Кольца Сатурна

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 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»[1] — расшифровка была опубликована в письме Галилея к Джулиано де Медичи[it] 13 ноября 1610 года[2]. В 1612 году кольца были видны с ребра, поэтому они стали незаметны при наблюдении в телескоп, что озадачило Галилея. Позднее они появились вновь[3].

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[1] в своём сочинении «De Saturni Luna observatio nova»[4]. Расшифровку анаграммы он дал в 1659 году в сочинении «Systema Saturnium»: лат. [5] ([1]).

Annulo cingitur, tenui, plano, nusquam cohaerente, ad eclipticam inclinatoКольцом 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[6].

В 1837 году Иоганн Франц Энке заметил промежуток в кольце A, который назвали делением Энке[6]. Через год Иоганн Готтфрид Галле обнаружил кольцо внутри кольца B[7][8], однако его открытие не было принято всерьёз и получило признание лишь после переоткрытия этого кольца в 1850 году У. К. Бондом, Д. Ф. Бондом и У. Р. Дейвсом[9]; его стали называть кольцом C, или креповым кольцом[10].

В своё время Лаплас предположил, что кольца Сатурна состоят из большого числа меньших цельных колечек[10]. 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[10]. В своей единственной астрономической работе, опубликованной в 1885 году, Софья Ковалевская показала, что кольца не могут быть ни жидкими, ни газообразными[11]. Предположение Максвелла было доказано в 1895 году благодаря спектроскопическим наблюдениям колец, выполненными Аристархом Белопольским в Пулково и Джеймсом Эдуардом Килером в обсерватории Аллегейни[12].

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», были открыты кольцо F[13] и кольцо G[14]. Была измерена температура колец: −203 °C на Солнце и −210 °C в тени Сатурна[15]. В 1980 году АМС «Вояджер-1» приблизилась к облачному покрову Сатурна на расстояние 64200 км[16]. По снимкам «Вояджера-1» было установлено, что кольца Сатурна состоят из сотен узеньких колечек[14]. С внешней и внутренней стороны кольца F открыты два спутника-«пастуха», позднее названные Прометей и Пандора)[17]. В 1981 году АМС «Вояджер-2» приблизилась к Сатурну на расстояние 161 000 км от его центра[18]. 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[19].

Затем в 2004 году АМС «Кассини» приблизилась к облачному покрову Сатурна на расстояние в 18 000 км и стала искусственным спутником Сатурна[20]. Снимки «Кассини» являются пока самыми детальными из всех полученных, по ним открыты новые колечки[21]. Так, в 2006 году они были обнаружены на орбитах спутников Паллены[22] и Януса и Эпиметея[23].

Лишь относительно недавно, в 2009 году, с помощью инфракрасного космического телескопа «Спитцер» было открыто самое большое кольцо — кольцо Фебы — диаметром более 10 миллионов километров[24][25].

Также учёные предполагали наличие системы колец у спутника Сатурна Реи, но эта догадка не подтвердилась[25].

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 произошел захват Сатурном последнего из своих изначальных спутников, ставшего гигантским ледяным шаром с твердым 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[27].

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[28].

Вертикальные структуры на внешней части кольца B (фото Cassini, август 2009 года)

Плоскость обращения системы колец совпадает с плоскостью экватора Сатурна[29], 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[30].

Кольца состоят из водяного льда с примесями силикатной пыли[31]и органических соединений. Доля и состав примесей определяют различия в цвете и яркости колец[32]. Размер частиц материала в них — от сантиметров до десятков метров; бо́льшую часть массы составляют частицы размером порядка метра[30]. В некоторых частях колец мелкие частицы состоят из снега[31]. 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)[30]. Общая масса обломочного материала в системе колец оценивается в 3×1019 килограммов[30][25].

Составное изображение колец Сатурна D, C, B, A и F (слева направо) в натуральных цветах по снимкам аппарата Кассини на неосвещённой стороне Сатурна, 9 мая 2007
Страница из книги Х. Гюйгенса 1659 года, на верхнем рисунке показаны изменения вида Сатурна и его колец с Земли на протяжении года на Сатурне.

Поскольку плоскость колец совпадает с плоскостью экватора Сатурна, а он, в свою очередь, сильно наклонён к плоскости орбиты Сатурна — почти на 27 градусов, вид колец с Земли сильно зависит от расположения Сатурна на орбите вокруг Солнца[38] 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 2012 год последние максимальные раскрытия были в 1988 и 2002 гг., исчезновения — в 1995[38] и 2009 гг. До 2016 года раскрытие колец будет увеличиваться, будет виден северный полюс Сатурна и обращённая к нему сторона его колец[39].