A holdak mellett, mind a négy óriásbolygónak vannak gyűrűi, és mindegyik gyűrűrendszer milliárdnyi kis részecskéből vagy “holdacskából” áll, amelyek a bolygójuk közelében keringenek. Mindegyik gyűrű bonyolult szerkezetet mutat, amely a gyűrű részecskéi és a nagyobb holdak közötti kölcsönhatásokhoz kapcsolódik. A négy gyűrűrendszer azonban tömegében, szerkezetében és összetételében nagyon különbözik egymástól, amint az az 1. táblázatban látható.

A Szaturnusz nagy gyűrűrendszerét jeges részecskék alkotják, amelyek több hatalmas, lapos, finom szerkezetű gyűrűre oszlanak szét. Az Uránusz és a Neptunusz gyűrűrendszere ezzel szemben majdnem a Szaturnuszéval ellentétes: sötét részecskékből áll, amelyek néhány keskeny gyűrűre korlátozódnak, közöttük széles üres hézagokkal. A Jupiter gyűrűje és a Szaturnusz legalább egy gyűrűje csupán átmeneti porsávok, amelyek folyamatosan megújulnak a kis holdakból kimosódó porszemcsék által. Ebben a fejezetben a két legmasszívabb gyűrűrendszerrel, a Szaturnusz és az Uránusz gyűrűrendszerével foglalkozunk.

Mi okozza a gyűrűket?

A gyűrű hatalmas mennyiségű részecske gyűjteménye, amelyek mindegyike olyan, mint egy apró hold, amely a Kepler-törvényeknek engedelmeskedve követi a saját pályáját a bolygó körül. Így a belső részecskék gyorsabban forognak, mint a távolabbiak, és a gyűrű egésze nem forog szilárd testként. Valójában jobb, ha egyáltalán nem a gyűrű forgására gondolunk, hanem inkább az egyes holdrészecskék forgására (vagy pályamozgására).

Ha a gyűrű részecskéi nagy távolságban lennének egymástól, akkor egymástól függetlenül mozognának, mint különálló holdrészecskék. A Szaturnusz és az Uránusz fő gyűrűiben azonban a részecskék elég közel vannak egymáshoz ahhoz, hogy kölcsönös gravitációs hatást gyakoroljanak egymásra, sőt időnként kis sebességű ütközések során egymáshoz is dörzsölődnek vagy lepattannak. E kölcsönhatások miatt olyan jelenségeket látunk, mint például a gyűrűkön átvonuló hullámok – éppen úgy, ahogy a vízhullámok mozognak az óceán felszínén.

Két alapvető elképzelés van arról, hogyan jönnek létre ezek a gyűrűk. Az első a felbomlási hipotézis, amely szerint a gyűrűk egy széttört hold maradványai. Egy elhaladó üstökös vagy aszteroida ütközhetett a holddal, darabokra törve azt. Az árapály-erők ezután széthúzták a darabokat, és azok szétoszlottak egy korongba. A második hipotézis, amely a fordított perspektívát veszi alapul, azt sugallja, hogy a gyűrűk olyan részecskékből állnak, amelyek eleve képtelenek voltak összeállni, hogy holdat alkossanak.

Mindkét elméletben fontos szerepet játszik a bolygó gravitációja. A bolygó közelében (lásd az 1. ábrát) az árapályerők szétszakíthatják az égitesteket, vagy megakadályozhatják, hogy a laza részecskék összeérjenek. Nem tudjuk, hogy melyik magyarázat érvényes bármelyik gyűrűre, bár sok tudós arra a következtetésre jutott, hogy legalább néhány gyűrű viszonylag fiatal, és ezért felbomlás eredménye kell, hogy legyen.

1. ábra: Négy gyűrűrendszer. Ez az ábra a négy óriásbolygó gyűrűrendszerének elhelyezkedését mutatja. A bal oldali tengely a bolygó felszínét ábrázolja. A szaggatott függőleges vonal az a határ, amelyen belül a gravitációs erők képesek a holdakat szétszakítani (az egyes bolygók rendszere más-más léptékben van megrajzolva, így ez a stabilitási határ mind a négy bolygó esetében egy vonalba esik). A fekete pontok az egyes bolygók belső holdjai a gyűrűkkel azonos léptékben. Vegyük észre, hogy csak az igazán kis holdak maradnak meg a stabilitási határon belül.

A Szaturnusz gyűrűi

A Szaturnusz gyűrűi a Naprendszer egyik legszebb látványosságai (2. ábra). A külsőtől a belsőig a három legfényesebb gyűrűt a rendkívül romantikátlan A, B és C gyűrűk nevekkel jelölik. A 2. táblázat a gyűrűk méreteit adja meg kilométerben és a Szaturnusz sugarának, az RSaturnusznak az egységében. A B gyűrű a legfényesebb, és a legtömörebb részecskékkel rendelkezik, míg az A és C gyűrűk áttetszőek.

A B gyűrű teljes tömege, amely valószínűleg megközelíti az egész gyűrűrendszer tömegét, körülbelül megegyezik egy 250 kilométer átmérőjű jeges hold tömegével (ami arra utal, hogy a gyűrű egy ilyen hold felbomlásakor keletkezhetett). Az A és a B gyűrű között egy széles rés húzódik, amelyet Cassini-osztálynak neveztek el Gian Domenico Cassini után, aki 1675-ben pillantotta meg először távcsővel, és akinek nevét a bolygókutatók a Szaturnusz-rendszert kutató Cassini-űrszondának is adták.

2. ábra: A Szaturnusz gyűrűi felülről és alulról nézve. (a) A felülről nézve a közvetlen napfény által megvilágított látvány. (b) Az alulról látható megvilágítás a gyűrűk résein át szórt napfény. (hitel a, b: a NASA/JPL-Caltech/Space Science Institute munkájának módosítása)

A Szaturnusz gyűrűi nagyon szélesek és nagyon vékonyak. A főgyűrűk szélessége 70 000 kilométer, átlagos vastagságuk mégis csak 20 méter. Ha a gyűrűk méretarányos modelljét papírból készítenénk, akkor 1 kilométer átmérőjűnek kellene lennie. Ebben a méretarányban maga a Szaturnusz olyan magas lenne, mint egy 80 emeletes épület. A gyűrű részecskéi elsősorban vízjégből állnak, és a homokszemcséktől egészen a házméretű sziklákig terjednek. A gyűrűk egy bennfentes szemlélője valószínűleg lebegő hópelyhek és jégesők fényes felhőjére hasonlítana, néhány hógolyóval és nagyobb objektummal, amelyek közül sok kisebb részecskék laza halmaza (3. ábra).

3. ábra: A Szaturnusz gyűrűinek művész által idealizált lenyomata belülről nézve. Vegyük észre, hogy a gyűrűk többnyire különböző méretű vízjégdarabokból állnak. Küldetése végén a Cassini űrszonda azt tervezi, hogy átvág a Szaturnusz gyűrűinek egyik résén, de ilyen közel nem fog jutni. (credit: NASA/JPL/University of Colorado munkájának módosítása)

A széles A, B és C gyűrűk mellett a Szaturnusznak van egy maroknyi nagyon keskeny, legfeljebb 100 kilométer széles gyűrűje. Ezek közül a legjelentősebbet, amely közvetlenül az A gyűrűn kívül fekszik, F gyűrűnek nevezik; meglepő megjelenését alább tárgyaljuk. Általában véve a Szaturnusz keskeny gyűrűi hasonlítanak az Uránusz és a Neptunusz gyűrűire.

Egy nagyon halvány, vékony gyűrű is van, az E gyűrű, amely a Szaturnusz kis jeges holdjához, az Enceladushoz kapcsolódik. Az E gyűrű részecskéi nagyon kicsik és vízjégből állnak. Mivel egy ilyen vékony jégkristályfelhő hajlamos arra, hogy szétoszoljon, az E gyűrű folyamatos létezése erősen arra utal, hogy az Enceladuson lévő forrásból folyamatosan feltöltődik. Ez a jeges hold nagyon kicsi – átmérője mindössze 500 kilométer -, de a Voyager felvételei azt mutatták, hogy a felszínének mintegy felén lévő kráterek eltűntek, ami valamikor az elmúlt néhány millió év geológiai tevékenységére utal. A Cassini tudósai nagy várakozással manőverezték az űrszonda pályáját, hogy 2005-től kezdődően többször közel repülhessenek az Enceladushoz.

A Cassini elrepülési eredményeit várók nem csalódtak. A nagy felbontású felvételeken a déli pólus közelében hosszú, sötét, sima talajcsíkok látszottak, amelyeket hamarosan “tigriscsíkoknak” neveztek el (4. ábra). Az infravörös mérések kimutatták, hogy ezek a tigriscsíkok melegebbek, mint a környezetük. A legjobb az egészben, hogy a tigriscsíkokon több tucat kriovulkanikus nyílást láttak, amelyekből sós vízből és jégből álló gejzírek törtek elő (5. ábra). Becslések szerint másodpercenként 200 kilogramm anyag lövellt ki az űrbe – nem sok, de elég volt az űrszonda számára a mintavételhez.

4. ábra: Enceladus. (a) Ezen a képen sima és kráteres terep egyaránt látható a Szaturnusz holdján, valamint “tigriscsíkok” a déli sarkvidéken (a kép alsó részén). Ezek a sötét csíkok (itt eltúlzott színben láthatóak) megemelkedett hőmérsékletűek, és az Enceladuson felfedezett számos gejzír forrása. Körülbelül 130 kilométer hosszúak és 40 kilométerre vannak egymástól. (b) Itt az Enceladus Nagy-Britanniával és Nyugat-Európa partjaival méretarányosan van ábrázolva, hogy hangsúlyozzuk, hogy kis holdról van szó, mindössze mintegy 500 kilométer átmérőjű. (kredit a, b: a NASA/JPL/Space Science Institute munkájának módosítása)

Amikor a Cassinit arra irányították, hogy berepüljön a füstfelhőkbe, megmérte azok összetételét, és megállapította, hogy azok hasonlóak az üstökösökből felszabaduló anyaghoz (lásd Üstökösök és aszteroidák: A Naprendszer törmelékei). A gőz- és jégfelhők főként vízből álltak, de nyomokban nitrogént, ammóniát, metánt és más szénhidrogéneket is tartalmaztak. A gejzírekben nyomokban talált ásványi anyagok között közönséges só is volt, ami azt jelenti, hogy a gejzírfúvókák sós víz nagynyomású fúvókái voltak.

Az Enceladus ömlesztett tulajdonságainak és a folyamatban lévő gejzírek folyamatos vizsgálata alapján 2015-ben a Cassini-misszió tudósai próbaképpen azonosították a gejzíreket tápláló felszín alatti vízóceánt. Ezek a felfedezések azt sugallták, hogy kis mérete ellenére az Enceladusnak fel kell kerülnie azon világok listájára, amelyeket az esetleges élet szempontjából szeretnénk felfedezni. Mivel felszín alatti óceánja kényelmesen kiszökik az űrbe, sokkal könnyebb lehet mintát venni belőle, mint az Europa óceánjából, amely mélyen a vastag jégkéreg alá van temetve.

5. ábra: Gejzírek az Enceladuson. Ezen a Cassini-felvételen számos vízgejzír látható a Szaturnusz kis holdján, az Enceladuson, amelyek nyilvánvalóan egy felszín alatti forrásból származó sós víz, amely a felszínen lévő repedéseken keresztül távozik. A felszínen a négy “tigriscsík” mentén görbe gejzírvonalak láthatók. (hitel: NASA/JPL/Space Science Institute munkájának módosítása)

Az Uránusz és a Neptunusz gyűrűi

6. ábra: Az Uránusz gyűrűi. A Voyager-csapatnak sokáig kellett exponálnia ezt a képet, hogy megpillanthassa az Uránusz keskeny, sötét gyűrűit. A kép hátterében a kamera elektronikájának szemcsés “zajstruktúrája” látható. (credit: NASA/JPL munkájának módosítása)

Az Uránusz gyűrűi keskenyek és feketék, így a Földről szinte láthatatlanok. A kilenc fő gyűrűt 1977-ben fedezték fel egy csillag megfigyelései alapján, amikor az Uránusz elhaladt előtte. Egy csillagászati objektumnak egy másik előtt való ilyen elhaladását fedésnek nevezzük. Az 1977-es fedés során a csillagászok arra számítottak, hogy a csillag fénye eltűnik, ahogy a bolygó áthalad rajta. Emellett azonban a csillag többször is rövid időre elsötétült, mielőtt az Uránusz elérte volna, ahogy minden egyes keskeny gyűrű áthaladt a csillag és a távcső között. Így a gyűrűket részletesen feltérképezték, annak ellenére, hogy közvetlenül nem lehetett látni vagy lefényképezni őket, mintha éjszaka egy vonat kocsijainak számát számolnánk meg úgy, hogy egy lámpa villogását figyeljük, amint a kocsik egymás után haladnak el előtte. Amikor a Voyager 1986-ban megközelítette az Uránuszt, közelről tanulmányozhatta a gyűrűket; az űrszonda két új gyűrűt is lefényképezett (6. ábra).

Az Uránusz legkülső és legmasszívabb gyűrűit Epsilon-gyűrűnek nevezik. Szélessége mindössze mintegy 100 kilométer, vastagsága pedig valószínűleg nem haladja meg a 100 métert (hasonlóan a Szaturnusz F-gyűrűjéhez). Az Epsilon-gyűrű 51 000 kilométer távolságban veszi körül az Uránuszt, ami körülbelül kétszerese az Uránusz sugarának. Ez a gyűrű valószínűleg annyi tömeget tartalmaz, mint az Uránusz másik tíz gyűrűje együttvéve; legtöbbjük keskeny, 10 kilométernél is keskenyebb szalag, éppen a Szaturnusz széles gyűrűinek a fordítottja.

7. ábra: A Neptunusz gyűrűi. A Neptunusz gyűrűiről készült hosszú expozíciót a Voyager 2 fényképezte. Figyeljük meg a külső gyűrű két sűrűbb régióját. (hitel: a NASA/JPL munkájának módosítása)

Az uráni gyűrűk egyes részecskéi majdnem olyan feketék, mint a széndarabok. Bár a csillagászok nem ismerik részletesen ennek az anyagnak az összetételét, úgy tűnik, hogy nagyrészt szén- és szénhidrogénvegyületekből áll. Az ilyen jellegű szerves anyag meglehetősen gyakori a külső Naprendszerben.

Az aszteroidák és üstökösök közül sok szintén sötét, kátrányszerű anyagból áll. Az Uránusz esetében tíz kis belső holdja hasonló összetételű, ami arra utal, hogy egy vagy több hold felbomolhatott a gyűrűk kialakulásához.

A Neptunusz gyűrűi általában hasonlóak az Uránuszéhoz, de még vékonyabbak (7. ábra). Csak négy van belőlük, és a részecskék nem egyenletesen oszlanak el a hosszuk mentén.

Miatt ezeket a gyűrűket olyan nehéz a Földről vizsgálni, valószínűleg hosszú időbe fog telni, amíg nagyon jól megértjük őket.

A gyűrűk és a holdak közötti kölcsönhatások

A bolygógyűrűk iránti rajongásunk nagy része bonyolult szerkezeteiknek köszönhető, amelyek többsége a holdak gravitációs hatásának köszönheti létét, amelyek nélkül a gyűrűk laposak és jellegtelenek lennének. Sőt, egyre világosabbá válik, hogy holdak nélkül valószínűleg egyáltalán nem lennének gyűrűk, mert magukra hagyva a kis részecskékből álló vékony korongok fokozatosan szétterülnek és szétoszlanak.

A Szaturnusz gyűrűinek legtöbb hézaga, valamint az A gyűrű külső peremének elhelyezkedése a kis belső holdakkal való gravitációs rezonanciából ered. A rezonancia akkor jön létre, amikor két objektum keringési periódusa pontosan egymáshoz viszonyított arányban áll, például 1:2 vagy 2:3 arányban. Például a Szaturnusz gyűrűi Cassini-osztályának belső oldalán lévő résben lévő bármely részecske periódusa a Szaturnusz Mimas holdjának periódusának felével lenne egyenlő. Egy ilyen részecske minden második keringéskor a pályájának ugyanazon részén lenne a legközelebb a Mimashoz. A Mimas ismételt, mindig ugyanabba az irányba ható gravitációs rántásai megzavarnák, és a résen kívüli új pályára kényszerítenék. Ily módon a Cassini-osztag hosszú idő alatt kiürült a gyűrűk anyagából.

A Cassini-misszió nagy mennyiségű finom szerkezetet tárt fel a Szaturnusz gyűrűiben. A korábbi Voyager elrepülésekkel ellentétben a Cassini több mint egy évtizeden át tudta megfigyelni a gyűrűket, és a változások figyelemre méltó skáláját tárta fel, néhány perctől több évig terjedő időskálán. A Cassini-adatokban újonnan észlelt jellegzetességek közül sok a gyűrűkbe ágyazott, mindössze néhány tíz méter átmérőjű kondenzációk vagy kis holdak jelenlétére utal. Ahogy az egyes kis holdak mozognak, hullámokat keltenek a környező gyűrűk anyagában, mint a mozgó hajó által hagyott hullámok. Még ha a hold túl kicsi is ahhoz, hogy felbontható legyen, jellegzetes hullámait a Cassini le tudta fényképezni.

A Szaturnusz egyik legérdekesebb gyűrűje a keskeny F-gyűrű, amely 90 kilométeres szélességén belül több látszólagos gyűrűt tartalmaz. Az F-gyűrű helyenként két-három párhuzamos szálra szakad, amelyek néha kanyarulatokat vagy görbületeket mutatnak. Az Uránusz és a Neptunusz gyűrűinek többsége szintén keskeny szalagokból áll, mint a Szaturnusz F-gyűrűje. Nyilvánvaló, hogy néhány objektum gravitációjának kell megakadályoznia, hogy a részecskék ezekben a vékony gyűrűkben szétterüljenek.

Amint láttuk, a Szaturnusz gyűrűinek legnagyobb vonásait a belső holdakkal való gravitációs rezonanciák hozzák létre, míg a finom szerkezet nagy részét a kisebb beágyazott holdak okozzák. A Szaturnusz F gyűrűje esetében a közeli felvételekből kiderült, hogy azt két hold, a Pandora és a Prométheusz pályája határolja (8. ábra). Ezt a két kis holdat (egyenként kb. 100 km átmérőjűek) pásztormondoknak nevezik, mivel gravitációjuk a gyűrű részecskéinek “pásztorlására” szolgál, és egy keskeny szalagban tartja őket. Hasonló a helyzet az Uránusz Epsilon-gyűrűjénél is, amelyet a Cordelia és az Ophelia holdak pásztorolnak. Ez a két, egyenként mintegy 50 kilométer átmérőjű pásztor mintegy 2000 kilométerre kering a gyűrűn belül és kívül.

8. ábra: A Szaturnusz F gyűrűje és pásztorholdjai. (a) Ez a Cassini-felvétel a Szaturnusz keskeny, összetett F-gyűrűjét mutatja a két kis pásztorholddal, a Pandorával (balra) és a Prométheusszal (jobbra). (b) Ezen a közelebbi felvételen a Pandora pásztorhold (84 kilométer átmérőjű) látható az F-gyűrű mellett, ahol a hold a gyűrű részecskéinek fő (legfényesebb) szálát zavarja elhaladása közben. Ezen a képen a Pandora sötét oldala látható, mert a Szaturnuszról visszaverődő fény világítja meg. (credit a, b: a NASA/JPL/Space Science Institute munkájának módosítása)

Az elméleti számítások szerint az uráni és neptuni rendszerben lévő többi keskeny gyűrűt is pásztorholdaknak kellene irányítaniuk, de eddig egyiket sem sikerült megtalálni. Az ilyen pásztorholdak számított átmérője (kb. 10 kilométer) éppen a Voyager kameráinak észlelhetőségi határán volt, így nem lehet megmondani, hogy vannak-e vagy sem. (Tekintettel a sok keskeny gyűrűre, amit látunk, egyes tudósok még mindig abban reménykednek, hogy találnak egy másik, kielégítőbb mechanizmust a bezártságukra.)

A gyűrűk megértésének egyik megoldatlan problémája a koruk meghatározása. Az óriásbolygók mindig is rendelkeztek a ma látható gyűrűrendszerekkel, vagy ezek a Naprendszer közelmúltbeli vagy átmeneti kiegészítői lehetnek? A Szaturnusz fő gyűrűi esetében a tömegük nagyjából megegyezik a belső Mimas hold tömegével. Így a gyűrűk egy Mimas méretű hold felbomlásával keletkezhettek, talán a Naprendszer történelmének nagyon korai szakaszában, amikor a bolygóképződésből sok bolygóközi lövedék maradt meg. Nehezebb megérteni, hogyan történhetett egy ilyen katasztrofális esemény a közelmúltban, amikor a Naprendszer már stabilabbá vált.”

Glosszárium

rezonancia: olyan keringési állapot, amelyben az egyik objektum egy másik által okozott periodikus gravitációs perturbációnak van kitéve; leggyakrabban akkor keletkezik, ha két, egy harmadik körül keringő objektum keringési periódusa egymás egyszerű többszöröse vagy tört része