Kuiden lisäksi, kaikilla neljällä jättiläisplaneetalla on renkaat, ja jokainen rengasjärjestelmä koostuu miljardeista pienistä hiukkasista tai ”kuutamoista”, jotka kiertävät planeettansa lähellä. Jokaisella näistä renkaista on monimutkainen rakenne, joka liittyy renkaan hiukkasten ja suurempien kuiden välisiin vuorovaikutuksiin. Neljä rengasjärjestelmää eroavat kuitenkin toisistaan hyvin paljon massaltaan, rakenteeltaan ja koostumukseltaan, kuten taulukossa 1 on esitetty.

Saturnuksen suuri rengasjärjestelmä koostuu jäisistä hiukkasista, jotka ovat levittäytyneet useisiin laajoihin, litteisiin renkaisiin, joissa on paljon hienorakenteisuutta. Uranuksen ja Neptunuksen rengasjärjestelmät sen sijaan ovat lähes päinvastaisia kuin Saturnuksen: ne koostuvat tummista hiukkasista, jotka ovat rajoittuneet muutamaan kapeaan renkaaseen, joiden välissä on laajoja tyhjiä aukkoja. Jupiterin rengas ja ainakin yksi Saturnuksen rengas ovat pelkkiä ohimeneviä pölykaistaleita, jotka uusiutuvat jatkuvasti pienistä kuista irtoavista pölyhiukkasista. Tässä jaksossa keskitymme kahteen massiivisimpaan rengasjärjestelmään, Saturnuksen ja Uranuksen rengasjärjestelmiin.

Miten renkaat syntyvät?

Rengas on kokoelma valtavia määriä hiukkasia, joista kukin on kuin pieni kuu, joka noudattaa Keplerin lakeja seuratessaan omaa rataansa planeetan ympäri. Siten sisimmät hiukkaset pyörivät nopeammin kuin kauempana olevat, eikä rengas kokonaisuutena pyöri kiinteänä kappaleena. Itse asiassa on parempi olla ajattelematta, että rengas pyörii lainkaan, vaan pikemminkin tarkastella sen yksittäisten kuutamoiden kiertoliikettä (tai liikettä kiertoradalla).

Jos rengashiukkaset olisivat kaukana toisistaan, ne liikkuisivat itsenäisesti, kuin erilliset kuutamot. Saturnuksen ja Uranuksen päärenkaissa hiukkaset ovat kuitenkin niin lähellä toisiaan, että niillä on keskinäinen gravitaatiovaikutus ja että ne toisinaan jopa hankautuvat toisiinsa tai kimpoavat toisistaan pienillä nopeuksilla tapahtuvissa törmäyksissä. Näiden vuorovaikutusten vuoksi näemme ilmiöitä, kuten aaltoja, jotka liikkuvat renkaiden yli – aivan kuten vesiaallot liikkuvat valtameren pinnalla.

On olemassa kaksi perusajatusta siitä, miten tällaiset renkaat syntyvät. Ensimmäinen on hajoamishypoteesi, jonka mukaan renkaat ovat hajonneen kuun jäänteitä. Ohikulkeva komeetta tai asteroidi on saattanut törmätä kuuhun ja hajottaa sen palasiksi. Vuorovesivoimat vetivät sitten sirpaleet erilleen, ja ne hajosivat levyksi. Toisen hypoteesin mukaan, joka ottaa päinvastaisen näkökulman, renkaat koostuvat hiukkasista, jotka eivät alun perin pystyneet yhdistymään muodostaakseen kuun.

Kummassakin teoriassa planeetan painovoima on tärkeässä roolissa. Planeetan lähellä (ks. kuva 1) vuorovesivoimat voivat repiä kappaleet erilleen tai estää irtonaisia hiukkasia yhdistymästä. Emme tiedä, kumpi selitys pätee minkäkin renkaan kohdalla, vaikka monet tutkijat ovatkin päätelleet, että ainakin muutamat renkaat ovat suhteellisen nuoria ja siksi niiden täytyy olla hajoamisen tulosta.

Kuva 1: Neljä rengasjärjestelmää. Tässä kaaviossa on esitetty neljän jättiläisplaneetan rengasjärjestelmien sijainnit. Vasen akseli edustaa planeetan pintaa. Katkoviiva on raja, jonka sisäpuolella gravitaatiovoimat voivat hajottaa kuita (kunkin planeetan järjestelmä on piirretty eri mittakaavaan niin, että tämä vakausraja on linjassa kaikkien neljän planeetan kohdalla). Mustat pisteet ovat kunkin planeetan sisäisiä kuita samassa mittakaavassa kuin sen renkaat. Huomaa, että vain todella pienet kuut selviävät stabiilisuusrajan sisällä.

Saturnuksen renkaat

Saturnuksen renkaat ovat yksi aurinkokunnan kauneimmista nähtävyyksistä (kuva 2). Ulommasta sisempään kolme kirkkainta rengasta on merkitty äärimmäisen epäromanttisilla nimillä A-, B- ja C-renkaat. Taulukossa 2 esitetään renkaiden mitat sekä kilometreinä että Saturnuksen säteen, RSaturnuksen, yksikköinä. B-rengas on kirkkain ja siinä on tiiviimmin pakkautuneita hiukkasia, kun taas A- ja C-renkaat ovat läpikuultavia.

B-renkaan kokonaismassa, joka lienee lähellä koko rengasjärjestelmän massaa, vastaa suunnilleen halkaisijaltaan 250 kilometrin kokoisen jäisen kuun massaa (mikä viittaa siihen, että rengas on voinut saada alkunsa tällaisen kuun hajoamisesta). A- ja B-renkaan välissä on leveä aukko, joka on nimetty Cassini-divisioonaksi Gian Domenico Cassinin mukaan, joka näki sen ensimmäisen kerran kaukoputkella vuonna 1675 ja jonka nimen planeettatutkijat ovat antaneet myös Saturnuksen järjestelmää tutkivalle Cassini-avaruusalukselle.

Kuvio 2: Saturnuksen renkaat ylhäältä ja alhaalta nähtynä. (a) Näkymä ylhäältäpäin on suoran auringonvalon valaisema. (b) Alhaalta nähtävä valaistus on auringonvaloa, joka on diffundoitunut renkaiden aukkojen läpi. (luotto a, b: NASA/JPL-Caltech/Space Science Institute:n työn muokkaus)

Saturnuksen renkaat ovat hyvin leveät ja hyvin ohuet. Päärenkaiden leveys on 70 000 kilometriä, mutta niiden keskimääräinen paksuus on kuitenkin vain 20 metriä. Jos tekisimme renkaista pienoismallin paperista, renkaiden läpimitta olisi 1 kilometri. Tässä mittakaavassa Saturnus olisi 80-kerroksisen rakennuksen korkuinen. Renkaiden hiukkaset koostuvat pääasiassa vesijäästä, ja ne vaihtelevat hiekan kokoisista rakeista talon kokoisiin lohkareisiin. Sisäpiirin näkymä renkaista muistuttaisi luultavasti kirkasta pilveä leijuvista lumihiutaleista ja rakeista, joiden joukossa on muutamia lumipalloja ja isompia esineitä, joista monet ovat pienempien hiukkasten irtonaisia aggregaatteja (kuva 3).

Kuva 3: Taiteilijan idealisoitu vaikutelma Saturnuksen renkaista sisäpuolelta katsottuna. Huomaa, että renkaat koostuvat enimmäkseen erikokoisista vesijään palasista. Cassini-avaruusalus aikoo tehtävänsä päätteeksi leikata yhden Saturnuksen renkaissa olevan aukon läpi, mutta näin lähelle se ei pääse. (luotto: NASA/JPL/University of Colorado)

Laajojen A-, B- ja C-renkaiden lisäksi Saturnuksella on kourallinen hyvin kapeita renkaita, joiden leveys ei ylitä 100 kilometriä. Näistä merkittävin, joka sijaitsee aivan A-kehän ulkopuolella, on nimeltään F-kehä; sen yllättävää ulkonäköä käsitellään jäljempänä. Yleisesti ottaen Saturnuksen kapeat renkaat muistuttavat Uranuksen ja Neptunuksen renkaita.

Saturnuksen pieneen jäiseen Enceladus-kuuhun liittyy myös hyvin heikko, hauras rengas, jota kutsutaan E-kehäksi. E-kehän hiukkaset ovat hyvin pieniä ja koostuvat vesijäästä. Koska tällainen ohut jääkiteiden pilvi pyrkii hajoamaan, E-kehän jatkuva olemassaolo viittaa vahvasti siihen, että sitä täydennetään jatkuvasti Enceladuksen lähteestä. Tämä jäinen kuu on hyvin pieni – halkaisijaltaan vain 500 kilometriä – mutta Voyagerin kuvista kävi ilmi, että noin puolet sen pinnasta on pyyhkiytynyt pois kraattereista, mikä viittaa geologiseen toimintaan joskus viimeisten muutaman miljoonan vuoden aikana. Cassini-tutkijat ohjasivat avaruusaluksen kiertorataa suurella odotuksella siten, että Enceladusta voitiin ohittaa useita kertoja läheltä vuodesta 2005 alkaen.

Cassinin ohilentotuloksia odottaneet eivät joutuneet pettymään. Korkean resoluution kuvissa näkyi sen etelänavan tuntumassa pitkiä, tummia sileän maan raitoja, jotka pian saivat lempinimen ”tiikeriraidat” (kuva 4). Infrapunamittaukset paljastivat, että nämä tiikerikaistaleet ovat ympäristöään lämpimämpiä. Mikä parasta, tiikerijuovissa havaittiin kymmeniä kryovulkanisia aukkoja, joista purkautui suolaisen veden ja jään geysirejä (kuva 5). Arvioiden mukaan avaruuteen ammuttiin joka sekunti 200 kiloa ainetta – ei paljon, mutta riittävästi avaruusalukselle näytteenottoon.

Kuva 4: Enceladus. (a) Tässä kuvassa näkyy sekä sileää että rapautunutta maastoa Saturnuksen kuussa, ja myös ”tiikeriraitoja” eteläisellä napa-alueella (kuvan alaosa). Näissä tummissa raidoissa (tässä liioitelluin värein) on kohonnut lämpötila, ja ne ovat Enceladukselta löydettyjen monien geysirien lähde. Ne ovat noin 130 kilometriä pitkiä ja 40 kilometrin päässä toisistaan. (b) Tässä Enceladus on esitetty mittakaavassa Ison-Britannian ja Länsi-Euroopan rannikon kanssa sen korostamiseksi, että se on pieni kuu, jonka halkaisija on vain noin 500 kilometriä. (luotto a, b: NASA/JPL/Space Science Instituten työn muokkaus)

Kun Cassini ohjattiin lentämään sumujen sisään, se mittasi niiden koostumuksen ja havaitsi niiden olevan samanlaista kuin komeettojen irrottama materiaali (ks. Komeetat ja asteroidit: Aurinkokunnan jätteet). Höyry- ja jääsumut koostuivat enimmäkseen vedestä, mutta niissä oli myös pieniä määriä typpeä, ammoniakkia, metaania ja muita hiilivetyjä. Geysireistä löytyneisiin mineraaleihin kuului pieniä määriä tavallista suolaa, mikä tarkoittaa, että geysiirisuihkut olivat suolaisen veden korkeapaineisia suihkuja.

Enceladuksen irto-ominaisuuksien ja käynnissä olevien geysiirien jatkuvan tutkimisen perusteella Cassini-operaation tutkijat tunnistivat vuonna 2015 alustavasti geysirejä ruokkivan maanalaisen vesimeren. Nämä löydöt viittasivat siihen, että pienestä koostaan huolimatta Enceladus olisi lisättävä niiden maailmojen luetteloon, joita haluaisimme tutkia mahdollisen elämän varalta. Koska sen pinnanalainen valtameri karkaa kätevästi avaruuteen, siitä saattaisi olla paljon helpompi ottaa näytteitä kuin Europan valtamerestä, joka on hautautunut syvälle paksun jääkuoren alle.

Kuva 5: Geysirit Enceladuksella. Tässä Cassini-kuvassa näkyy Saturnuksen pienellä Enceladus-kuulla useita vesigeysereitä, jotka ovat ilmeisesti pinnanalaisesta lähteestä peräisin olevaa suolaista vettä, joka purkautuu pinnassa olevien halkeamien kautta. Voit nähdä geysirien kaarevia linjoja pinnan neljässä ”tiikeriraidassa”. (luotto: NASA/JPL/Space Science Instituten työn muokkaus)

Uranuksen ja Neptunuksen renkaat

Kuva 6: Uranuksen renkaat. Voyager-ryhmä joutui valottamaan tätä kuvaa pitkään saadakseen välähdyksen Uranuksen kapeista tummista renkaista. Kuvan taustalla näkyy kameran elektroniikan ”kohinan” rakeinen rakenne. (luotto: NASA/JPL:n työn muokkaus)

Uranuksen renkaat ovat kapeita ja mustia, joten ne ovat lähes näkymättömiä Maasta käsin. Yhdeksän päärengasta löydettiin vuonna 1977 havainnoista, joita tehtiin tähdestä, kun Uranus kulki sen ohi. Kutsumme tällaista yhden tähtitieteellisen kohteen kulkua toisen kohteen edestä peittymiseksi. Vuoden 1977 peittymisen aikana tähtitieteilijät odottivat tähden valon katoavan, kun planeetta siirtyi sen ohi. Mutta lisäksi tähti himmeni lyhyesti useita kertoja ennen kuin Uranus saavutti sen, kun jokainen kapea rengas kulki tähden ja kaukoputken välistä. Näin renkaat saatiin kartoitettua yksityiskohtaisesti, vaikka niitä ei voitu suoraan nähdä tai kuvata, kuten junan vaunujen lukumäärän laskeminen yöllä seuraamalla valon vilkkumista, kun vaunut kulkevat peräkkäin sen edestä. Kun Voyager lähestyi Uranusta vuonna 1986, se pystyi tutkimaan renkaita lähietäisyydeltä; avaruusalus kuvasi myös kaksi uutta rengasta (kuva 6).

Uranuksen renkaista uloin ja massiivisin on nimeltään Epsilon-rengas. Se on vain noin 100 kilometriä leveä ja todennäköisesti enintään 100 metriä paksu (samanlainen kuin Saturnuksen F-rengas). Epsilon-rengas kiertää Uranusta 51 000 kilometrin etäisyydeltä, mikä on noin kaksi kertaa Uranuksen säde. Tässä renkaassa on luultavasti yhtä paljon massaa kuin Uranuksen kymmenessä muussa renkaassa yhteensä; suurin osa renkaista on kapeita, alle 10 kilometrin levyisiä nauhoja, juuri päinvastoin kuin Saturnuksen leveät renkaat.

Kuva 7: Neptunuksen renkaat. Tämän pitkän valotuksen Neptunuksen renkaista kuvasi Voyager 2. Huomaa ulkorenkaan kaksi tiheämpää aluetta. (luotto: NASA/JPL:n työn muokkaus)

Uranen renkaiden yksittäiset hiukkaset ovat lähes yhtä mustia kuin hiilihiukkaset. Vaikka tähtitieteilijät eivät ymmärrä tämän aineen koostumusta yksityiskohtaisesti, se näyttää koostuvan suurelta osin hiili- ja hiilivety-yhdisteistä. Tämänkaltainen orgaaninen materiaali on melko yleistä ulommassa aurinkokunnassa.

Monet asteroidit ja komeetat koostuvat myös tummasta, tervamaisesta materiaalista. Uranuksen tapauksessa sen kymmenellä pienellä sisemmällä kuulla on samanlainen koostumus, mikä viittaa siihen, että yksi tai useampi kuu on saattanut hajota renkaiden muodostamiseksi.

Neptunuksen renkaat ovat yleisesti ottaen samanlaisia kuin Uranuksen renkaat, mutta vieläkin ohuempia (kuva 7). Niitä on vain neljä, eivätkä hiukkaset ole jakautuneet tasaisesti niiden pituussuunnassa.

Koska näitä renkaita on niin vaikea tutkia Maasta käsin, kestää luultavasti kauan ennen kuin ymmärrämme niitä kovin hyvin.

Renkaiden ja kuiden väliset vuorovaikutukset

Suuri osa planeettarenkaisiin kohdistuvasta kiehtovuudestamme johtuu niiden monimutkaisista rakenteista, joista suurin osa on olemassaolostaan kiitollisuudenvelassa kuiden gravitaatiovaikutukselle, joita ilman renkaat olisivat litteitä ja piirteettömiä. Itse asiassa on käymässä selväksi, että ilman kuita ei luultavasti olisi lainkaan renkaita, koska itsekseen jätettyinä pienten hiukkasten ohuet kiekot vähitellen leviävät ja hajoavat.

Suurimmat Saturnuksen renkaiden aukot ja myös A-kehän ulkoreunan sijainti johtuvat gravitaatioresonansseista pienten sisäisten kuiden kanssa. Resonanssi syntyy, kun kahden kohteen kiertoaika on täsmällinen suhde toisiinsa, esimerkiksi 1:2 tai 2:3. Esimerkiksi minkä tahansa Saturnuksen renkaiden Cassini-divisioonan sisäpuolella olevassa aukossa olevan hiukkasen jakso olisi yhtä suuri kuin puolet Saturnuksen kuun Mimasin jaksosta. Tällainen hiukkanen olisi joka toisella kierroksella lähimpänä Mimasta sen radan samassa osassa. Mimaksen toistuvat, aina samaan suuntaan vaikuttavat gravitaatiovetovoimat häiritsisivät sitä ja pakottaisivat sen uudelle kiertoradalle aukon ulkopuolelle. Näin Cassinin jako tyhjeni rengasmateriaalista pitkien aikojen kuluessa.

Cassini-lento paljasti Saturnuksen renkaista paljon hienorakenteisuutta. Toisin kuin aiemmat Voyagerin ohilennot, Cassini pystyi tarkkailemaan renkaita yli vuosikymmenen ajan paljastaen huomattavan monenlaisia muutoksia muutamista minuuteista useisiin vuosiin ulottuvalla aikaskaalalla. Monet Cassinin tiedoissa hiljattain havaituista piirteistä osoittivat, että renkaisiin on syntynyt tiivistymiä tai pieniä kuita, joiden läpimitta on vain muutamia kymmeniä metrejä. Kun kukin pieni kuu liikkuu, se aiheuttaa aaltoja ympäröivään rengasmateriaaliin kuin liikkuvan laivan jättämä aalto. Jopa silloin, kun kuu on liian pieni erotettavaksi, Cassini pystyi kuvaamaan sille ominaiset aallot.

Yksi Saturnuksen mielenkiintoisimmista renkaista on kapea F-rengas, jonka 90 kilometrin leveydellä on useita näennäisiä renkaita. Paikoin F-rengas hajoaa kahdeksi tai kolmeksi samansuuntaiseksi säikeeksi, joissa on joskus mutkia tai mutkia. Suurin osa Uranuksen ja Neptunuksen renkaista on myös Saturnuksen F-renkaan kaltaisia kapeita nauhoja. On selvää, että joidenkin kohteiden painovoiman on estettävä hiukkasia leviämästä näissä ohuissa renkaissa.

Kuten olemme nähneet, Saturnuksen renkaiden suurimmat piirteet syntyvät gravitaatioresonansseista sisempien kuiden kanssa, kun taas suuri osa hienorakenteesta aiheutuu pienemmistä upotetuista kuista. Saturnuksen F-renkaan tapauksessa lähikuvat paljastivat, että sitä rajaavat kahden Pandoran ja Prometheuksen kaltaisen kuun kiertoradat (kuva 8). Näitä kahta pientä kuuta (kumpikin halkaisijaltaan noin 100 kilometriä) kutsutaan paimenkuiksi, koska niiden painovoima ”paimentaa” rengashiukkasia ja pitää ne kapean nauhan sisällä. Samanlainen tilanne pätee Uranuksen Epsilon-renkaaseen, jota paimentavat kuut Cordelia ja Ophelia. Nämä kaksi halkaisijaltaan noin 50 kilometrin kokoista paimenta kiertävät noin 2000 kilometriä renkaan sisä- ja ulkopuolella.

Kuva 8: Saturnuksen F-rengas ja sen paimenkuut. (a) Tässä Cassini-kuvassa näkyy Saturnuksen kapea, monimutkainen F-rengas ja sen kaksi pientä paimenkuuta Pandora (vasemmalla) ja Prometheus (oikealla). (b) Tässä tarkemmassa kuvassa paimenkuu Pandora (84 kilometriä halkaisijaltaan) näkyy F-renkaan vieressä, jossa kuu häiritsee rengashiukkasten tärkeintä (kirkkainta) säikeistöä kulkiessaan. Pandoran tumma puoli näkyy tässä kuvassa, koska sitä valaisee Saturnuksesta heijastuva valo. (luotto a, b: NASA/JPL/Space Science Instituten työn muokkaus)

Teoreettiset laskelmat viittaavat siihen, että muitakin kapeita renkaita Uranuksen ja Neptunuksen järjestelmissä pitäisi ohjata paimenkuut, mutta yhtäkään niistä ei ole löydetty. Tällaisten paimenkuiden laskennallinen halkaisija (noin 10 kilometriä) oli juuri Voyagerin kameroiden havaittavuuden rajalla, joten on mahdotonta sanoa, onko niitä olemassa vai ei. (Ottaen huomioon kaikki näkemämme kapeat renkaat, jotkut tutkijat toivovat yhä löytävänsä jonkin muun tyydyttävämmän mekanismin, joka pitää renkaat ahtaalla.)

Yksi renkaiden ymmärtämiseen liittyvistä ratkaisemattomista ongelmista on niiden iän määrittäminen. Onko jättiläisplaneetoilla aina ollut nykyisin näkemämme rengasjärjestelmät, vai voisivatko ne olla viimeaikainen tai ohimenevä lisäys aurinkokuntaan? Saturnuksen päärenkaiden tapauksessa niiden massa on suunnilleen sama kuin sisemmän kuun Mimasin massa. Näin ollen ne ovat voineet muodostua Mimaksen kokoisen kuun hajotessa, ehkä hyvin varhaisessa vaiheessa aurinkokunnan historiaa, kun planeettojen muodostumisesta oli jäänyt jäljelle paljon planeettojen välisiä ammuksia. On vaikeampi ymmärtää, miten tällainen katastrofaalinen tapahtuma olisi voinut tapahtua hiljattain, kun aurinkokunnasta oli tullut vakaampi paikka.

Sanasto

resonanssi: kiertoratatilanne, jossa yksi kappale altistuu toisen kappaleen aiheuttamille jaksoittaisille gravitaatiohäiriöille; syntyy tavallisimmin silloin, kun kahdella kolmatta kiertävällä kappaleella on kierrosajat, jotka ovat toistensa yksinkertaisia kerrannaisia tai murto-osia