Скільки років кільцям Сатурна?

 https://universemagazine.com/wp-content/uploads/2018/10/zaglushka-e1538748301621.png
Володимир Манько

На думку більшості астрономів, найкрасивішою планетою Сонячної системи слід вважати Сатурн. І головною його «прикрасою» є масивна та яскрава кільцева система, яку часом можна роздивитися з Землі навіть у невеликі телескопи. Першим сатурніанські кільця помітив ще у 1610 році Галілео Галілей (Galileo Galilei), але його інструменти давали зображення дуже поганої якості, тому вчений вирішив, що спостерігав просто два великих супутники по обидва боки від планети.

Припущення про «кільцеподібну» природу цього утворення висловив нідерландський астроном Християн Гюйгенс (Christiaan Huygens) після спостережень, виконаних у 1655-56 роках. За 20 років потому італієць Джованні Кассіні (Giovanni Domenico Cassini) вперше розгледів у сатурніанських кільцях проміжок, пізніше названий «щілиною Кассіні». Згодом учені переконалися, що насправді таких проміжків там багато, а у 1787 році французький математик П’єр-Симон Лаплас (Pierre-Simon Laplace) довів, що кільця як суцільне утворення були би нестабільними та швидко зруйнувалися б.

Подальші спектральні дослідження дозволили з’ясувати, що сатурніанська кільцева система складається переважно з крижаних брил розміром від десятків метрів до кілометра, які, зіштовхуючись, утворюють певну кількість дрібного льодяного пилу, а також частинок міліметрових і сантиметрових розмірів. Рухаються ці брили та частинки у повній відповідності до законів Кеплера: чим ближче до Сатурну — тим більша їхня орбітальна швидкість. Неважко зрозуміти, що товщина кілець дуже мала, особливо у порівнянні з шириною, яка лише у їхньої найяскравішої частини сягає 43 тис. км, тобто більше трьох діаметрів Землі. Двічі впродовж «сатурніанського року», який триває 29,5 земних років, вони повертаються до нас ребром, і тоді їх неможливо побачити навіть у найпотужніші телескопи. Але пояснити, чому саме шоста планета отримала таку незвичайну «прикрасу», вчені довго не могли.

Неосвітлена сторона Сатурна та його кільцева система, відзняті у 2013 році космічним апаратом Cassini (Сонце закрите диском планети). Зображення складене зі 141 окремого кадра. Добре видно найбільш зовнішнє кільце, позначене латинською літерою E — воно постійно поповнюється за рахунок сніжинок, які викидають гейзери на сатурніанському супутнику Енцеладі. З Землі його побачити вкрай важко. Джерело: NASA/ESA

Тим часом 10 березня 1977 року під час закриття Ураном далекої зірки астрономи помітили, що перед зникненням за ураніанським диском її блиск п’ять разів трохи зменшився. Та сама картина спостерігалась і після появи зірки. Найкращим поясненням результатів спостережень було припущення щодо наявності у планети системи з п’яти вузьких і дуже темних кілець. Пізніше з’ясувалося, що насправді їх цілих 18, і найбільше з них має радіус майже 100 тис. км.

Найщільніше з кілець Урану можна помітити на цьому зображенні, отриманому з допомогою радіотелескопа ALMA в пустелі Атакама (Чилі) у грудні 2017 року. Джерело: ALMA (ESO/NAOJ/NRAO); Edward Molter, Imke de Pater

У травні 1979 року під час прольоту Юпітеру космічний апарат Voyager 1 вперше сфотографував малопомітні кільця найбільшої планети, а в серпні 1989-го його «брат-близнюк» Voyager 2 відкрив тендітну кільцеву систему навколо Нептуну. Стало зрозуміло, що такі утворення насправді характерні для планет-гігантів, як це й передбачив ще у 1960 році професор Київського університету Сергій Всехсвятський. Але тоді постало інше питання: чому саме у Сатурну кільця виявилися настільки яскравими та масивними?

Речовина у тонких кільцях Нептуна розподілена нерівномірно, що добре видно на цьому зображенні, отриманому зондом Voyager 2. Ці «згущення» пов’язують із гравітаційним впливом нептуніанських супутників. Джерело: NASA

У пошуках відповіді астрономи звернулися до комп’ютерного моделювання і навіть даних археології. Результати проведених досліджень свідчать про те, що на ранніх стадіях еволюції Сонячної системи кільця існували у всіх великих планет, включно з Землею. Спочатку вони складались із залишків протопланетного матеріалу («сировини» для планетоутворення), потім якийсь час поповнювалися речовиною, викинутою з планет у космос під час потужних метеоритних ударів. Але під дією гравітації Сонця і так званого припливного гальмування ці «протокільця» поступово руйнувалися: вони частково випадали на поверхню «батьківських» тіл, а частково розсіювались у космічний простір. Потужна сила тяжіння газових гігантів дозволила їм зберегти значну частину речовини кілець, до якої пізніше «додалися» частинки, утворені під час метеоритних бомбардувань їхніх супутників — саме тому кільцеві системи лежать у площині планетних екваторів.

Але існує ще один спосіб «кільцеутворення», який, наскільки вже зрозуміло, і мав місце у випадку Сатурну. Всі супутники великих планет перебувають під впливом припливних сил з боку центрального тіла, завдяки чому переважна більшість із них постійно повернута до нього однією стороною (як Місяць до Землі). Але на достатньо близькій відстані ці сили стають настільки потужними, що здатні просто розірвати супутник на шматки — особливо якщо він складається з такого «ненадійного» матеріалу, як лід. Подібну можливість прорахував ще в середині XIX століття французький астроном Едуард Рош (Édouard Roche), тому максимальну величину «небезпечного» радіуса орбіти зараз називають межею Роша. Тіло, з уламків якого утворилися сатурніанські кільця, виявилося не таким уже й великим — його маса не перевищувала 3×10¹⁹ кг, тобто воно було більш ніж у 2,5 тисячі разів легшим за наш Місяць.

На ранніх етапах своєї еволюції Земля теж мала кільце з пилу і кам’яних уламків розміром до десятків метрів. Пізніше вони частково розсіялися в космос, випали на поверхню планети та взяли участь у формуванні Місяця. Джерело: dam.mn/westford

Коли ж відбулася «супутникова катастрофа», наслідком якої стала поява у Сатурну його знаменитих кілець? На це питання відповів космічний апарат Cassini, що працював на орбіті навколо шостої планети з 2004 по 2017 рік. Він не лише виміряв масу найяскравішої частини кільцевої системи (зараз вона складає близько 1,55×10¹⁹ кг — це відповідає приблизно половині сумарної маси льодовиків Антарктиди), але й дозволив оцінити швидкість її розсіювання. Знаючи цю швидкість, учені дійши висновку , що фатальний розпад супутника стався трохи більше ніж 100 млн років тому. А ще через сотню-півтори мільйонів років сатурніанські кільця потьмяніють настільки, що стануть майже непомітними з Землі при спостереженнях в оптичні телескопи, хоча в інфрачервоному діапазоні вони «сяятимуть» набагато довше.

Розпаду ще якихось супутників планет-гігантів астрономи наразі не передбачають, але орієнтовно через 30 млн років схожі події розгорнуться в околицях Марсу. Радіус орбіти його найбільшого і найближчого супутника Фобоса щороку зменшується на 2 см, а отже, у певний момент він теж перетне критичну межу й буде зруйнований припливними силами. Після цього Червона планета на декілька мільйонів років отримає власне кільце — щоправда, не таке велике та яскраве, як нинішні кільця Сатурну, але через відносну близькість до Землі та Сонця побачити його буде ненабагато складніше.

Тільки найцікавіші новини та факти у нашому Telegram-каналі!

Долучайтеся: https://t.me/ustmagazine