01.02.2018 21:37 1617

Почему у Сатурна есть кольца?

Планета Сатурн является второй по величине планетой в нашей солнечной системе и шестой по удалённости от Солнца. Вам ребята наверняка знакома эта планета из-за загадочных колец, которые окружают Сатурн.

А что представляют эти кольца и зачем они нужны?

Сейчас мы это узнаем.

Кольца Сатурна окружают планету в районе экватора – то есть посередине планеты. Их диаметр составляет приблизительно 250000 км. При этом толщина колец всего лишь 1.5 км.

Впервые кольца Сатурна увидел в телескопе итальянский астроном Галилео Галилей в 1610. Но он предположил, что видит не известные выпуклости по бокам планеты. То, что у Сатурна есть кольца, предположил нидерландский астроном Христиан Гюгенс, рассматривая планету в более мощный телескоп .

Самые большие по размеру кольца учёные обозначили буквами A,B и C. После них были обнаружены ещё три кольца. Их астрономы назвали D, E и F. На сегодняшний день учёные изучают Сатурн с помощью искусственного спутника Кассини. Им удалось открыть ещё много колец у этой необычной планеты!

Кольца Сатурна состоят из кусочков льда и камней. Их размеры могут быть с футбольный мяч, а могут с двухэтажный дом! Солнечные лучи попадая на ледяные камешки отражаются и в космосе образуется необычное сияние. Поэтому кольца Сатурна такие яркие, что их можно увидеть в телескопе.

Нет точного ответа на вопрос, как эти кольца образовались. Учёные предполагают, что когда-то Сатурна столкнулся с большим космическим телом. Возможно одним из своих спутников. При ударе Сатурн не пострадал, а вот другое космическое тело разлетелось на множество осколков. Теперь эти осколки вращаются вокруг планеты благодаря силе притяжения Сатурна. Есть предположение, что кольца Сатурна – это осколки его бывшего спутника. Из-за воздействия сил притяжения Сатурна спутник разрушился, а его осколки стали вращаться вокруг планеты. Некоторые учёные предполагают, что окружающие Сатурн астероиды и кусочки льда – это остатки околопланетного облака (космическая пыль). Из его внешних частей получились спутники Сатурна, а внутренние части остались в виде колец.

Кстати, а вы знали, ребята, что кроме Сатурна кольца есть ещё у Юпитера, Урана и Нептуна. Но они не такие большие и не такие яркие. Увидеть их можно только в очень мощный телескоп.

Вот как они выглядят:

Кольца Сатурна необычайно тонки: хотя их диаметр около 250,000 км, их толщина не превышает 1.5 километров. Сатурн окружают три кольца (А, B и C), которые, как и экватор планеты, наклонены к плоскости ее орбиты под углом 26°45’. Есть и более слабые кольца – D, E, F. При ближайшем рассмотрении колец оказывается еще больше.

Внутренние части колец вращаются быстрее внешних.

Внешнее кольцо отделено от среднего темным промежутком - щелью Кассини. Среднее кольцо - самое яркое. От внутреннего кольца оно тоже отделено темным промежутком. Внутреннее темное и полупрозрачное кольцо называется креповым. Край его размыт, кольцо постепенно сходит на нет.

Эти кольца состоят из пыли, кусков льда и камней. Их размеры колеблются от сантиметра до нескольких метров.

Почему кольца плоские? Их форма - это результат действия двух сил: гравитационной (притяжения) и центробежной. Гравитационное притяжение стремится сжать их со всех сторон. Вращение колец препятствует сжатию поперек оси вращения, но не может помешать ее сплющиванию вдоль оси.

Откуда они появились? На этот счет существует две гипотезы.

Согласно первой теории, кольца появились в результате крушения неосторожного спутника, кометы или астероида, приблизившегося к Сатурну. Разрушение «чужеродного» тела могло произойти из-за влияния приливных сил гигантского Сатурна, буквально разорвавшего его "на клочки" своим мощным притяжением. Расчеты показали, что если бы спутник и образовался на таком расстоянии, на котором находятся кольца, то он был бы разорван под действием приливной силы на мелкие осколки.

По другой гипотезе, кольца Сатурна - это остатки огромного околопланетного облака. Из внешних областей этого облака сформировались спутники, а внутренние все еще пребывают в раздробленном состоянии, то есть в виде колец. Они не смогли сформировать спутники из-за непостоянного притяжения Сатурна, слишком беспорядочно вращались и соударялись, и из-за этого постоянно дробились, так что дошли до такого рыхлого состояния, что рассыпаются от малейшего толчка.

А знаете ли вы...

Первым кольца Сатурна обнаружил Галилео Галилей в 1610 году. Он увидел в свой телескоп очень расплывчатое изображение: Сатурн имел как бы два уха, или придатка: кольца Сатурна выглядели двумя туманными пятнами по бокам планеты. Галилей подумал, что это могут быть большие спутники: «Отдалённейшую из планет наблюдал тройною». По образному выражению Галилея, придатки напоминали «двух слуг, которые поддерживают старика Сатурна (бога времени у древних римлян) в его утомительном пути по небу».

Кроме колец Сатурн имеет 62 спутника. Самый известный и крупный – Титан. Это единственный спутник в Солнечной системе, на котором обнаружена атмосфера.

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.

м ногие знают о том, что у Сатурна есть кольца, но мало кто знает, что они из себя представляю т. Есть три главных кольца, которые прекрасно видно с Земли. Три других тоже видно, но значительно слабее. Остальные кольца не видны с нашей планеты.

Все кольца Сатурна – это огромные глыбы льда. Интересно, что длина колец достигает 400 тысяч км, а их ширина может равняться всего нескольким десяткам метров. Скорость движения всех глыб – около 10 километров в секунду.

Внешний вид колец меняется ежегодно, так как они наклонены к орбите планеты на 26 градусов. Это объясняет то, почему иногда кольца кажутся нам широкими, а иногда становятся чуть различимой полосой.

Кольца Сатурна на протяжении всей истории будоражили умы учёных.

• Кант говорил, что они имеют тонкую структуру.
• С. Лаплас утверждал, что самый широкий пояс изо льда является неустойчивым.
• А в прошлом веке астрономы нашли десять колец около планеты.
• Д. Максвелл доказал, что неустойчивы не только широкие кольца.
• Ж. Кассини выдвинул теорию, что пояса вокруг Сатурна имеют метеорное происхождение.

В продолжение 29,5 лет с Земли 2 раза было видно максимально «широкие» кольца, и ещё 2 раза – максимально «тонкие». Известно, что ширина колец варьируется и составляет от 10 см до 10 км. Наиболее близко удалённые к планете частицы пыли и льда остаются неподвижными, касательно неё.

Информация с Вояджеров.

Первые данные с Вояджер-1 показали, что кольца Сатурна имеют небольшие цветовые различия. Особенно интересно выглядят так называемые «спицы» — тёмные образования, пересекающие кольца в некоторых частях. Интересно то, что внутренний край кольца, расположенный у основания спицы, вращается быстрее в сравнении с внешним краем у вершины спицы.

Благодаря Вояджеру было выявлено, что каждое кольцо Сатурна включает в себя несколько узких колец.

• Самое яркое из колец – B. Оно же обладает наибольшей плотностью вещества.
• Кольцо С менее яркое из всех.
• Кольцо F имеет форму эллипса и образовано из нескольких отдельных «прядей».

Пояс изо льда, названный G, располагается около спутников S-11 и S-10.
Вся система колец планеты является стабильной. Но, несмотря на это, глыбы льда могут изгибаться внутри системы в различных направлениях – эллипс, спираль и другие волны.

Почему на Сатурне образовались кольца?

Ранее считалось, что к нему приблизился спутник, который был разорван на кусочки. Сейчас все знают, что кольца – это околопланетное облако, простирающееся на огромные расстояния вблизи планеты. Из внешней части данного облака были сформированы спутники. То, что кольца сплющенные – результат воздействия двух сил – центробежной и гравитационной.

Отличие Сатурна от остальных планет Солнечной системы видно сразу: его кольца несопоставимо больше, чем кольца любой другой планеты нашей системы. Это очень необычно по целому ряду причин.

Во-первых, почти все имеющиеся теоретические модели эволюции Солнечной системы предсказывают, что кольца у ее планет должны были образоваться с самого начала. Понятно, что ближе Юпитера у планет кольца типа сатурнианских не выживут: Солнце греет слишком хорошо, поэтому лед испаряется. Кольца у Земли или Марса если и были когда-то, то быстро исчезли. Непонятно другое: почему таких же впечатляющих колец нет у Юпитера, гравитация которого много сильнее, чем у Сатурна, или у Урана с Нептуном, которые куда дальше от Солнца, что, по идее, хорошо для сохранности колец.

Во-вторых, совершенно непонятно, почему кольца Сатурна так блестят. В Солнечной системе не так мало комет, которые покрыты льдом. Но на всех них этот лед довольно темный. Даже если в составе кометы мало пыли, солнечные лучи ее периодически нагревают и лед вокруг пылинок испаряется. Остается грязный комок снега и льда, напоминающий остатки снега на городских улицах весной. А вот водный лед в кольцах Сатурна в основном яркий, блестящий. Ни один расчет не показывает, что он мог бы сохранить этот блеск за 4,5 миллиарда лет, прошедших со времен возникновения нашей системы.

Озабоченные всеми этими вопросами, авторы новой статьи в Science еще пару лет назад задумали очень необычный ход - проверить, с какой скоростью Сатурн пожирает свои кольца. В ходе финальных витков вокруг планеты «Кассини» проскользнул в 3 тысячах километров над верхним слоем облаков Сатурна и в 320 километрах от видимого края кольца D, самого близкого к планете. Аппарат сделал там 22 витка и, используя свой анализатор космической пыли, смог замерить количество заряженных частиц пыли, падающих в атмосферу планеты-гиганта, а также типичные направления, с которых они приходят. Всего удалось захватить 2700 частиц такой пыли, причем большинство из них падало на экватор планеты практически вертикально.

Оказалось, что всего во внутреннем кольце Сатурна образуется примерно несколько тонн нанометровой пыли - за счет соударения и разрушения более крупных частиц. Часть такой пыли, возможно до одной тонны в секунду , падает в атмосферу Сатурна (впрочем, надежно измеренный объем относится только к части экваториальной плоскости планеты и дает всего пять килограммов в секунду).

Темная-темная нанопыль в черном-черном космосе

Что особенно интересно, среди падающих частиц 422 состояли из водного льда и 214 - из силикатов. Это соотношение значительно выше, чем до сих пор показывали все измерения с помощью телескопов. В принципе расхождения с удаленными наблюдениями можно было ожидать. Силикатные частицы, как правило, очень темные, а расстояние между Сатурном и Землей никогда не бывает меньше 1,3 миллиарда километров. Само собой, увидеть нанометровые силикатные частицы темного цвета с такого расстояния куда сложнее, чем яркие частицы водного льда. Открытие указывает на то, что дистанционное изучение небесных тел даже в случае планет Солнечной системы не может заменить исследования «на месте».

Как выяснилось с помощью камеры «Кассини», работающей в ультрафиолетовой части спектра, в атмосфере планеты наблюдаются своего рода «столбы» нейтрального водорода. До наблюдений за нанопылью, падающей из колец, было неясно, откуда они берутся. Но, сочетая одни наблюдения с другими, ученые пришли к выводу, что они хорошо стыкуются. Если заряженные нанометровые частицы пыли падают в атмосферу Сатурна, то они должны там тормозиться, отдавая свою энергию атомам водорода из газовой оболочки планеты. Те в итоге получают большую энергию, что позволяет им «выскочить» над основной частью атмосферы, после чего они снова возвращаются в нее.

На данный момент исследователи еще не пришли к однозначному выводу о том, каков возраст колец планеты. Полученные данные по пыли позволят сделать это только в рамках будущих работ, которые учтут, насколько при таком количестве силикатных частиц в кольцах они должны быть темными - как в сценарии их большой древности, так и в сценарии недавнего появления. Дело в том, что чем дольше лед находится в регионе, богатом пылью, тем большее ее на нем оседает. Судя по полученным приборами «Кассини» данным, силикатной пыли в кольцах больше, чем думали. А значит, объяснить нестерпимую яркость колец из водного льда еще сложнее, чем считалось раньше. Другой механизм оценки возраста колец вытекает из скорости пожирания их атмосферой планеты. Если выяснится, что за миллиарды лет кольцо D, ближайшее к Сатурну, должно было давно истощиться, а оно все еще этого не сделало, гипотеза молодости колец получит еще одно подтверждение.

Почему это важно?

В теории это делает привлекательным другое объяснение: кольца возникли очень недавно и поэтому не успели потемнеть. «Недавно», конечно, только по астрономическим меркам. Некоторые работы предполагают, что появились они как побочный продукт серии столкновений спутников Сатурна, которая случилась около 100 миллионов лет назад. В их ходе какие-то более древние спутники планеты исчезли, а потом из их разбросанного материала сформировались кольца, из материала которых, в свою очередь, возникли новые спутники. Одним из них считается Энцелад, также состоящий главным образом из водного льда, как и сами кольца.

Следует понимать, что если подобные титанические по масштабу события действительно случились всего 100 миллионов лет назад, то это не просто местная история, относящаяся только к шестой планете системы. Дело в том, что орбиты спутников планет-гигантов, как правило, крайне устойчивы - других примеров в Солнечной системе не видно. Чтобы произошло столкновение, должно было случиться что-то большое и не вполне очевидное. Вообще говоря, такое бывает: Солнечная система делает круг вокруг центра нашей Галактики каждые 220 миллионов лет и на этом пути периодически попадает в один из рукавов, где плотность звезд выше, чем между рукавами. Попадая в такое место, система имеет более высокую вероятность сблизиться с другой звездой, а гравитация той способна серьезно дестабилизировать орбиты комет облака Оорта, да и других тел системы. Какие-то из них могут случайно пройти близко от планет, где гравитация постепенно будет сближать их со спутниками или даже самой планетой. 66 миллионов лет назад по такому сценарию крупное тело положило конец эпохе динозавров на Земле. Кто знает, не привела ли подобная цепь событий и к катастрофическому сценарию образования колец Сатурна.

Как «Кассини» «засекретил» длину суток Сатурна

Еще одна недавно вышедшая работа в той же Science посвящена другой загадке планеты - километровым радиоволнам (типичная их длина - несколько километров) большой силы, исходящим от нее и на данный момент не имеющим полных аналогов ни на одном другом известном небесном теле. Оценочная мощность такого излучения для шестой планеты - примерно один гигаватт, что для радиоисточника незвездного происхождения не так мало (у человечества, положим, постоянно работающих радиоисточников сопоставимой мощности пока и близко нет). При этом для земного наблюдателя данные сигналы имеют определенную периодичность - 10−11 часов.

Из-за периодичности, близкой к оценочному периоду сатурнианских суток, сначала астрономы полагали, что источник этого странного излучения - более плотная часть планеты, из которой излучение проходит через атмосферу и попадает в космос. Увы, «Кассини» окончательно похоронил эту гипотезу. Дело в том, что период всплесков этого радиоизлучения в XX веке была замерен «Вояджерами» как равный 10 часам 39 минутам и 24 секундам. А по данным «Кассини» вышло, что период равен 10 часам 45 минутам и 45 секундам. Более того, за годы наблюдений зонд обнаружил, что периоды этого излучения меняются на 1 процент буквально за месяц. Удалось понять только то, что есть прямая связь между силой сигналов и скоростью солнечного ветра (потока протонов и иных частиц от Солнца), и та же скорость как-то влияет и на периодичность километровых волн от планеты.

Надо понимать, что Сатурн радикально больше, например, Земли, и планета такого размера просто не может изменить длину своих суток более чем на шесть минут за десятки лет. Тем более, длина суток не может меняться за месяц или зависеть от скорости солнечного ветра. Стало ясно, что нужно какое-то другое объяснение.

Авторы новой работы воспользовались данными сразу нескольких приборов «Кассини», полученными в 2017 году во время его проходов над областями такого излучения. У них получилось, что излучение по времени четко коррелируется с изменениями в плотностях электронов в районах, близких к регионам существования полярного сияния на Сатурне. Иными словами, выходит, что источник странных километровых волн - события в магнитосфере. Отталкиваясь от количественных данных наблюдений «Кассини», исследователи предварительно «назначили» источником излучения область нестабильности между разными слоями заряженных частиц над зонами полярного сияния. Нельзя сказать, чтобы все с этим излучением стало ясно, но достоверно понятно, что периодичность километровых волн нельзя использовать для определения длины сатурнианских суток. К сожалению, атмосфера планеты имеет меняющуюся скорость, более плотная часть планеты недоступна наблюдениям, поэтому сейчас выяснить точную длину этих суток вообще нереально. Кто знает, быть может, следующий зонд поможет прояснить ситуацию.