Юпитер, Сатурн, Уран, Нептун. Что объединяет все эти четыре планеты Солнечной системы? Конечно, кроме того, что у них есть спутники. Кольца! Каждую из четырех планет окружает система уникальных плоских колец, образованных из пыли и льда.  

Чтобы разглядеть, например, кольца Сатурна, достаточно бинокля, а чтобы увидеть их у Юпитера, Урана и Нептуна потребуется большой наземный телескоп, а еще лучше космический аппарат. У последних трех планет кольца слишком тусклые, поэтому нужна мощная оптика. 

Открытия ученых показывают, что в Солнечной системе кольца встречаются не только у планет, но и у некоторых спутников (на это указывают косвенные свидетельства), а еще у карликовых планет и астероидов (уже открыты). Кольца открывают и у миров, которые находятся за пределами Солнечной системы. 

Давайте же познакомимся с этими необычными структурами. 

Юпитер

Когда открыли: Ученые предполагали, что у Юпитера есть система колец, еще в 1960-х годах. Первыми такую гипотезу выдвинули советские астрономы во главе с Сергеем Всехсвятским. Ученые исследовали дальние точки орбит некоторых комет и высказали предположение, что эти кометы, скорее всего, происходят из кольца Юпитера. Само же кольцо, по их мнению, могло образоваться в результате вулканической деятельности спутников газового гиганта. 

[Статья по теме: Молнии на Юпитере — неразгаданная тайна]

Пройдут десятилетия, и к Юпитеру отправят космические зонды, которые подтвердят гипотезу советских астрономов. Ученые получат неопровержимые доказательства наличия у газового гиганта системы колец в 1979 году, во время пролета мимо планеты аппарата «Вояджер-1».  

Телевизионная камера зонда сделает снимок с 11-минутной экспозицией, на котором астрономы увидят широкую светлую полосу, пересекающую центр фотографии. Это и будет юпитерианское кольцо. 

Этот снимок — первое свидетельство существования колец у Юпитера. В момент съемки «Вояджер-1» и кольцо разделяли 1,2 млн. км. 

Чуть позже, в 1990-х — начале 2000-х, другой зонд — «Галилео», более подробно исследует систему колец газового гиганта. Аппарат выявит источник и природу их образования.

Структура: Юпитер окружают четыре кольца, по крайней мере, пока именно столько известно ученым:

— кольцо-гало — самое близкое к планете;

— тонкое и относительно яркое Главное кольцо;

— два широких и слабых внешних кольца, которые известны как «паутинные кольца» — Амальтея и Фивы;

Состав и происхождение: «Галилео» выяснил, что система колец Юпитера в основном состоит из льда и крошечных частиц пыли, выбитой межпланетными метеороидами с поверхности четырех малых внутренних спутников газового гиганта. Благодаря данным аппарата ученые узнали, что из-за электромагнитных сил юпитерианской магнитосферы пыль покидает кольца, а льды быстро испаряются. Среднее время «жизни» частиц в кольце от 500 до 1000 лет. Поэтому материал колец должен постоянно пополняться. Основные поставщики материала — малые спутники Юпитера — Адрастея, Метида, Амальтея и Фива. Ученые предполагают, что возраст колец — менее 1 млн. лет.

Размер: Главное кольцо расположено на расстоянии около 125 тыс. км от центра планеты, его ширина составляет 7 тыс. км; оно окружено орбитами двух малых спутников Юпитера — Адрастеи и Метиды. Постепенно с внутренней стороны Главное кольцо перетекает в кольцо-гало, которое представляет собой широкий слабый тор материала толщиной 12 тыс. — 20 тыс. км. Оно находится на расстоянии около 100 тыс. км от центра Юпитера. С внешней стороны Главного кольца начинается широкое и чрезвычайно слабое паутинное кольцо Амальтея.

Внутреннее паутинное кольцо простирается до орбиты спутника Амальтеи, его толщина составляет почти 2 тыс. км, ширина 53 тыс. км. Внешнее паутинное кольцо Фива более широкое, его ширина 97 тыс. км, оно, в основном, лежит внутри орбиты одноименного спутника. Толщина паутинного кольца Фивы чуть более 8 тыс. км.

Сатурн

Когда открыли: Кольца Сатурна достаточно яркие, чтобы их можно было увидеть с Земли. Первым их наблюдал Галилео Галилей в 1610 году с помощью своего телескопа с 20-кратным увеличением. Однако итальянский астроном до конца не был уверен, что именно он видит. В своем дневнике он писал вовсе не о кольцах, а о «тройном Сатурне с двумя придатками неизвестной природы по бокам». Ученые предполагал, что «придатки», скорее всего, спутники Сатурна, либо его «рукава».

Только спустя 49 лет другой астроном, Христиан Гюйгенс, сделает правильный вывод. Кольца, окружающие планету, голландский ученый увидит в свой телескоп-рефрактор с 50-кратным увеличением.

Из четырех космических аппаратов, которые когда-либо посещали Сатурн, наиболее детальное исследование системы колец газового гиганта провел зонд NASA «Кассини». Аппарат изучал планету и ее кольца с 2004 по 2017 гг.

Структура: У Сатурна шесть основных колец. Первые три, A, B, C, хорошо различимы с Земли, остальные — D, E, F — тусклые, увидеть их с помощью наземного телескопа достаточно сложно. 

Основные кольца названы латинскими буквами в порядке их открытия. Ближе всего к Сатурну находится кольцо D, затем идут кольца C, B, A, F, G и, наконец, E. За кольцом E лежат еще более тусклые кольца, в том числе самое большое юпитерианское кольцо — кольцо Фебы. Диаметр этой структуры больше 10 млн. км. Чтобы представить, насколько это кольцо огромно, посмотрите на иллюстрацию ниже, на ней схематично изображен гигантский размер кольца Фебы в сравнении с самой планетой.

Кольцо Фебы ученые открыли только в 2009 году. Помог сделать открытие инфракрасный космический телескоп «Спитцер».

Система колец Сатурна напоминает виниловую пластинку с многочисленными тонкими колечками, между которыми есть так называемые щели, полностью свободные от частиц. Таких щелей десятки. Например, между кольцами A и B находится щель Кассини, ее можно увидеть в телескоп с Земли. 

Спутники-«пастухи»: В системе колец Сатурна находятся спутники-«пастухи», которые взаимодействуют с кольцами и формируют их. Это внутренние спутники газового гиганта, они движутся между кольцами и не позволяют крайним частицам кольца разлетаться в стороны. Благодаря своему гравитационному воздействию спутники-«пастухи» могут собирать частицы или отклонять их с первоначальной орбиты, изменять либо создавать новую траекторию их движения. Такое поведение «пастухов» может создавать щели. 

На 2022 год известны 8 спутников-«пастухов» Сатурна. Это Атлас, Прометей, Пандора, Дафнис, Янус, Пан, Эгеон, Эпиметей. 

Пан, например, один из самых маленьких внутренних спутников Сатурна, его диаметр составляет всего 14 км. Он движется внутри щели Энке внешнего кольца A, и, воздействуя своей гравитацией, создает вихревые полосы в кольце. Так как частицы кольца двигаются по своим орбитам быстрее, чем Пан, и находятся ближе к планете, каждый раз, минуя спутник, они получают от него «гравитационный удар». Этот удар вызывает волны в щели, расширяя кольцо на сотни километров.

Состав и происхождение: Все кольца Сатурна состоят в основном:

— из пород, вероятно, образованных в результате разрушения одной или нескольких комет, астероидов, либо спутников, которые развалились на части под действием гравитации газового гиганта. 

— пыли;

— кусков льда разных размеров: от крошечных льдинок до глыб в несколько метров в поперечнике.

Эти частицы движутся практически с одинаковыми скоростями: около 10 км/с, их скорости так хорошо уравнены, что соседние частицы кажутся неподвижными по отношению друг к другу.

Данные миссии «Кассини» показывают, что кольца относительно молоды, им от 10 до 100 млн. лет, а это значит, что они могли появиться во времена господства динозавров на Земле.

Размер: Основные кольца Сатурна простираются от центра планеты на расстояние 413 тыс. км. Если принять во внимание кольцо Фебы, расстояние увеличивается до 12 млн. км. Кольца довольно тонкие, в некоторых местах их толщина не превышает 10 метров.

Уран

Когда открыли: Кольца Урана ученые открыли в 1977 году с помощью воздушной инфракрасной обсерватории Койпера. Причем, сделали это случайно. Исследователи планировали провести наблюдения атмосферы Урана во время прохождения планеты перед звездой SAO 158687. Однако, анализируя полученные данные, специалисты обнаружили уменьшение блеска звезды еще до того, как перед ней должна была пройти сама планета. В результате ученые открыли девять колец Урана.

Чуть позже, в 1986 году, астрономы получили первый снимок этих колец. Фотографию сделал зонд «Вояджер-2» с расстояния 236 000 км. 

После этого за кольцами не раз наблюдали с Земли и из космоса посредством космического телескопа «Хаббл». С 1986 по 2005 год, астрономы открыли еще 4 кольца Урана. 

Структура: По состоянию на 2022 год у Урана открыто тринадцать колец, их назвали буквами греческого алфавита: 1986U2R/ζ, 6, 5, 4, α, β, η, γ, δ, λ, ε, ν, μ. 

Первые одиннадцать колец — внутренние кольца: ζ (Дзета), 6, 5, 4, α (альфа), β (бета), η (эта), γ (гамма), δ (дельта), λ (лямбда), ε (эпсилон). Это плотные, узкие и далеко отстоящие друг от друга угольно-черные структуры. Узкие, черные и каменистые внутренние кольца Урана — полные противоположности светлым и широким снежным кольцам Сатурна. Помимо того, что они в тысячу раз уже сатурианских, они еще и очень темные, причем, настолько, что в отличие от ярких колец Сатурна, наблюдаемых на протяжении не одного столетия в примитивные телескопы, кольца Урана не удавалось разглядеть в наземный телескоп вплоть до конца XX века.

Остальные два кольца — внешнее: ν (Nu) и μ (Mu). Внешние кольца отличаются от внутренних узких колец. Они очень тусклые и широкие, их ширина составляет от 3800 км до 17000 км.

Спутники-«пастухи»: На 2022 год у Урана открыто 27 спутников, все они названы в честь персонажей произведений Уильяма Шекспира и Александра Поупа. У Урана есть 13 внутренних спутников, они передвигаются по орбитам, которые лежат внутри орбиты самой близкой луны Урана Миранды. 

Все внутренние спутники тесно связаны с кольцами планеты. Например, два ближайших к планете внутренних спутника Корделия и Офелия являются «пастухами» кольца ε, а спутники Маб и Пак, вероятно, “подпитывают” материалом наиболее удаленное кольцо μ. 

Все внутренние спутники — темные объекты. Эти луны состоят из водяного льда с примесью темного материала. Небольшие внутренние спутники постоянно возмущают орбиты друг друга, в результате таких возмущений они могут выходить на пересекающиеся орбиты и сталкиваться друг с другом. 

Состав и происхождение: Кольца Урана в основном состоят из мелких частиц пыли, водяного льда, также в их состав может входить углерод. Узкие кольца планеты могут состоять из частиц размером от сантиметра до метра. 

Кольцевая система Урана, вероятно, сформировалась из материала, выброшенного в пространство после столкновения спутников, когда-то обращавшихся вокруг планеты. Произошло это сотни миллионов лет назад, возможно, и гораздо позже.

Размер: Ширина колец начинается от 1 км (кольцо λ) до 17 000 км (кольцо μ). Все кольца находятся на расстоянии от 32 000 км до 100 000 км от планеты. 

Нептун

Когда открыли: Идеи о том, что у Нептуна есть кольца, ученые  высказывали еще в середине XX века. В 1984 году французский астроном Андрэ Браик провел наблюдения планеты и обнаружил, что при прохождении ледяного гиганта на фоне далекой звезды свет от нее трижды перекрывался какими-то объектами, расположенными на одном и том же расстоянии от Нептуна. Эти объекты назвали дугами, их стали считать участками не сформировавшегося кольца. 

Спустя пять лет астрономы наконец-то получили подтверждения, что у Нептуна есть система колец. В 1989 году фотографию этих структур сделал зонд «Вояджер-2».

Оказалось, что кольца Нептуна очень темные, отражают менее 3% падающего на них света. Но вот при взгляде «сзади», с неосвещенной стороны, кольца выглядят гораздо светлее.

Структура: Нептун окружают пять основных колец. Ближе всех к планете расположено кольцо Галле, затем идут кольца Леверье, Ласселл, Араго и Адамса.

Внешнее кольцо Адамса содержит пять дуг, или арок, получивших названия «Храбрость», «Свобода», «Равенство 1», «Равенство 2», «Братство». Эти дуги представляют собой сгустки материала. Существование нептуновских дуг озадачило ученых, потому что законы механики предсказывают, что они должны были бы за достаточно короткое время объединиться в однородное кольцо, но этого не произошло. 

Считалось, что причина, по которой дуги удерживаются в наблюдаемом положении, — гравитационное влияние спутника Нептуна Галатеи. Луна обращается вокруг планеты вблизи от внутренней границы кольца Адамса. Однако новые исследования показали, что влияние гравитации Галатеи недостаточно для того, чтобы удерживать дуги в том положении, в котором они находятся сейчас. Значит, там должен быть еще один спутник. Ученые предполагают, что этот спутник очень мал, его диаметр может не превышать 6 км; из-за столь малых размеров его пока еще не открыли.

Спутники-«пастухи»: Как и у других планет-гигантов, у Нептуна есть свои внутренние спутники, которые взаимодействуют с кольцами. Всего таких лун семь: Наяда, Таласса, Деспина, уже известная нам Галатея — спутник узкого кольца Адамса, разбитого на дуги, Ларисса, Гиппокамп и Протей. 

Луны Деспина, Наяда и Таласса вращаются между кольцами Галле и Леверье и оказывают влияние на них. Наконец, Ларисса, Гиппокамп и Протей вращаются на окраинах кольцевой системы.

Состав и происхождение: Система колец Нептуна, вероятно, сформировалась вместе с планетой миллиарды лет назад из остатков околопланетного облака материи. Состоят из очень мелких темных пылинок, ледяных частиц, покрытых силикатами или основанным на углероде материалом. Кольца и дуги имеют красноватый оттенок, скорее всего, такой цвет им придает углеродистый материал. 

Размер: Первое кольцо Галле широкое, оно расположено на расстоянии 41 900 км от центра Нептуна. Затем идет узкое Леверье, находится от Нептуна на расстоянии 53 000 км, далее идет снова широкое кольцо Ласселла, удалено от планеты на расстояние 55 400 км, после расположено Араго на расстоянии от Нептуна в 57 200 км, и, наконец, узкое кольцо Адамса, которое расположено в 62 000 км от Нептуна. 

Кольцо Ласселла самое широкое в системе колец Нептуна, его ширина составляет 4000 км. Самое узкое — кольцо Адамса, ширина этой структуры не превышает 50 км. 

Кольца у спутников и астероидов Солнечной системы

Планеты — не единственные тела в Солнечной системе, у которых есть кольца. Еще системы колец встречаются у спутников, астероидов, карликовых планет. 

В 2013 году ученые открыли два кольца у астероида Харикло. Это достаточно плотные и узкие кольца, их ширина 7 км и 3 км, а разделяет две структуры щель шириной 9 км. Первое кольцо расположено на расстоянии 391 км от центра астероида, второе — на расстоянии 405 км.

Харикло является крупнейшим представителем кентавров — группы астероидов, которые вращаются между орбитами Юпитера и Нептуна. Диаметр Харикло 250 км. 

В 2015 году группа астрономов из Испании предположила, что кольца есть и у другого кентавра — Хирона. Гипотеза ученых основана на аномалиях яркости астероида, которые возникают во время прохождения Хирона на фоне звезд. Эти аномалии, предполагают специалисты, вызываются кольцами, которые могут находиться на расстоянии 324 км от центра кентавра.

В 2017 году ученые открыли кольцо вокруг карликовой планеты Хаумеа, которая находится в поясе Койпера за орбитой Нептуна. Ширина кольца примерно 70 км, радиус 2000 км — 2500 км.

В Солнечной системе кольца не редкость, они могут быть у многих космических тел. 

Например, ученые предполагают, что структуры из ледяных глыб имели спутники Сатурна Япет и Рея, но затем, по неизвестным пока науке причинам, кольца упали на поверхность. Вероятно, горный хребет на Япете сформировало именно упавшее на поверхность кольцо.

Возможно, пылевые кольца через несколько миллионов лет появятся у Марса, к образованию колец может привести падение спутника Фобоса на марсианскую поверхность. 

Некоторые астрономы выдвигали гипотезу, что слабое пылевое кольцо должно быть и у Плутона, по крайней мере, об этом говорили расчеты. Но зонд «Новые горизонты», который пролетел мимо Плутона в 2015 году, эту гипотезу опроверг.

Кольца у экзопланет

Все чаще ученые выдвигают версии, что многие экзопланеты могут быть окружены кольцами, похожими на те, что астрономы наблюдают в нашей Солнечной системе.

Пока что такие кольца открыты только у одной экзопланеты — у Супер-сатурна 1SWASP J1407 b. Это газовый гигант, который может быть вовсе не экзопланетой, а коричневым карликом. Он имеет массу равную почти 26 массам Юпитера* и вращается вокруг гигантской звезды J1407 на расстоянии 434 световых лет от Земли. 

У 1SWASP J1407 b ученые насчитали 30 колец, каждое имеет радиус в десятки миллионов километров; для сравнения, радиус самого большого кольца Сатурна всего лишь около 480 000. км. Если бы у Сатурна были такие же большие кольца, мы наблюдали бы их в нашем ночном небе так же близко, как и Луну.

Так почему же ученые нашли кольца пока что только у одной экзопланеты? Возможно, у большинства экзопланет эти структуры слишком тусклые, чтобы их можно было легко обнаружить, а у 1SWASP J1407 b кольца оказались гораздо ярче. Специалисты продолжают улучшать методы обнаружения колец, и, вероятно, совсем скоро мы узнаем и о других экзокольцах.

*массу экзопланет измеряют массой Юпитера, потому что это самая крупная планета нашей системы

Смотрите нас на youtube, читайте в Telegram. Следите за всем новым и интересным из мира науки на нашей страничке в Google Новости