[23][24]
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
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

Положение деления Кассини совпадает со стационарной орбитой Сатурна, которая находится на расстоянии примерно в 114 000 км от центра планеты. Объекты, находящиеся ниже этой орбиты, ввиду приливного действия, постепенно приближаются к Сатурну, объекты, находящиеся выше этой орбиты - постепенно удаляются, тем самым образуя пустое пространство - деление Кассини.[источник не указан 23 дня]

Страница из книги Х.Гюйгенса 1659 года, на верхнем рисунке показаны изменения вида Сатурна и его колец с Земли на протяжении года на Сатурне.
Вид Сатурна в 12" (~30 см) телескоп с Земли в 2015 году, обсерватория Ла-Каньяда, Авила, Испания (код J87)

Наблюдения колец с Земли

Поскольку плоскость колец совпадает с плоскостью экватора Сатурна, а он, в свою очередь, сильно наклонён к плоскости орбиты Сатурна — почти на 27 градусов, вид колец с Земли сильно зависит от расположения Сатурна на орбите вокруг Солнца[34] 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:

  • примерно в равноденствие на Сатурне его кольца при наблюдении с Земли исчезают совсем — они становятся видны «с ребра», затем примерно 7 лет раскрытие колец увеличивается, и становится всё больше видна их плоскость с одной стороны;
  • вблизи солнцестояния на Сатурне раскрытие его колец достигает максимума, и следующие 7 лет раскрытие колец Сатурна уменьшается;
  • вблизи следующего равноденствия на Сатурне его кольца исчезают, после чего раскрытие колец примерно 7 лет увеличивается, становится всё больше видна вторая сторона плоскости колец;
  • вблизи следующего солнцестояния на Сатурне раскрытие колец достигает максимума, потом примерно 7 лет уменьшается, и кольца исчезают.

В каждый следующий год на Сатурне для земных наблюдателей с его кольцами происходит то же самое. На 2012 год последние максимальные раскрытия были в 1988 и 2002 гг., исчезновения — в 1995[34] и 2009 гг. До 2016 года раскрытие колец будет увеличиваться, будет виден северный полюс Сатурна и обращённая к нему сторона его колец[35].

См. также