Более 400 лет назад — в 1610 году — человечество впервые увидело кольца у планеты. Наблюдая за Сатурном в свой примитивный телескоп, Галилео Галилей заметил, что с обеих сторон его планетарного диска имеются выступы, которые он назвал «ушами». К середине XVII века другие астрономы, такие как Христиан Гюйгенс, пошли дальше и заметили разрыв, отделяющий эти выступы от самой планеты: оказалось, что Сатурн был окружён гигантским кольцом. С тех пор мы обнаружили в этой системе колец разрывы, спутники и минилуны. Более того, оказалось, что Сатурн — не единственный мир, обладающий кольцами.
Теперь мы знаем, что кольца есть у всех газовых гигантов нашей Солнечной системы: есть они у Юпитера, Урана и Нептуна, но они гораздо менее значительны и массивны, чем кольца Сатурна. Мы также узнали, что кольца Сатурна испаряются и, вероятно, уже через 50-200 миллионов лет станут не более заметными, чем кольца Юпитера. Кроме того, по крайней мере, два внешних объекта Солнечной системы — кентавр Хирон и объект пояса Койпера Квавар — обладают кольцами, а для нескольких известных экзопланет у нас есть свидетельства возможности наличия у них колец.
Но что вызывает появление колец у планеты — откуда они берутся? Оказывается, всему виной космические катаклизмы и столкновения с уже существующими спутниками планет.
Много веков после обнаружения колец у Сатурна астрономы обоснованно полагали, что нет ничего особенного в том, что мы наблюдаем их именно сейчас, в этот конкретный момент времени. Кольца, по крайней мере, в человеческом масштабе времени, казались статичными, что подразумевало их существование в течение чрезвычайно долгого времени: возможно, они существовали столько же, сколько и сама Солнечная система.
Однако если посмотреть на это через призму современной астрономии и астрофизики, такое предположение уже не вписывается в объяснение природы колец Сатурна. (Хотя, что важно, полностью его не исключили). Вместо этого большинство учёных сейчас предпочитают совсем другой сценарий: что основные кольца Сатурна были сформированы совсем недавно, в течение последних ~200 миллионов лет, а возможно, даже всего несколько десятков миллионов лет назад, в результате бурного события, уничтожившего один из его ранее существовавших спутников.
Существует ряд убедительных доказательств, подтверждающих именно такую историю происхождения главных колец Сатурна, и очень важно проанализировать их, если мы надеемся понять другие окольцованные миры, о которых мы знаем в настоящее время. В конце концов, недавнее открытие колец Квавара породило заголовки в СМИ, заявляющие об их «невозможности», но если мы поместим это открытие в надлежащий контекст, то увидим, почему таким заголовкам не стоит верить.
Давайте рассмотрим некоторые сходства и различия между двумя крупнейшими планетами нашей Солнечной системы: Юпитером и Сатурном.
Сами планеты вращаются относительно быстро: Юпитер совершает оборот на 360° каждые 9,9 часа, а Сатурн — каждые 10,5 часа. Однако ось вращения Сатурна наклонена гораздо сильнее, чем у Юпитера: 26,73° против 3,13°.
В то время как орбиты всех очень массивных спутников Юпитера отклоняются в пределах <1° от плоскости орбиты Юпитера, у Сатурна есть исключения: Япет — второй по величине спутник – вращается по орбите, плоскость которой отклоняется более чем на 15° от плоскости орбиты самой планеты.
И если у Юпитера имеется тонкая система едва различимых в видимом свете колец, то кольца Сатурна сияют ярким блеском и гораздо больше как по физическим размерам, так и по массе. Фактически, по оценкам массы колец обоих миров, кольца Сатурна в 1000 раз массивнее колец Юпитера, а возможно, и в 100 000 000 раз. Кольца Юпитера состоят в основном из пылевого материала, который, похоже, соответствует составу некоторых из его близлежащих спутников, но кольца Сатурна невероятно хорошо отражают свет: они почти полностью состоят из водяного льда.
Внутри колец Сатурна можно обнаружить множество небольших спутников и микролун — таких как Дафнис. Эти объекты, вероятно, образовались в результате аккреции мелких частиц, а затем разрушились в результате столкновений с другими микротелами и приливных сил планеты.
Но самое тревожное из сегодняшних знаний о кольцах Сатурна состоит в том, что они довольно быстро исчезают. Тому способствуют целых два процесса, работающих достаточно эффективно для того, чтобы помочь кольцам Сатурна испариться.
1. Ионный кольцевой дождь: Это явление возникает, когда ультрафиолетовый свет Солнца падает на молекулы водяного льда внутри колец. Эффект может усиливаться при столкновениях с метеорными телами, поскольку эти удары создают плазменные облака. Эти реакции возбуждают молекулы и атомы внутри колец, создавая ионы. Электрически заряженная ионосфера Сатурна взаимодействует с этими ионами, ускоряя и отклоняя их в сторону высоких широт вокруг обоих полюсов Сатурна. Это приводит к эффекту, известному как «кольцевой дождь», и вызывает распад главных колец по всему их объёму.
2. Экваториальные пыле-ледяные осадки: Это явление было обнаружено в конце миссии «Кассини», когда космический зонд проходил через пространство между кольцами и самой планетой. Приборы «Кассини» обнаружили, что частицы внутреннего кольца активно падают на экватор планеты. Среди них были вода, метан, азот, углекислый газ, а также силикаты и органические (углеродсодержащие) соединения.
Объединив наблюдаемые скорости протекания этих двух процессов разрушения колец, мы можем оценить, сколько времени потребуется для распада оставшихся колец, а также как давно они появились. Вывод заключается в том, что эти кольца, скорее всего, появились не более ~100 миллионов лет назад и практически полностью исчезнут в течение следующих ~100 миллионов лет.
Люди часто задаются вопросом, почему кольца Сатурна не слились в новый спутник. Аналогичный вопрос, и с очень похожим ответом, звучит так: почему пояс астероидов также не слился в одну массивную планету? Ответ связан с тремя факторами:
- общая масса колец/поля обломков,
- гравитационное влияние других объектов на орбите,
- стабильность (или нестабильность), присущая маленьким частицам, которые пытаются вырасти в более крупные тела.
При большом количестве материи крупный гравитационно связанный объект образуется относительно легко. Однако при меньших объёмах материи объединиться в единый объект становится сложнее. Несмотря на тысячи и тысячи массивных тел, масса пояса астероидов составляет всего около 3% массы Луны, а главные кольца Сатурна — всего 41% массы Мимаса, который сам по себе является лишь 7-м по величине спутником Сатурна.
И наконец, когда мы смотрим на внутреннюю часть колец Сатурна, мы обнаруживаем большое количество спутников, которые проделывают бреши в кольцах, но которые существуют недолго – вскоре их либо разорвёт на части приливными силами Сатурна и окружающих тел, либо их ударит относительно быстро движущаяся пылинка, способная разнести эти спутники в щепки и вернуть их обломки обратно в главное кольцо.
Спутник Сатурна, Энцелад, очень хорошо отражает свет, поскольку покрыт толстой коркой водяного льда с трещинами по всей поверхности и гейзерами, выходящими из южного полюса. Энцелад – источник материи для Е-кольца Сатурна, видимого на фото в отражённом солнечном свете. Фото сделано «Кассини».
У Сатурна также есть два других кольца, находящиеся за пределами основных колец и, возможно, совсем другого происхождения.
Одно из них — кольцо Е, которое образовано одним из самых необычных спутников Сатурна: Энцеладом. Энцелад – спутник с самым большим коэффициентом отражения в Солнечной системе, почти полностью состоящий из водяного льда. Извергающиеся с его южного полюса гейзеры состоят в основном из солёной воды, песка, аммиака и органических молекул. Эти материалы растягиваются на орбите вокруг Сатурна, образуя нестабильное кольцо, которое существует только благодаря постоянному пополнению с Энцелада. Это позволяет предположить, что Энцелад может быть довольно молодым и, возможно, даже сформировался после того события, которое привело к образованию основных колец Сатурна.
Второе кольцо Сатурна — кольцо Феба, которое возникает благодаря спутнику Феба, который сам представляет собой захваченное телом — вероятно, из пояса Койпера. Пемзоподобный спутник Феба богат летучими веществами, которые испаряются и выкипают, образуя большой кольцеобразный ореол внутри и снаружи орбиты Фебы. Эти частицы мигрируют внутрь из-за переизлучения солнечной радиации и ответственны за резкое потемнение ведущего полушария внутреннего спутника Сатурна, Япета.
На данный момент неизвестно, появились ли кольца Сатурна в результате удара внешнего тела по уже существовавшему спутнику Сатурна (подобные, хотя и менее сильные удары образовали гигантские кратеры на Тефии и Мимасе), или же спутник разорвали приливные гравитационные силы Сатурна. Однако в любом случае кольца Сатурна относительно молоды, и они не просуществуют долго (в космических масштабах).
Логично предположить, что множество подобных событий происходило на протяжении всей истории Солнечной системы, особенно вокруг газовых гигантов, с большим количеством спутников, сильным гравитационным притяжением и множеством возможностей для захвата цели. Легко представить, что каждый из газовых гигантов может порождать собственную систему колец, которая время от времени обогащается материалом в результате разрушения спутника.
Но известны и миры поменьше, каменно-ледяные, также обладающие кольцами. Во всех известных нам случаях было бы привычнее обнаружить у них спутники, но не кольца.
Один из таких миров — Хирон: астероид, вращающийся вокруг Солнца между орбитами Сатурна и Урана. Обладая свойствами, находящимися где-то в промежутке между свойствами астероида и кометы, Хирон был первым из объектов, обнаруженных вне орбиты Юпитера, но внутри орбиты Нептуна: позже такие объекты прозвали кентаврами. У него и у другого кентавра, Харикло, есть собственные кольца. Мы видим их, когда они пересекают линию прямой видимости звезды, приглушая её свет.
Возможно, эти кольца порождают имеющиеся у кентавров спутники (но необязательно). А может быть, эти кольца – останки бывших спутников, разрушенных в результате столкновений.
Существует гравитационное явление, способное разрушить орбитальные тела и превратить их в кольца из обломков: оно проявляет себя, когда массивный объект приближается к пределу Роша. Если вторичный объект вращается слишком близко к первичному объекту, приливные силы, действующие на меньший объект, разрывают его на части, сначала превращая в кольцо, которое затем падает на более крупное тело. У карликовой планеты Хаумеа, расположенной в поясе Койпера, есть кольцо, соответствующее диаметру этого предела, а у спутника Сатурна Япета есть среднеэкваториальный хребет: это наводит на мысль о том, что у Япета был собственный спутник, который сначала вращался вокруг него, а потом был разрушен приливными силами, упал на него и породил уникальный хребет.
Кольцо Квавара вызывает у астрономов интерес потому, что оно находится довольно далеко от родительского тела: в несколько раз дальше, чем предел Роша. И всё же это определённо кольцо. Однако пока неизвестно:
- является ли это кольцо переходным, образовавшимся в результате удара или другого разрушительного события,
- стабильно ли это кольцо, и не пополняют ли его материей дополнительные, до сих пор не обнаруженные спутники,
- или же это кольцо активно формируется в результате какого-то нагрева и выпаривания/возгонки летучих веществ.
Спутники относительно крупных и массивных тел, а также у астероидов и объектов пояса Койпера — обычное явление. Шесть крупнейших объектов пояса Койпера — Эрида, Плутон, Гун-гун, Макемаке, Хаумеа и Квавар — все могут похвастаться спутниками, причём кольца Квавара вращаются в пределах орбиты его спутника Вейвота. Необычно, что кольцо Квавара сильно варьируется по яркости и толщине. Либо, как в случае с Энцеладом и кольцом Е Сатурна, существует объект, который выбрасывает газы и подпитывает кольцо, либо набор резонансов между кольцами и внешним спутником (которые вращаются с частотой 6:1) управляет его структурой, предотвращая слияние материи в единое тело.
Независимо от того, какое объяснение верно, ясно одно: существует одна и только одна причина всех наблюдаемых кольцевых систем в нашей Солнечной системе, и эта причина – космические катаклизмы. Иногда эти катаклизмы вызываются столкновениями с внешними телами, иногда — приливными силами родительского тела, а иногда — гравитационными и приливными силами других спутников в пределах орбитальной системы. Спутники могут разрушаться как сразу, так и постепенно, и могут порождать кольца и системы колец, которые могут сохраняться в течение чрезвычайно длительных периодов времени.
Если бы человечество смогло взглянуть на нашу Солнечную систему через миллиард лет или заглянуть на миллиард лет назад, мы увидели бы нечто сильно отличающееся от того, что мы видим в настоящее время. Кольца Сатурна могли бы быть такими же редкими и нестойкими, как те, что сейчас есть у Юпитера. Энцелад и кольцо Е мы могли бы не увидеть — их, скорее всего, не было миллиард лет назад и, возможно, уже не будет через миллиард лет. У других гигантских миров могут быть более заметные кольца. А некоторые из сегодняшних спутников могут погибнуть, превратившись в кольца, а затем полностью исчезнув.
