Сатурн: великолепие колец. Интереснейшие факты о кольцах сатурна

На прошлой неделе космический аппарат «Кассини» приступил к выполнению финальной части своей научной программы: «ныркам» между кольцами Сатурна. Первые 20 погружений в плоскость колец будут происходить вдали от газового гиганта, за F-кольцом, затем, после гравитационного маневра, аппарат перейдет к орбитам, вплотную приближающимся к планете. К середине сентября 2017 года «Кассини» войдет в плотные слои атмосферы и закончит свою многолетнюю миссию. По случаю старта этой опасной, но очень интересной программы исследований мы подготовили путеводитель по кольцам Сатурна, который поможет вам разобраться в том, что же будет изучать аппарат.

Всем известно, что Сатурн, шестая планета от Солнца и вторая по размерам после Юпитера, обладает самой роскошной (читайте: развитой и массивной) системой колец во всей Солнечной системе. Конечно, кольца есть и у других планет, например, у Юпитера и Нептуна, - а физики предсказывают, что через каких-то 20–40 миллионов лет они и у Марса. Но все эти кольца не идут ни в какое сравнение с сатурнианскими. Одна только основная система колец (C, B, A) имеет ширину 60 тысяч километров - это эквивалентно радиусу планеты. Вместе с более тусклыми кольцами она простирается больше чем на 12 миллионов километров. О самых больших и самых удаленных кольцах Сатурна мы поговорим подробнее чуть позже.

Для начала немного о том, как называют кольца Сатурна. Основные системы были названы латинскими буквами в порядке их открытия. Именно поэтому, считая от верхних слоев атмосферы, кольца располагаются так: D, C, B, A, F, G, E. Кроме того, есть кольца, названные в честь спутников планеты: Януса-Эпитметея и Фебы. Ответить на вопрос о том, сколько всего колец у Сатурна, непросто - это зависит от того, как на них смотреть. К примеру, в наземный телескоп вы, скорее всего, увидите пару колец, а «Кассини» легко различит щели внутри больших колец и насчитает десятки образований. Собственное название имеют около 30 из них.

Существуют разные теории о происхождении и возрасте колец. Одни из них предполагают, что возраст колец составляет всего 100 миллионов лет - около двух процентов возраста Солнечной системы. В других вариантах кольца могут быть ровесниками самого Сатурна. Одна из распространенных теорий говорит о том, что кольца когда-то были сравнительно крупным спутником, орбита которого приблизилась слишком близко к планете. Это привело к его разрушению гравитацией Сатурна. Общая масса материала в кольцах планеты оценивается в 3×10 19 килограмм, в тысячу раз меньше, чем масса земной Луны. В основном кольца состоят изо льда, но состав других компонентов, в частности, придающих им оранжево-розовый оттенок, до сих пор неизвестен.

D-кольцо

D-кольцо (тусклое)

Начнем с ближайшего к Сатурну кольца - D. Несмотря на то, что оно довольно тусклое и не относится к основной системе колец, его близость к гиганту создает на нем необычные узоры. Внутренняя кромка кольца отстоит от облаков планеты примерно на семь тысяч километров: в масштабах Земли оно бы располагалось всего в два раза выше, чем МКС, - в 800 километрах над поверхностью. Ширина кольца - 7,5 тысячи километров. При подлете к нему в 1980 году «Вояджер-1» заметил в нем несколько отдельных колец, которые при более близком рассмотрении оказались волнами . Стоит заметить, что толщина колец невелика, особенно по сравнению с шириной - во многих случаях она не превосходит нескольких метров. Высота волн составляла от двух до двадцати метров. Физики утверждают, что источник волн - гравитационное возмущение , например, от пролетевшей кометы - подобное наблюдалось позднее в кольцах Юпитера после падения кометы Шумейкера-Леви 9.

C-кольцо

Внутренняя область C-кольца. Чуть правее центра проходит Щель Коломбо.

Сразу после D-кольца располагается яркое кольцо C, шириной 17,5 тысяч километров. Оно было открыто еще в 1850 году американскими астрономами Уильямом и Джорджем Бондами. Как и на D, на нем также наблюдались волны от гравитационных воздействий. В C-кольце сосредоточена 1/3000 всей массы осколочного материала колец Сатурна. Среди внутренних структур можно выделить Щель Коломбо, внутри которой есть небольшое кольцо, находящееся в орбитальном резонансе с Титаном (крупнейший спутник Сатурна). Ширина щели - около 150 километров. Помимо нее в кольце есть еще три меньших «разрыва» - Максвелла, Бонда и Дейвиса

B-кольцо

Внешний край B-кольца

Следующим идет самое яркое и самое массивное из всех колец Сатурна - B. По суммарной массе оно сопоставимо с Мимасом (седьмой по величине спутник планеты), а толщина объекта насчитывает от пяти до пятнадцати метров. Ширина B-кольца достигает 25,5 тысячи километров, около трети диаметра Сатурна. Внутри него, кстати, располагается самый близкий к гиганту спутник, так до сих пор и не получивший тривиального названия, - S/2009 S 1 .

Самой примечательной особенностью B-кольца являются вертикальные образования на его внешней кромке. Они имеют в высоту свыше 2,5 километра - «Кассини» заметил их по длинным теням, которые те отбрасывали во время сатурнианского равноденствия.

Щель Кассини

Справа - внешняя область кольца B. Черная щель в центре - щель Гюйгенса с ярким кольцом Гюйгенса внутри, являющаяся частью деления Кассини. Левая часть снимка также относится к делению

Между кольцами B и A располагается одна из самых выразительных структур системы - Щель (или Деление) Кассини. Она доступна для наблюдения с Земли в любительские телескопы классом выше среднего. Ее ширина составляет 4,5 тысячи километра - сопоставимо с шириной D-кольца. Открыт объект был еще в XVII веке французским астрономом итальянского происхождения Джованни Доминико Кассини. Наблюдения с помощью «Вояджера-1» показали, что внутри щели есть материал, напоминающий собой материал кольца C, а также «настоящие» Щели (например, 300-километровая Щель Гюйгенса).

A-кольцо

Щель Энке в A-кольце

На расстоянии свыше 60 тысяч километров от поверхности Сатурна находится кольцо A - внешнее из основной системы колец. Оно тусклее кольца B, и в 7 раз легче его. Ширина объекта составляет 14,6 тысячи километра, толщина - 10–30 метров. Считается, что это одно из самых молодых колец Сатурна - на это неравномерное распределение температуры в нем.

Внутри кольца A располагается несколько сравнительно крупных спутников: 20-километровый Пан, 7-километровая Дафнис и 32-километровый Атлас. Их гравитационное влияние формирует края объекта. Как и внутри других колец, в нем есть крупные щели, например - 325-километровая щель Энке.

F-кольцо

F-кольцо и Прометей

На расстоянии в 2,6 тысячи километра от внешнего края A-кольца и 140 тысяч километров от центра Сатурна находится самое изменчивое кольцо Сатурна - F. При ширине всего в 30–500 километров оно привлекает к себе внимание астрономов как необычная динамическая система. F-кольцо гравитационно удерживается лунами-«пастухами»: Прометеем и Пандорой. По одной из теорий, оно при частичном разрушении двух столкнувшихся друг с другом спутников, которые и стали затем «пастухами». Кроме того, внутри этого кольца был обнаружен еще один небольшой спутник, вносящий дополнительные сложности в динамику объекта.

Кольцо Януса-Эпиметея

Кольцо Януса-Эпиметея отмечено крестом

За кольцом F следует очень тусклый объект - кольцо Януса-Эпиметея. Оно примечательно во многом тем, что было благодаря «Кассини». Именно сквозь кольцо Януса-Эпиметея аппарат недавно пролетел, исследуя состав и размер частиц в нем. Кстати, следующее «погружение» запланировано на 11 декабря 2016 года.

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 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.

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.

Но только у Сатурна они, можно сказать, стали своего рода «визитной карточкой» этой планеты. Благодаря яркости и красоте, именно Сатурн единственная планета, которая изображается с кольцами, хотя на самом деле, они есть и у , правда не такие яркие и заметные как у Сатурна.

Кто открыл кольца Сатурна

Первыми кольца Сатурна увидел в далеком 1610 году великий астроном , изобретший телескоп, ставший подлинной научной сенсацией тех времен. Но Галилео Галилей не мог объяснить природу и происхождение колец, с момента открытия, века они оставались загадкой для человечества. Да, впрочем, и остаются по сей день, так как детальное изучение колец Сатурна, предпринятое НАСА в 1980-х годах прошлого века с помощью космических аппаратов Вояджер-1 и Вояджер-2 только прибавило тайн.

Из чего состоят кольца Сатурна

Как считают ученые, кольца вокруг Сатурна состоят из многочисленных , астероидов и разрушенных спутников, будучи уничтоженными, прежде чем достигли поверхности планеты, они собой пополнили мириады частиц этих самых колец.

Размеры частиц кольца могут варьироваться от маленьких камушков, до огромных глыб, размером с гору. Также каждое кольцо вращается вокруг планеты со своей скоростью. От чего зависит скорость колец Сатурна, точного ответа пока нет.

Кольца Сатурна фото

Предлагаем вашему вниманию красивые фотографии колец Сатурна.

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.

Система колец Сатурна

Кольца были названы по алфавиту в порядке их обнаружения. Сами кольца расположены достаточно близко друг к другу, исключение составляет лишь так званое деление Касини, имеющее разрыв в пространстве на 4700 км. Это самый большой разрыв, отделяющий кольцо А от кольца В.

Интересный факт: кольцо F находится между двумя спутниками Сатурна: Прометеем и Пандорой, ученые полагают, что эти спутниками своими гравитационными воздействиями могут изменять форму колец.

Сколько колец у Сатурна

Далее попробуем ответить на вопрос о количестве колец Сатурна. Сейчас астрономами зафиксированы кольца D, C, B, A, F, G, E, притом, что самое внешнее кольцо E не видимо для оптических систем, оно регистрировалось с помощью устройств, реагирующих на заряженные частицы и электрические поля.

Кольца А, В и С можно назвать основными кольцами планеты, они хорошо видимы в телескоп. Кольцо А является условно внешним кольцом, кольцо В — средним и кольцо С – внутренним. Кольца D, E и F являются более слабыми и увидеть их в телескоп не так то просто, а кольцо E и вовсе невозможно.

Но это еще не все, ведь названые латинскими буками кольца весьма условны, так как при более детальном приближении мы увидим, что каждое из колец Сатурна распадается на более мелкие, а те на еще более мелкие части. В итоге количество колец Сатурна может стремиться к бесконечности.

Цвет колец Сатурна

Снимки колец Сатурна с космических аппаратов показывают, что кольца имеют разные цвета.

Вы сами можете видеть это на картинке. Так как кольца светятся за счет отраженного солнечного света, 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 свою очередь в основном состоят из водяного льда, с небольшими примесями более темного цвета.

Кольца Сатурна видео

И в завершение интересный научно-популярный фильм о появлении колец Сатурна.