Kromě jejich měsíců, mají všechny čtyři obří planety prstence, přičemž každá soustava prstenců se skládá z miliard malých částic neboli „měsíčků“ obíhajících v blízkosti své planety. Každý z těchto prstenců vykazuje složitou strukturu, která souvisí s interakcemi mezi částicemi prstence a většími měsíci. Tyto čtyři prstencové systémy se však od sebe navzájem velmi liší hmotností, strukturou a složením, jak je uvedeno v tabulce 1.

Saturnův velký prstencový systém je tvořen ledovými částicemi rozloženými do několika rozsáhlých plochých prstenců obsahujících velké množství jemné struktury. Naproti tomu prstencové systémy Uranu a Neptunu jsou téměř opačné než Saturnův: skládají se z tmavých částic omezených na několik úzkých prstenců s širokými prázdnými mezerami mezi nimi. Jupiterův prstenec a přinejmenším jeden Saturnův jsou pouze přechodné prachové pásy, které se neustále obnovují prachovými zrny vyvrženými z malých měsíců. V této části se zaměříme na dva nejhmotnější prstencové systémy, a to Saturnu a Uranu.

Co způsobuje prstence?

Prstenec je soubor obrovského množství částic, z nichž každá je jako malý měsíc, který se řídí Keplerovými zákony, když sleduje svou vlastní dráhu kolem planety. Vnitřní částice tedy rotují rychleji než částice vzdálenější a prstenec jako celek nerotuje jako pevné těleso. Ve skutečnosti je lepší vůbec neuvažovat o tom, že prstenec rotuje, ale spíše uvažovat o otáčení (neboli pohybu po oběžné dráze) jeho jednotlivých měsíčků.

Pokud by částice prstence byly od sebe značně vzdáleny, pohybovaly by se nezávisle, jako samostatné měsíčky. V hlavních prstencích Saturnu a Uranu jsou však částice dostatečně blízko na to, aby na sebe vzájemně gravitačně působily a občas se o sebe dokonce otřely nebo se při srážkách nízkou rychlostí odrazily. Díky těmto interakcím pozorujeme jevy, jako jsou vlny, které se pohybují po prstencích – podobně jako se vodní vlny pohybují po povrchu oceánu.

Existují dvě základní představy o tom, jak takové prstence vznikají. První je hypotéza rozpadu, která předpokládá, že prstence jsou pozůstatky rozbitého měsíce. S měsícem se mohla srazit prolétající kometa nebo asteroid a rozbít ho na kusy. Slapové síly pak úlomky od sebe odtrhly a ty se rozptýlily do disku. Druhá hypotéza, která vychází z opačného pohledu, předpokládá, že prstence jsou tvořeny částicemi, které se v první řadě nemohly spojit a vytvořit měsíc.

V obou teoriích hraje důležitou roli gravitace planety. V blízkosti planety (viz obrázek 1) mohou slapové síly roztrhnout tělesa nebo bránit volným částicím, aby se spojily. Nevíme, které vysvětlení platí pro daný prstenec, i když mnoho vědců dospělo k závěru, že alespoň několik prstenců je relativně mladých, a proto musí být výsledkem rozpadu.

Obrázek 1: Čtyři prstencové systémy. Tento diagram ukazuje umístění prstencových systémů čtyř obřích planet. Levá osa představuje povrch planety. Přerušovaná svislá čára představuje hranici, uvnitř které mohou gravitační síly rozbít měsíce (soustava každé planety je nakreslena v jiném měřítku, takže tato hranice stability lícuje pro všechny čtyři). Černé tečky jsou vnitřní měsíce každé planety ve stejném měřítku jako její prstence. Všimněte si, že uvnitř hranice stability přežívají jen opravdu malé měsíce.

Prstenec Saturnu

Saturnovy prstence jsou jedním z nejkrásnějších pohledů na sluneční soustavu (obrázek 2). Od vnějšího k vnitřnímu jsou tři nejjasnější prstence označeny krajně neromantickými názvy A, B a C prstence. Tabulka 2 uvádí rozměry prstenců v kilometrech i v jednotkách poloměru Saturnu, RSaturn. Prstenec B je nejjasnější a má nejtěsněji zabalené částice, zatímco prstence A a C jsou průsvitné.

Celková hmotnost prstence B, která se pravděpodobně blíží hmotnosti celé soustavy prstenců, se přibližně rovná hmotnosti ledového měsíce o průměru 250 kilometrů (což naznačuje, že prstenec mohl vzniknout při rozpadu takového měsíce). Mezi prstenci A a B se nachází široká mezera pojmenovaná Cassiniho divize podle Giana Domenica Cassiniho, který ji poprvé zahlédl dalekohledem v roce 1675 a jehož jméno planetární vědci dali také sondě Cassini zkoumající Saturnův systém.

Obrázek 2: Saturnovy prstence při pohledu shora a zdola. (a) Pohled shora je osvětlen přímým slunečním světlem. (b) Osvětlení při pohledu zdola je sluneční světlo, které se rozptýlilo mezerami v prstencích. (kredit a, b: úprava práce NASA/JPL-Caltech/Space Science Institute)

Saturnovy prstence jsou velmi široké a velmi tenké. Šířka hlavních prstenců je 70 000 kilometrů, přesto je jejich průměrná tloušťka pouze 20 metrů. Kdybychom vyrobili model prstenců z papíru, museli bychom je udělat o průměru 1 kilometr. V tomto měřítku by byl samotný Saturn vysoký jako 80patrová budova. Částice prstenců jsou složeny převážně z vodního ledu a pohybují se od zrnek velikosti písku až po balvany o velikosti domu. Při pohledu zevnitř by prstence pravděpodobně připomínaly jasný oblak plovoucích sněhových vloček a krup, s několika sněhovými koulemi a většími objekty, z nichž mnohé jsou volnými shluky menších částic (obrázek 3).

Obrázek 3: Idealizovaná představa umělce o Saturnových prstencích při pohledu zevnitř. Všimněte si, že prstence jsou většinou tvořeny kousky vodního ledu různých velikostí. Sonda Cassini plánuje na konci své mise proniknout jednou z mezer v Saturnových prstencích, ale tak blízko se nedostane. (kredit: úprava práce NASA/JPL/University of Colorado)

Kromě širokých prstenců A, B a C má Saturn několik velmi úzkých prstenců širokých maximálně 100 kilometrů. Nejpodstatnější z nich, který leží těsně za prstencem A, se nazývá prstenec F; jeho překvapivý vzhled je popsán níže. Obecně se Saturnovy úzké prstence podobají prstencům Uranu a Neptunu.

Existuje také velmi slabý, tenký prstenec, nazývaný E Ring, spojený s malým Saturnovým ledovým měsícem Enceladem. Částice prstence E jsou velmi malé a skládají se z vodního ledu. Vzhledem k tomu, že takový slabý oblak ledových krystalků má tendenci se rozptylovat, trvalá existence prstence E silně naznačuje, že je neustále doplňován zdrojem na Enceladu. Tento ledový měsíc je velmi malý – má průměr pouhých 500 kilometrů – ale snímky ze sondy Voyager ukázaly, že krátery na přibližně polovině jeho povrchu byly vymazány, což svědčí o geologické činnosti někdy v posledních několika milionech let. Vědci sondy Cassini s velkým očekáváním manévrovali oběžnou dráhu sondy tak, aby od roku 2005 umožnila několik blízkých průletů kolem Enceladu.

Ti, kteří očekávali výsledky průletu sondy Cassini, nebyli zklamáni. Snímky s vysokým rozlišením ukázaly v blízkosti jižního pólu dlouhé tmavé pruhy hladké země, kterým se brzy začalo přezdívat „tygří pruhy“ (obr. 4). Infračervená měření odhalila, že tyto tygří pruhy jsou teplejší než jejich okolí. A co bylo nejlepší, na tygřích pruzích se objevily desítky kryovulkanických průduchů, z nichž tryskaly gejzíry slané vody a ledu (obrázek 5). Odhady naznačují, že každou sekundu vystřeluje do vesmíru 200 kilogramů materiálu – není to mnoho, ale dost na to, aby sonda mohla odebrat vzorky.

Obr. 4: Enceladus. (a) Tento snímek ukazuje hladký i kráterovaný terén Saturnova měsíce a také „tygří pruhy“ v jižní polární oblasti (spodní část snímku). Tyto tmavé pruhy (zde zobrazené přehnaně barevně) mají zvýšenou teplotu a jsou zdrojem mnoha gejzírů objevených na Enceladu. Jsou dlouhé asi 130 kilometrů a vzdálené od sebe 40 kilometrů. (b) Zde je Enceladus zobrazen v měřítku Velké Británie a pobřeží západní Evropy, aby bylo zdůrazněno, že se jedná o malý měsíc o průměru jen asi 500 kilometrů. (kredit a, b: modifikace práce NASA/JPL/Space Science Institute)

Když byla sonda Cassini nasměrována k průletu výtrysky, změřila jejich složení a zjistila, že jsou podobné materiálu, který vidíme uvolněný z komet (viz Komety a asteroidy: úlomky Sluneční soustavy). Páry a ledové chocholy se skládaly převážně z vody, ale se stopovým množstvím dusíku, čpavku, metanu a dalších uhlovodíků. Minerály nalezené v gejzírech ve stopovém množství zahrnovaly obyčejnou sůl, což znamená, že gejzírové chocholy byly vysokotlakými výtrysky slané vody.

Na základě pokračujícího studia objemových vlastností Enceladu a probíhajících gejzírů vědci mise Cassini v roce 2015 předběžně identifikovali podpovrchový oceán vody, který gejzíry napájí. Tyto objevy naznačily, že navzdory své malé velikosti by měl být Enceladus zařazen na seznam světů, které bychom chtěli prozkoumat z hlediska možného života. Protože jeho podpovrchový oceán pohodlně uniká do vesmíru, mohlo by být mnohem snazší odebrat z něj vzorky než z oceánu Europy, který je hluboko pohřben pod její silnou ledovou kůrou.

Obrázek 5: Gejzíry na Enceladu. Tento snímek ze sondy Cassini ukazuje řadu vodních gejzírů na malém Saturnově měsíci Enceladus, zřejmě jde o slanou vodu z podpovrchového zdroje, která uniká trhlinami v povrchu. Podél čtyř „tygřích pruhů“ na povrchu jsou vidět zakřivené linie gejzírů. (kredit: úprava práce NASA/JPL/Space Science Institute)

Prstenec Uranu a Neptunu

Obrázek 6: Prstence Uranu. Tým sondy Voyager musel tento snímek dlouho exponovat, aby se mu podařilo zahlédnout úzké tmavé prstence Uranu. Na pozadí snímku je vidět zrnitá struktura „šumu“ v elektronice fotoaparátu. (kredit: úprava práce NASA/JPL)

Uranovy prstence jsou úzké a černé, takže jsou ze Země téměř neviditelné. Devět hlavních prstenců bylo objeveno v roce 1977 na základě pozorování hvězdy, když před ní Uran přecházel. Takovému přechodu jednoho astronomického objektu před jiným říkáme zákryt. Během zákrytu v roce 1977 astronomové očekávali, že světlo hvězdy zmizí, jakmile se přes ni planeta přenese. Kromě toho však hvězda několikrát krátce pohasla, než se k ní Uran dostal, a to při každém průchodu úzkého prstence mezi hvězdou a dalekohledem. Prstence tak byly podrobně zmapovány, i když je nebylo možné přímo vidět ani vyfotografovat, podobně jako když v noci počítáte počet vagónů ve vlaku sledováním blikání světla, když před ním postupně projíždějí vagóny. Když se sonda Voyager v roce 1986 přiblížila k Uranu, mohla studovat prstence zblízka; sonda také vyfotografovala dva nové prstence (obrázek 6).

Vnější a nejhmotnější z Uranových prstenců se nazývá Epsilonův prstenec. Je široký jen asi 100 kilometrů a jeho tloušťka pravděpodobně nepřesahuje 100 metrů (podobně jako Saturnův prstenec F). Prstenec Epsilon obklopuje Uran ve vzdálenosti 51 000 kilometrů, což je přibližně dvojnásobek poloměru Uranu. Tento prstenec pravděpodobně obsahuje tolik hmoty jako všech deset ostatních Uranových prstenců dohromady; většina z nich jsou úzké stuhy široké méně než 10 kilometrů, právě naopak než široké prstence Saturnu.

Obrázek 7: Prstence Neptunu. Tato dlouhá expozice Neptunových prstenců byla vyfotografována sondou Voyager 2. Všimněte si dvou hustších oblastí vnějšího prstence. (kredit: úprava práce NASA/JPL)

Jednotlivé částice v uranových prstencích jsou téměř černé jako hrudky uhlí. Přestože astronomové složení tohoto materiálu detailně neznají, zdá se, že se z velké části skládá ze sloučenin uhlíku a uhlovodíků. Organický materiál tohoto druhu je ve vnější sluneční soustavě poměrně běžný.

Mnoho planetek a komet se rovněž skládá z tmavých materiálů podobných dehtu. V případě Uranu má jeho deset malých vnitřních měsíců podobné složení, což naznačuje, že se jeden nebo více měsíců mohlo rozpadnout a vytvořit prstence.

Neptunovy prstence jsou obecně podobné těm u Uranu, ale jsou ještě tenčí (obrázek 7). Jsou pouze čtyři a částice nejsou rovnoměrně rozloženy po celé jejich délce.

Protože tyto prstence je ze Země velmi obtížné zkoumat, bude pravděpodobně trvat ještě dlouho, než jim dobře porozumíme.

Interakce mezi prstenci a měsíci

Velká část naší fascinace planetárními prstenci je výsledkem jejich složitých struktur, z nichž většina vděčí za svou existenci gravitačnímu působení měsíců, bez nichž by prstence byly ploché a beztvaré. Ve skutečnosti začíná být zřejmé, že bez měsíců by prstence pravděpodobně vůbec neexistovaly, protože ponechány samy sobě se tenké disky malých částic postupně rozšiřují a rozptylují.

Většina mezer v Saturnových prstencích a také poloha vnějšího okraje prstence A jsou důsledkem gravitačních rezonancí s malými vnitřními měsíci. K rezonanci dochází, když mají dvě tělesa oběžné periody, které jsou navzájem v přesném poměru, například 1:2 nebo 2:3. V tomto případě se jedná o rezonanci. Například každá částice v mezeře na vnitřní straně Cassiniho divize Saturnových prstenců by měla periodu rovnou polovině periody Saturnova měsíce Mimas. Taková částice by byla nejblíže Mimasu ve stejné části jeho dráhy každou druhou otáčku. Opakované gravitační tahy Mimasu, působící stále stejným směrem, by ji rozrušovaly a nutily by ji k novému oběhu mimo mezeru. Tímto způsobem se Cassiniho oddíl dlouhodobě ochuzoval o materiál prstenců.

Mise Cassini odhalila velké množství jemné struktury Saturnových prstenců. Na rozdíl od dřívějších průletů Voyageru mohla Cassini pozorovat prstence po více než deset let a odhalila pozoruhodnou škálu změn v časových měřítkách od několika minut po několik let. Mnohé z prvků nově pozorovaných v datech sondy Cassini naznačovaly přítomnost kondenzací nebo malých měsíců o průměru jen několika desítek metrů, které jsou do prstenců zakotveny. Jak se každý malý měsíc pohybuje, vytváří v okolním materiálu prstenců vlny podobné vlně, kterou zanechává pohybující se loď. I když je měsíc příliš malý na to, aby se dal rozlišit, jeho charakteristické vlny mohla Cassini vyfotografovat.

Jedním z nejzajímavějších Saturnových prstenců je úzký prstenec F, který ve své 90kilometrové šířce obsahuje několik zdánlivých prstenců. Na některých místech se prstenec F rozpadá na dva nebo tři rovnoběžné pruhy, které někdy vykazují ohyby nebo zalomení. Většina prstenců Uranu a Neptunu jsou také úzké stuhy jako Saturnův prstenec F. Je zřejmé, že gravitace některých objektů musí bránit částicím v těchto tenkých prstencích, aby se rozprostřely.

Jak jsme viděli, největší rysy v Saturnových prstencích vznikají v důsledku gravitačních rezonancí s vnitřními měsíci, zatímco většina jemné struktury je způsobena menšími vloženými měsíci. V případě Saturnova prstence F detailní snímky odhalily, že je ohraničen oběžnými drahami dvou měsíců, nazvaných Pandora a Prometheus (obr. 8). Tyto dva malé měsíce (každý o průměru asi 100 km) se označují jako pastýřské měsíce, protože jejich gravitace slouží k „pasení“ částic prstence a udržuje je v úzkém pásu. Podobná situace platí i pro Uranův prstenec Epsilon, který je pasen měsíci Kordélie a Ofélie. Tito dva pastýři, každý o průměru asi 50 km, obíhají ve vzdálenosti asi 2000 km uvnitř i vně prstence.

Obrázek 8: Saturnův prstenec F a jeho pastýřské měsíce. (a) Tento snímek ze sondy Cassini ukazuje úzký a složitý Saturnův prstenec F se dvěma malými pastýřskými měsíci Pandora (vlevo) a Prometheus (vpravo). (b) Na tomto bližším pohledu je pastýřský měsíc Pandora (84 km v průměru) vidět vedle prstence F, v němž měsíc při průchodu rozrušuje hlavní (nejjasnější) vlákno částic prstence. Na tomto snímku je vidět tmavá strana Pandory, protože je osvětlena světlem odraženým od Saturnu. (kredit a, b: modifikace práce NASA/JPL/Space Science Institute)

Teoretické výpočty naznačují, že ostatní úzké prstence v uranově a neptunově soustavě by měly být také ovládány pastýřskými měsíci, ale žádný z nich nebyl lokalizován. Vypočtený průměr takových pastýřů (asi 10 kilometrů) byl pro kamery Voyageru těsně na hranici detekovatelnosti, takže nelze říci, zda jsou přítomny, či nikoliv. (Vzhledem k tomu, že vidíme samé úzké prstence, někteří vědci stále doufají, že se podaří najít jiný, uspokojivější mechanismus, který by je udržel v těsné blízkosti.“

Jedním z nevyřešených problémů při poznávání prstenců je určení jejich stáří. Měly obří planety vždy systémy prstenců, které vidíme dnes, nebo se mohlo jednat o nedávný či přechodný přírůstek sluneční soustavy? V případě hlavních prstenců Saturnu je jejich hmotnost přibližně stejná jako hmotnost vnitřního měsíce Mimas. Mohly tedy vzniknout rozpadem měsíce velikosti Mimasu, možná velmi brzy v historii sluneční soustavy, kdy po vzniku planet zbylo mnoho meziplanetárních projektilů. Je těžší pochopit, jak k takové katastrofické události mohlo dojít nedávno, kdy se sluneční soustava stala stabilnějším místem.

Glosář

rezonance: orbitální stav, při kterém je jeden objekt vystaven periodickým gravitačním poruchám ze strany jiného objektu, nejčastěji vznikající, když dva objekty obíhající kolem třetího mají periody oběhu, které jsou navzájem prostými násobky nebo zlomky