Почему только у Сатурна есть кольца?

Узнайте, почему только у Сатурна есть кольца и как они образовались. Исследования группы ученых с участием МГУ раскрыли тайны формирования и строения колец Сатурна.

Кольца Сатурна представляют собой величественное зрелище и вызывают интерес ученых уже несколько веков. Исследования и моделирование, проведенные международной группой ученых с участием сотрудников МГУ имени М.В. Ломоносова, позволили разгадать тайну формирования и строения колец Сатурна.

Распределение частиц в кольцах Сатурна

Согласно исследованиям группы ученых, наблюдаемое распределение частиц по размерам в кольцах Сатурна имеет универсальный характер и применимо к другим небесным телам, у которых также возникают колеца. Ученым удалось разгадать загадку магического закона "обратных кубов", согласно которому размер частиц уменьшается по мере увеличения их числа в кубической степени. Таким образом, частицы размером 2 м в 8 раз меньше, чем частицы размером 1 м, а частицы размером 3 м меньше в 27 раз и так далее.

Происхождение колец Сатурна

Одним из возможных объяснений происхождения колец Сатурна является исторический факт, что вокруг некоторых планет, в том числе и Сатурна, пыли меньше, а вокруг других планет, таких как Земля или Марс, пыли больше. Пылинки собирались вместе, образовывали частицы, которые продолжали расти, и становились все больше и больше. Однако, почему рост частиц внезапно останавливался, когда они достигали размера дома, долгое время оставалось загадкой.

Согласно исследованиям группы ученых, кольца Сатурна образовались из мелких твердых частиц, таких как лед и пыль. Возможно, колец Сатурна родились из материала, который остался после формирования планеты и не смог образовать спутники. Существуют также другие теории, согласно которым колеца могли образоваться из обломков спутников, которые были уничтожены столкновением с астероидами или кометами. Есть также предположение, что приливные силы, исходящие от родительской планеты, могут быть причиной разрушения спутников и образования колец.

Структура и состав колец Сатурна

Кольца Сатурна представляют собой систему плоских концентрических образований изо льда и пыли. Они имеют сложную структуру, расщепляясь на многочисленные более тонкие колечки, разделенные щелями. Основные кольца названы латинскими буквами в порядке их открытия: A, B, C и так далее.

Основной составляющей колец являются ледяные крошки, размером преимущественно с крупицу сахара. Однако в кольцах также присутствуют крупные фрагменты размером с дом или даже гору. Ближе всего к планете находятся куски льда и камня, которые мчатся в космосе со скоростью около 84000 км/ч.

Кроме того, в кольцах Сатурна наблюдаются загадочные шипы, которые формируются и исчезают всего за пару часов. Существует предположение, что эти шипы состоят из электрически заряженных слоев крошечных частиц, образующихся при столкновениях мелких метеоров или под воздействием лучей электронов от молний Сатурна.

Заключение

Исследования группы ученых позволили разгадать множество загадок, связанных с колец Сатурна. Они показали, что происхождение и строение колец Сатурна связаны с формированием и эволюцией планеты. Кольца Сатурна являются уникальным явлением в Солнечной системе и продолжают вдохновлять ученых на новые исследования и открытия.

Что нам скажет Википедия?

Кольца Сатурна — система плоских концентрических образований изо льда и пыли, располагающаяся в экваториальной плоскости планеты Сатурн. Основные кольца названы латинскими буквами в порядке их открытия. Исследованы несколькими автоматическими межпланетными станциями (АМС), особенно подробно — аппаратом «Кассини». Фактически имеют сложную структуру, расщепляясь на многочисленные более тонкие колечки, разделённые так называемыми щелями. Вид с Земли сильно зависит от расположения Сатурна на орбите.

Первым кольца Сатурна увидел Галилео Галилей: в 1610 году он наблюдал их в свой телескоп с 20-кратным увеличением, 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» — расшифровка была опубликована в письме Галилея к Джулиано де Медичи 13 ноября 1610 года.

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

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.

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

С начала космической эры (середина XX века) в районе колец Сатурна пролетало четыре АМС. Так, в 1979 году АМС «Пионер-11» приблизилась к облачному покрову Сатурна на расстояние 20 900 км. По данным, переданным «Пионером-11», было подтверждено существование кольца E, открыто кольцо F. Была измерена температура колец: −203 °C на Солнце и −210 °C в тени Сатурна. В 1980 году АМС «Вояджер-1» приблизилась к облачному покрову Сатурна на расстояние 64 200 км. По снимкам «Вояджера-1» было установлено, что кольца Сатурна состоят из сотен узеньких колечек. С внешней и внутренней стороны кольца F открыты два спутника-«пастуха», позднее названные Прометей и Пандора). Открыто кольцо G. В 1981 году АМС «Вояджер-2» приблизилась к Сатурну на расстояние 161 000 км от его центра. С помощью фотополяриметра, который не сработал на «Вояджере-1», АМС «Вояджер-2» была способна наблюдать кольца с намного бо́льшим разрешением и открыть много новых колечек. Данные аппаратов «Вояджер» позволили подтвердить существование «спиц» в кольце B, кольца D и трёх делений в нём (получивших временные обозначения D 68, D 72 и D 73). Также было открыто «плетение» в кольце F.

Затем в 2004 году АМС «Кассини» приблизилась к облачному покрову Сатурна на расстояние в 18 000 км и стала искусственным спутником Сатурна. Снимки «Кассини» являются пока самыми детальными из всех полученных, по ним открыты новые колечки. Так, в 2006 году они были обнаружены на орбитах спутников Паллены (R/2006 S 2) и Януса и Эпиметея. В числе открытий «Кассини» — обнаружение тусклых маленьких колец, получивших обозначения R/2004 S 1 и R/2004 S 2, открытие щели Коломбо в середине кольца C и маленького колечка внутри него, находящегося в орбитальном резонансе с Титаном, колечек в делении Кассини (R/2006 S 3, R/2006 S 4).

В 2007 решением Международного астрономического союза была утверждена номенклатура, проводящая различие между делениями и щелями в кольцах: деления находятся между кольцами с собственными обозначениями, щели — внутри таких колец.

Существует 2 основные гипотезы:

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 произошёл захват Сатурном последнего из своих изначальных спутников, ставшего гигантским ледяным шаром с твёрдым 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.

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.

Свойства и структура

Плоскость обращения системы колец совпадает с плоскостью экватора Сатурна, 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.

Кольца состоят из водяного льда с примесями силикатной пыли и органических соединений. Доля и состав примесей определяют различия в цвете и яркости колец. Размер частиц материала в них — от сантиметров до десятков метров; бо́льшую часть массы составляют частицы размером порядка метра. В некоторых частях колец мелкие частицы состоят из снега. Толщина колец чрезвычайно мала по сравнению с их шириной (в основном от 5 до 30 м), 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.

Поскольку плоскость колец совпадает с плоскостью экватора Сатурна, вид колец с Земли сильно зависит от расположения Сатурна 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 каждый следующий год на Сатурне для земных наблюдателей с его кольцами происходит то же самое. На 2022 год последние максимальные раскрытия были в 1988, 2002 и 2016 гг., исчезновения — в 1995 и 2009 гг. Каждые 14 лет раскрытие колец увеличивается, виден северный полюс Сатурна и обращённая к нему сторона его колец.