Oprócz ich księżyców, wszystkie cztery olbrzymie planety mają pierścienie, z każdym systemem pierścieni składającym się z miliardów małych cząsteczek lub „moonlets” orbitujących blisko ich planety. Każdy z tych pierścieni wykazuje skomplikowaną strukturę, która jest związana z oddziaływaniami pomiędzy cząsteczkami pierścieni a większymi księżycami. Jednak te cztery systemy pierścieni są bardzo różne od siebie pod względem masy, struktury i składu, co przedstawiono w tabeli 1.

Duży system pierścieniowy Saturna składa się z lodowych cząstek rozłożonych na kilka rozległych, płaskich pierścieni zawierających bardzo dużo drobnej struktury. Systemy pierścieni Urana i Neptuna, z drugiej strony, są niemal odwrotnością systemu Saturna: składają się z ciemnych cząstek zamkniętych w kilku wąskich pierścieniach z szerokimi pustymi szczelinami pomiędzy nimi. Pierścień Jowisza i co najmniej jeden Saturna są jedynie przejściowymi pasmami pyłu, nieustannie odnawianymi przez ziarna pyłu wyemitowane z małych księżyców. W tym rozdziale skupimy się na dwóch najbardziej masywnych systemach pierścieniowych, Saturna i Urana.

Co powoduje powstawanie pierścieni?

Pierścień jest zbiorem ogromnej liczby cząstek, z których każda jest jak maleńki księżyc posłuszny prawom Keplera, podążający po własnej orbicie wokół planety. Tak więc, wewnętrzne cząstki obracają się szybciej niż te bardziej oddalone, a pierścień jako całość nie obraca się jako ciało stałe. W rzeczywistości lepiej nie myśleć o pierścieniu obracającym się w ogóle, ale raczej rozważać rewolucję (lub ruch po orbicie) jego poszczególnych moonlets.

Gdyby cząstki pierścienia były szeroko rozstawione, poruszałyby się niezależnie, jak oddzielne moonlets. Jednak w głównych pierścieniach Saturna i Urana cząstki są wystarczająco blisko, aby wywierać wzajemny wpływ grawitacyjny, a czasami nawet ocierać się o siebie lub odbijać od siebie w zderzeniach przy małych prędkościach. Z powodu tych oddziaływań widzimy zjawiska takie jak fale, które poruszają się po pierścieniach – tak jak fale wodne poruszają się po powierzchni oceanu.

Istnieją dwie podstawowe koncepcje tego, jak takie pierścienie powstają. Pierwszą z nich jest hipoteza rozpadu, która sugeruje, że pierścienie są pozostałością po rozbitym księżycu. Przechodząca kometa lub asteroida mogła zderzyć się z księżycem, rozbijając go na kawałki. Siły pływowe rozerwały te fragmenty i rozproszyły się one w dysk. Druga hipoteza, która przyjmuje odwrotną perspektywę, sugeruje, że pierścienie są wykonane z cząstek, które nie były w stanie zebrać się razem, aby utworzyć księżyc w pierwszej kolejności.

W każdej z tych teorii grawitacja planety odgrywa ważną rolę. W pobliżu planety (patrz rysunek 1), siły pływowe mogą rozrywać ciała lub powstrzymywać luźne cząstki od łączenia się. Nie wiemy, które wyjaśnienie jest właściwe dla danego pierścienia, chociaż wielu naukowców doszło do wniosku, że co najmniej kilka pierścieni jest stosunkowo młodych i dlatego musi być wynikiem rozpadu.

Rysunek 1: Cztery systemy pierścieni. Ten diagram pokazuje położenie systemów pierścieni czterech planet olbrzymów. Lewa oś przedstawia powierzchnię planety. Pionowa przerywana linia to granica, wewnątrz której siły grawitacyjne mogą rozbijać księżyce (każdy system planety jest narysowany w innej skali, tak aby ta granica stabilności zgadzała się dla wszystkich czterech). Czarne kropki to wewnętrzne księżyce każdej planety w tej samej skali co jej pierścienie. Zauważ, że tylko naprawdę małe księżyce przetrwają wewnątrz granicy stabilności.

Pierścienie Saturna

Pierścienie Saturna są jednym z najpiękniejszych widoków w Układzie Słonecznym (Rysunek 2). Od zewnętrznego do wewnętrznego, trzy najjaśniejsze pierścienie są oznaczone wyjątkowo nieromantycznymi nazwami Pierścienie A, B i C. Tabela 2 podaje wymiary pierścieni zarówno w kilometrach, jak i w jednostkach promienia Saturna, RSaturn. Pierścień B jest najjaśniejszy i ma najściślej upakowane cząstki, podczas gdy pierścienie A i C są półprzezroczyste.

Całkowita masa pierścienia B, która jest prawdopodobnie zbliżona do masy całego systemu pierścieniowego, jest mniej więcej równa masie lodowego księżyca o średnicy 250 kilometrów (co sugeruje, że pierścień mógł powstać w wyniku rozpadu takiego księżyca). Pomiędzy pierścieniami A i B znajduje się szeroka szczelina nazwana Działem Cassiniego na cześć Gian Domenico Cassiniego, który po raz pierwszy dostrzegł ją przez teleskop w 1675 roku i którego imię naukowcy planetarni nadali również sondzie kosmicznej Cassini badającej system Saturna.

Rysunek 2: Pierścienie Saturna widziane z góry i z dołu. (a) Widok z góry jest oświetlony przez bezpośrednie światło słoneczne. (b) Oświetlenie widziane od dołu to światło słoneczne, które rozproszyło się przez szczeliny w pierścieniach. (kredyt a, b: modyfikacja pracy NASA/JPL-Caltech/Space Science Institute)

Pierścienie Saturna są bardzo szerokie i bardzo cienkie. Szerokość głównych pierścieni wynosi 70 000 kilometrów, ale ich średnia grubość to zaledwie 20 metrów. Gdybyśmy wykonali model pierścieni z papieru, musielibyśmy je wykonać w skali 1 kilometra. W tej skali sam Saturn byłby tak wysoki jak 80-piętrowy budynek. Cząsteczki pierścieni składają się głównie z lodu wodnego, a ich rozmiary wahają się od ziaren wielkości piasku aż do głazów wielkości domu. Wewnętrzny widok pierścieni prawdopodobnie przypominałby jasną chmurę unoszących się płatków śniegu i kulek gradu, z kilkoma kulami śnieżnymi i większymi obiektami, z których wiele to luźne skupiska mniejszych cząstek (Rysunek 3).

Rysunek 3: Artystyczne wyidealizowane wrażenie pierścieni Saturna widzianych od wewnątrz. Zauważ, że pierścienie są w większości zbudowane z kawałków lodu wodnego o różnych rozmiarach. Pod koniec swojej misji, sonda Cassini planuje przeciąć jedną z luk w pierścieniach Saturna, ale nie podejdzie tak blisko. (credit: modification of work by NASA/JPL/University of Colorado)

Oprócz szerokich pierścieni A, B i C, Saturn posiada garść bardzo wąskich pierścieni o szerokości nie większej niż 100 kilometrów. Najbardziej znaczący z nich, który leży tuż za pierścieniem A, nazywany jest pierścieniem F; jego zaskakujący wygląd omówiony jest poniżej. Ogólnie rzecz biorąc, wąskie pierścienie Saturna przypominają pierścienie Urana i Neptuna.

Istnieje również bardzo słaby, delikatny pierścień, zwany Pierścieniem E, związany z małym lodowym księżycem Saturna, Enceladusem. Cząsteczki w pierścieniu E są bardzo małe i składają się z lodu wodnego. Ponieważ taka delikatna chmura kryształków lodu ma tendencję do rozpraszania się, ciągłe istnienie pierścienia E silnie sugeruje, że jest on nieustannie uzupełniany przez źródło na Enceladusie. Ten lodowy księżyc jest bardzo mały – ma zaledwie 500 kilometrów średnicy – ale zdjęcia z Voyagera pokazały, że kratery na około połowie jego powierzchni zostały wymazane, co wskazuje na aktywność geologiczną w ciągu ostatnich kilku milionów lat. Z wielką niecierpliwością naukowcy Cassini manewrowali orbitą statku kosmicznego, aby umożliwić wielokrotne bliskie przeloty nad Enceladusem począwszy od 2005 roku.

Oczekujący na wyniki przelotów Cassini nie byli zawiedzeni. Obrazy o wysokiej rozdzielczości pokazały długie, ciemne pasy gładkiego gruntu w pobliżu południowego bieguna, które szybko zyskały przydomek „tygrysich pasów” (Rysunek 4). Pomiary w podczerwieni ujawniły, że te tygrysie pasy są cieplejsze niż ich otoczenie. Co najlepsze, dziesiątki kriowulkanicznych otworów wentylacyjnych na tygrysich pasach były widoczne jako gejzery słonej wody i lodu (rysunek 5). Szacuje się, że w każdej sekundzie w przestrzeń kosmiczną wystrzeliwało 200 kilogramów materiału – niedużo, ale wystarczająco dużo, aby sonda kosmiczna mogła pobrać próbki.

Rysunek 4: Enceladus. (a) Ten obraz pokazuje zarówno gładki, jak i pokruszony teren na księżycu Saturna, a także „tygrysie pasy” w południowym rejonie biegunowym (dolna część obrazu). Te ciemne pasy (pokazane tutaj w wyolbrzymionym kolorze) mają podwyższoną temperaturę i są źródłem wielu gejzerów odkrytych na Enceladusie. Mają one około 130 kilometrów długości i są oddalone od siebie o 40 kilometrów. (b) Tutaj Enceladus jest pokazany w skali z Wielką Brytanią i wybrzeżem Europy Zachodniej, aby podkreślić, że jest to mały księżyc, o średnicy zaledwie około 500 kilometrów. (kredyt a, b: modyfikacja pracy NASA/JPL/Space Science Institute)

Kiedy Cassini został skierowany na lot w pióropusze, zmierzył ich skład i stwierdził, że są podobne do materiału, który widzimy uwolniony z komet (zobacz Komety i asteroidy: Szczątki Układu Słonecznego). Pióropusze pary i lodu składały się głównie z wody, ale ze śladowymi ilościami azotu, amoniaku, metanu i innych węglowodorów. Minerały znalezione w gejzerach w śladowych ilościach obejmowały zwykłą sól, co oznacza, że pióropusze gejzerów były wysokociśnieniowymi rozpryskami słonej wody.

W oparciu o kontynuowane badania właściwości masowych Enceladusa i trwające gejzery, w 2015 roku naukowcy misji Cassini wstępnie zidentyfikowali podpowierzchniowy ocean wody zasilający gejzery. Odkrycia te sugerowały, że pomimo niewielkich rozmiarów, Enceladus powinien zostać dodany do listy światów, które chcielibyśmy zbadać pod kątem ewentualnego życia. Ponieważ jego podpowierzchniowy ocean wygodnie ucieka w przestrzeń, może być znacznie łatwiejszy do zbadania niż ocean Europy, który jest głęboko zakopany pod grubą skorupą lodu.

Rysunek 5: Gejzery na Enceladusie. To zdjęcie Cassini pokazuje szereg gejzerów wodnych na małym księżycu Saturna, Enceladusie. Najwyraźniej słona woda z podpowierzchniowego źródła wydostaje się przez szczeliny w powierzchni. Można dostrzec zakrzywione linie gejzerów wzdłuż czterech „tygrysich pasów” na powierzchni. (kredyt: modyfikacja pracy NASA/JPL/Space Science Institute)

Pierścienie Urana i Neptuna

Rysunek 6: Pierścienie Urana. Zespół Voyagera musiał długo naświetlać ten obraz, aby zobaczyć wąskie, ciemne pierścienie Urana. W tle zdjęcia można dostrzec ziarnistą strukturę „szumu” w elektronice kamery. (credit: modification of work by NASA/JPL)

Pierścienie Urana są wąskie i czarne, co czyni je prawie niewidocznymi z Ziemi. Dziewięć głównych pierścieni zostało odkrytych w 1977 roku na podstawie obserwacji gwiazdy, gdy Uran przechodził przed nią. Takie przejście jednego obiektu astronomicznego przed drugim nazywamy okultacją. Podczas okluzji w 1977 roku astronomowie spodziewali się, że światło gwiazdy zniknie, gdy planeta będzie się po niej przemieszczać. Tymczasem gwiazda przygasała na krótko kilka razy, zanim Uran do niej dotarł, gdy każdy wąski pierścień przechodził pomiędzy gwiazdą a teleskopem. W ten sposób pierścienie zostały szczegółowo odwzorowane, mimo że nie można było ich bezpośrednio zobaczyć ani sfotografować, tak jak w przypadku liczenia liczby wagonów w pociągu nocą poprzez obserwowanie mrugania światła, gdy wagony kolejno przejeżdżają przed nim. Kiedy Voyager zbliżył się do Urana w 1986 roku, był w stanie zbadać pierścienie z bliska; sonda sfotografowała również dwa nowe pierścienie (Rysunek 6).

Najbardziej zewnętrzny i masywny z pierścieni Urana nazywa się Pierścieniem Epsilon. Ma on tylko około 100 kilometrów szerokości i prawdopodobnie nie więcej niż 100 metrów grubości (podobnie jak pierścień F Saturna). Pierścień Epsilon okrąża Urana w odległości 51 000 kilometrów, czyli około dwa razy większej niż promień Urana. Ten pierścień zawiera prawdopodobnie tyle samo masy, co wszystkie pozostałe dziesięć pierścieni Urana razem wzięte; większość z nich to wąskie wstęgi o szerokości mniejszej niż 10 kilometrów, dokładnie odwrotnie niż szerokie pierścienie Saturna.

Rysunek 7: Pierścienie Neptuna. Ta długa ekspozycja pierścieni Neptuna została sfotografowana przez Voyagera 2. Zwróć uwagę na dwa gęstsze regiony pierścienia zewnętrznego. (kredyt: modyfikacja pracy NASA/JPL)

Poszczególne cząsteczki w uranicznych pierścieniach są prawie tak czarne jak bryły węgla. Chociaż astronomowie nie znają składu tego materiału w szczegółach, wydaje się, że składa się on w dużej części z węgla i związków węglowodorowych. Tego rodzaju materiał organiczny jest dość powszechny w zewnętrznym Układzie Słonecznym.

Wiele asteroid i komet również składa się z ciemnych, smolistych materiałów. W przypadku Urana, jego dziesięć małych wewnętrznych księżyców ma podobny skład, co sugeruje, że jeden lub więcej księżyców mogło się rozpaść, aby utworzyć pierścienie.

Pierścienie Neptuna są generalnie podobne do tych z Urana, ale jeszcze bardziej napięte (Rysunek 7). Jest ich tylko cztery, a cząsteczki nie są równomiernie rozmieszczone wzdłuż ich długości.

Ponieważ pierścienie te są tak trudne do zbadania z Ziemi, prawdopodobnie minie jeszcze dużo czasu zanim zrozumiemy je bardzo dobrze.

Przykład 1: Resolution of Planetary Rings

Używając okluzji gwiazd przez pierścienie Saturna, astronomowie byli w stanie zmierzyć szczegóły w strukturze pierścieni z rozdzielczością 10 km. Jest to znacznie wyższa rozdzielczość niż ta, którą można uzyskać na konwencjonalnych zdjęciach pierścieni. Ustalmy, jaką rozdzielczość kątową (w arcsec) musiałby osiągnąć teleskop kosmiczny na orbicie Ziemi, aby uzyskać taką samą rozdzielczość.

Pokaż odpowiedź

Aby rozwiązać ten problem, używamy „formuły małego kąta” do powiązania średnic kątowych i liniowych na niebie. Odległość Saturna w pobliżu opozycji wynosi około

9 AU = 1,4 × 109 km. Podstawiając do powyższego wzoru i rozwiązując dla rozdzielczości kątowej, otrzymujemy

rozdzielczość kątową}==frac{206,265}text{arcsec}} razy 10}{1,4}times {10}^{9}text{km}}

czyli około 10-3 arcsec, czyli milircsec. Nie jest to możliwe do osiągnięcia przez nasze teleskopy. Dla porównania, najlepsza rozdzielczość z Kosmicznego Teleskopu Hubble’a lub teleskopów naziemnych wynosi około 0,1 arcseca, czyli 100 razy gorzej niż to, czego byśmy potrzebowali. Dlatego właśnie takie pomiary okluzji są tak przydatne dla astronomów.

Sprawdź swoją wiedzę

Jak blisko Saturna musiałby być statek kosmiczny, aby dostrzec szczegóły w jego pierścieniach tak małe jak 20 km, jeśli jego kamera ma rozdzielczość kątową 5 arcsec?

Show Answer

Używając naszego wzoru,

displaystyle}frac{text{angular diameter}}{206,265}}==średnica liniowa}{7047>

otrzymujemy

displaystyle}frac{5}średnica kątowa}{206,265}}=średnica liniowa}{7047>

Więc odległość wynosi około 825 000 km.

Interakcje między pierścieniami i księżycami

Wielka część naszej fascynacji pierścieniami planetarnymi wynika z ich skomplikowanych struktur, z których większość zawdzięcza swoje istnienie grawitacyjnemu oddziaływaniu księżyców, bez których pierścienie byłyby płaskie i pozbawione cech charakterystycznych. Rzeczywiście, staje się jasne, że bez księżyców prawdopodobnie w ogóle nie byłoby pierścieni, ponieważ pozostawione same sobie, cienkie krążki małych cząsteczek stopniowo rozprzestrzeniają się i rozpraszają.

Większość luk w pierścieniach Saturna, a także położenie zewnętrznej krawędzi Pierścienia A, wynika z rezonansów grawitacyjnych z małymi wewnętrznymi księżycami. Rezonans ma miejsce, gdy dwa obiekty mają okresy orbitalne, które są dokładnymi proporcjami siebie nawzajem, takimi jak 1:2 lub 2:3. Na przykład, jakakolwiek cząstka znajdująca się w szczelinie po wewnętrznej stronie działu Cassini pierścieni Saturna miałaby okres równy połowie okresu księżyca Saturna – Mimasa. Taka cząstka znajdowałaby się najbliżej Mimasa w tej samej części jego orbity co drugi obrót. Powtarzające się grawitacyjne przyciąganie Mimasa, działające zawsze w tym samym kierunku, perturbowałoby ją, zmuszając do wejścia na nową orbitę poza szczeliną. W ten sposób Oddział Cassini został pozbawiony materiału pierścieniowego w długich okresach czasu.

Misja Cassini ujawniła wiele drobnych struktur w pierścieniach Saturna. W przeciwieństwie do wcześniejszych przelotów Voyagera, Cassini był w stanie obserwować pierścienie przez ponad dekadę, ujawniając niezwykły zakres zmian, w skalach czasowych od kilku minut do kilku lat. Wiele z cech nowo zaobserwowanych w danych Cassiniego wskazuje na obecność kondensacji lub małych księżyców o średnicy zaledwie kilkudziesięciu metrów, osadzonych w pierścieniach. Gdy każdy mały księżyc porusza się, wytwarza fale w otaczającej go materii pierścieniowej, jak ślad pozostawiony przez poruszający się statek. Nawet, gdy księżyc jest zbyt mały, aby można go było rozróżnić, jego charakterystyczne fale mogą zostać sfotografowane przez Cassiniego.

Jednym z najciekawszych pierścieni Saturna jest wąski pierścień F, który zawiera kilka widocznych pierścieni w obrębie swojej 90-kilometrowej szerokości. W niektórych miejscach, pierścień F rozpada się na dwa lub trzy równoległe pasma, które czasami wykazują zagięcia lub załamania. Większość pierścieni Urana i Neptuna to również wąskie wstążki, takie jak F Pierścień Saturna. Najwyraźniej grawitacja jakichś obiektów musi utrzymywać cząsteczki w tych cienkich pierścieniach przed rozprzestrzenianiem się.

Jak widzieliśmy, największe cechy pierścieni Saturna są produkowane przez rezonanse grawitacyjne z wewnętrznymi księżycami, podczas gdy duża część drobnej struktury jest powodowana przez mniejsze, osadzone księżyce. W przypadku pierścienia F Saturna, zbliżenia ujawniły, że jest on ograniczony przez orbity dwóch księżyców, zwanych Pandora i Prometeusz (Rysunek 8). Te dwa małe księżyce (każdy o średnicy około 100 kilometrów) nazywane są księżycami pasterskimi, ponieważ ich grawitacja służy do „pastwienia” cząsteczek pierścienia i utrzymywania ich w wąskiej wstędze. Podobna sytuacja ma miejsce w przypadku pierścienia Epsilon Urana, któremu pasterzują księżyce Cordelia i Ophelia. Te dwa pasterze, każdy o średnicy około 50 kilometrów, orbitują około 2000 kilometrów wewnątrz i na zewnątrz pierścienia.

Rysunek 8: Pierścień F Saturna i jego księżyce-pasterze. (a) Ten obraz Cassiniego pokazuje wąski, złożony pierścień F Saturna, z jego dwoma małymi księżycami pasterskimi Pandorą (po lewej) i Prometeuszem (po prawej). (b) W tym bliższym widoku, księżyc pasterski Pandora (84 kilometry średnicy) jest widoczny obok pierścienia F, w którym księżyc zakłóca główne (najjaśniejsze) pasmo cząstek pierścienia podczas przechodzenia. Na tym zdjęciu widać ciemną stronę Pandory, ponieważ jest ona oświetlana przez światło odbite od Saturna. (kredyt a, b: modyfikacja pracy NASA/JPL/Space Science Institute)

Możesz pobrać film pokazujący dwa księżyce pasterskie po obu stronach pierścienia F Saturna.

Obliczenia teoretyczne sugerują, że inne wąskie pierścienie w systemach uranicznym i neptunowym powinny być również kontrolowane przez księżyce pasterskie, ale żaden nie został zlokalizowany. Obliczona średnica takich pasterzy (około 10 kilometrów) była tuż przy granicy wykrywalności dla kamer Voyagera, więc nie można powiedzieć, czy są one obecne, czy nie. (Biorąc pod uwagę wszystkie wąskie pierścienie, które widzimy, niektórzy naukowcy wciąż mają nadzieję na znalezienie innego, bardziej satysfakcjonującego mechanizmu utrzymywania ich w zamknięciu.)

Jednym z zaległych problemów ze zrozumieniem pierścieni jest określenie ich wieku. Czy olbrzymie planety zawsze miały systemy pierścieni, które widzimy dzisiaj, czy też mogą one być niedawnym lub przejściowym dodatkiem do Układu Słonecznego? W przypadku głównych pierścieni Saturna, ich masa jest mniej więcej taka sama jak masa wewnętrznego księżyca Mimasa. Mogły więc powstać w wyniku rozpadu księżyca o rozmiarach Mimasa, być może bardzo wcześnie w historii Układu Słonecznego, gdy po formowaniu się planet pozostało wiele pocisków międzyplanetarnych. Trudniej jest zrozumieć, jak takie katastrofalne wydarzenie mogło mieć miejsce niedawno, gdy Układ Słoneczny stał się bardziej stabilnym miejscem.

Kluczowe pojęcia i podsumowanie

Pierścienie składają się z ogromnej liczby pojedynczych cząstek orbitujących tak blisko planety, że jej siły grawitacyjne mogły rozbić większe kawałki lub utrzymać małe kawałki przed zebraniem się razem. Pierścienie Saturna są szerokie, płaskie i prawie ciągłe, z wyjątkiem kilku szczelin. Cząstki to głównie lód wodny, o typowych wymiarach kilku centymetrów. Jeden z księżyców Saturna, Enceladus, wybucha dziś gejzerami wody, aby utrzymać delikatny pierścień E, który składa się z bardzo małych kryształków lodu. Pierścienie Urana są wąskimi wstęgami oddzielonymi szerokimi szczelinami i zawierają znacznie mniej masy. Pierścienie Neptuna są podobne, ale zawierają jeszcze mniej materiału. Duża część złożonej struktury pierścieni jest spowodowana falami i rezonansami wywołanymi przez księżyce znajdujące się wewnątrz pierścieni lub krążące poza nimi. Pochodzenie i wiek każdego z tych systemów pierścieniowych jest wciąż zagadką.

Słowniczek

rezonans: stan orbitalny, w którym jeden obiekt podlega okresowym perturbacjom grawitacyjnym ze strony drugiego, najczęściej powstający, gdy dwa obiekty orbitujące wokół trzeciego mają okresy obrotu będące prostymi wielokrotnościami lub ułamkami siebie nawzajem

1. Listy pierścieni są przypisane w kolejności ich odkrycia. ↵