În plus față de lunile lor, toate cele patru planete gigantice au inele, fiecare sistem de inele fiind format din miliarde de particule mici sau „lunulețe” care orbitează în apropierea planetei lor. Fiecare dintre aceste inele prezintă o structură complicată care este legată de interacțiunile dintre particulele inelare și lunile mai mari. Cu toate acestea, cele patru sisteme de inele sunt foarte diferite unele de altele în ceea ce privește masa, structura și compoziția, așa cum este prezentat în tabelul 1.

Sistemul mare de inele al lui Saturn este alcătuit din particule de gheață împrăștiate în mai multe inele vaste și plate care conțin o mare cantitate de structură fină. Sistemele de inele ale lui Uranus și Neptun, pe de altă parte, sunt aproape invers față de cel al lui Saturn: sunt formate din particule întunecate limitate la câteva inele înguste, cu spații largi și goale între ele. Inelul lui Jupiter și cel puțin unul dintre inelele lui Saturn sunt doar benzi de praf tranzitorii, reînnoite în mod constant de granulele de praf erodate de micile luni. În această secțiune, ne concentrăm asupra celor mai masive două sisteme de inele, cele ale lui Saturn și Uranus.

Ce cauzează inelele?

Un inel este o colecție de un număr mare de particule, fiecare ca o mică lună care se supune legilor lui Kepler în timp ce își urmează propria orbită în jurul planetei. Astfel, particulele din interior se rotesc mai repede decât cele mai îndepărtate, iar inelul ca întreg nu se rotește ca un corp solid. De fapt, este mai bine să nu ne gândim deloc la un inel care se rotește, ci mai degrabă să luăm în considerare revoluția (sau mișcarea pe orbită) a lunecușoarelor sale individuale.

Dacă particulele inelului ar fi foarte distanțate, ele s-ar mișca independent, ca niște lunecușoare separate. Cu toate acestea, în inelele principale ale lui Saturn și Uranus, particulele sunt suficient de apropiate pentru a exercita o influență gravitațională reciprocă și, ocazional, chiar pentru a se freca sau a ricoșa unele de altele în coliziuni cu viteză mică. Datorită acestor interacțiuni, observăm fenomene precum valurile care se deplasează de-a lungul inelelor – la fel cum valurile de apă se deplasează pe suprafața oceanului.

Există două idei de bază despre cum apar astfel de inele. Prima este ipoteza dezmembrării, care sugerează că inelele sunt rămășițele unei luni sfărâmate. O cometă sau un asteroid în trecere s-ar fi putut ciocni cu luna, spărgând-o în bucăți. Forțele mareice au îndepărtat apoi fragmentele, iar acestea s-au dispersat într-un disc. Cea de-a doua ipoteză, care adoptă perspectiva inversă, sugerează că inelele sunt alcătuite din particule care nu au putut să se unească pentru a forma o lună.

În ambele teorii, gravitația planetei joacă un rol important. În apropierea planetei (vezi Figura 1), forțele mareice pot rupe corpurile în bucăți sau pot împiedica particulele libere să se unească. Nu știm ce explicație este valabilă pentru un anumit inel, deși mulți oameni de știință au ajuns la concluzia că cel puțin câteva dintre inele sunt relativ tinere și, prin urmare, trebuie să fie rezultatul unei dezmembrări.

Figura 1: Patru sisteme de inele. Această diagramă prezintă amplasarea sistemelor de inele ale celor patru planete gigantice. Axa din stânga reprezintă suprafața planetei. Linia verticală punctată reprezintă limita în interiorul căreia forțele gravitaționale pot rupe lunile (sistemul fiecărei planete este desenat la o scară diferită, astfel încât această limită de stabilitate să se alinieze pentru toate cele patru). Punctele negre reprezintă lunile interioare ale fiecărei planete, la aceeași scară cu cea a inelelor sale. Observați că numai sateliții foarte mici supraviețuiesc în interiorul limitei de stabilitate.

Anelele lui Saturn

Anelele lui Saturn sunt una dintre cele mai frumoase priveliști din sistemul solar (Figura 2). De la exterior spre interior, cele mai strălucitoare trei inele sunt etichetate cu denumirile extrem de puțin romantice de inelele A, B și C. Tabelul 2 prezintă dimensiunile inelelor atât în kilometri, cât și în unități ale razei lui Saturn, RSaturn. Inelul B este cel mai strălucitor și are particulele cele mai strâns împachetate, în timp ce inelele A și C sunt translucide.

Masa totală a inelului B, care este probabil apropiată de masa întregului sistem de inele, este aproximativ egală cu cea a unei luni înghețate cu diametrul de 250 de kilometri (ceea ce sugerează că inelul ar fi putut lua naștere în urma dezmembrării unei astfel de luni). Între inelele A și B se află un spațiu larg numit Diviziunea Cassini, după Gian Domenico Cassini, care l-a zărit pentru prima dată printr-un telescop în 1675 și al cărui nume l-au dat cercetătorii planetari și navei spațiale Cassini care explorează sistemul Saturn.

Figura 2: Inelele lui Saturn văzute de sus și de jos. (a) Vederea de sus este iluminată de lumina directă a soarelui. (b) Iluminarea văzută de jos este lumina solară care s-a difuzat prin golurile din inele. (credit a, b: modificare a lucrării realizate de NASA/JPL-Caltech/Space Science Institute)

Inelele lui Saturn sunt foarte late și foarte subțiri. Lățimea inelelor principale este de 70.000 de kilometri, însă grosimea lor medie este de numai 20 de metri. Dacă am face un model la scară a inelelor din hârtie, ar trebui să le facem cu un diametru de 1 kilometru. La această scară, Saturn însuși ar fi la fel de înalt ca o clădire cu 80 de etaje. Particulele inelelor sunt compuse în principal din gheață de apă și variază de la granule de mărimea nisipului până la bolovani de mărimea unei case. O vedere din interior a inelelor ar semăna probabil cu un nor strălucitor de fulgi de zăpadă și grindină plutitoare, cu câteva bulgări de zăpadă și obiecte mai mari, multe dintre ele agregate libere de particule mai mici (Figura 3).

Figura 3: Impresie idealizată de artist a inelelor lui Saturn văzute din interior. Observați că inelele sunt alcătuite în cea mai mare parte din bucăți de gheață de apă de diferite dimensiuni. La finalul misiunii sale, nava spațială Cassini intenționează să taie una dintre breșele din inelele lui Saturn, dar nu va ajunge atât de aproape. (credit: modificare a lucrării realizate de NASA/JPL/Universitatea din Colorado)

În plus față de inelele largi A, B și C, Saturn are o mână de inele foarte înguste, cu o lățime de cel mult 100 de kilometri. Cel mai substanțial dintre acestea, care se află chiar în afara inelului A, se numește inelul F; aspectul său surprinzător este discutat mai jos. În general, inelele înguste ale lui Saturn se aseamănă cu inelele lui Uranus și Neptun.

Există, de asemenea, un inel foarte slab și subțire, numit Inelul E, asociat cu micul satelit înghețat al lui Saturn, Enceladus. Particulele din Inelul E sunt foarte mici și sunt compuse din gheață de apă. Deoarece un astfel de nor subțire de cristale de gheață va avea tendința de a se disipa, existența continuă a inelului E sugerează cu tărie că acesta este alimentat continuu de o sursă de pe Enceladus. Această lună înghețată este foarte mică – doar 500 de kilometri în diametru – dar imaginile Voyager au arătat că craterele de pe aproximativ jumătate din suprafața sa au fost șterse, ceea ce indică o activitate geologică cândva în ultimele câteva milioane de ani. Cu mare nerăbdare, cercetătorii de la Cassini au manevrat orbita navei spațiale pentru a permite mai multe survoluri apropiate ale lui Enceladus începând cu anul 2005.

Cei care așteptau rezultatele survolului Cassini nu au fost dezamăgiți. Imaginile de înaltă rezoluție au arătat dungi lungi și întunecate de sol neted în apropierea polului său sudic, care au fost în curând supranumite „dungi de tigru” (Figura 4). Măsurătorile în infraroșu au arătat că aceste dungi de tigru sunt mai calde decât împrejurimile lor. Mai presus de toate, zeci de orificii criovolcanice de pe dungile de tigru au fost văzute ca erupând gheizere de apă sărată și gheață (Figura 5). Estimările sugerau că 200 de kilograme de material erau aruncate în spațiu în fiecare secundă – nu foarte mult, dar suficient pentru ca nava spațială să preleveze probe.

Figura 4: Enceladus. (a) Această imagine arată atât terenul neted, cât și cel cu crăpături de pe luna lui Saturn, precum și „dungi de tigru” în regiunea polară sudică (partea inferioară a imaginii). Aceste dungi întunecate (prezentate aici în culori exagerate) au temperaturi ridicate și sunt sursa numeroaselor gheizere descoperite pe Enceladus. Acestea au o lungime de aproximativ 130 de kilometri și o distanță de 40 de kilometri între ele. (b) Aici Enceladus este prezentată la scară cu Marea Britanie și coasta Europei de Vest, pentru a sublinia faptul că este o lună mică, cu un diametru de numai aproximativ 500 de kilometri. (credit a, b: modificare a lucrării realizate de NASA/JPL/Space Science Institute)

Când Cassini a fost îndrumat să zboare în penumbre, a măsurat compoziția acestora și a constatat că sunt similare cu materialul pe care îl vedem eliberat de comete (vezi Cometă și asteroizi: Resturi ale sistemului solar). Penele de vapori și gheață erau formate în cea mai mare parte din apă, dar cu urme de azot, amoniac, metan și alte hidrocarburi. Printre mineralele găsite în gheizere în cantități infime se număra și sarea obișnuită, ceea ce înseamnă că plumele gheizerelor erau stropi de apă sărată la presiune ridicată.

Pe baza studiului continuu al proprietăților de masă ale lui Enceladus și al gheizerelor în curs de desfășurare, în 2015, cercetătorii misiunii Cassini au identificat provizoriu un ocean de apă subteran care alimenta gheizerele. Aceste descoperiri au sugerat că, în ciuda dimensiunilor sale mici, Enceladus ar trebui adăugată pe lista lumilor pe care am dori să le explorăm pentru o posibilă viață. Deoarece oceanul său subteran scapă în mod convenabil în spațiu, ar putea fi mult mai ușor de eșantionat decât oceanul de pe Europa, care este adânc îngropat sub crusta sa groasă de gheață.

Figura 5: Gheizerele de pe Enceladus. Această imagine Cassini arată o serie de gheizere de apă pe Enceladus, mica lună a lui Saturn, aparent apă sărată dintr-o sursă subterană care scapă prin fisurile de la suprafață. Se pot observa linii curbe de gheizere de-a lungul celor patru „dungi de tigru” de pe suprafață. (credit: modificare a lucrării realizate de NASA/JPL/Space Science Institute)

Înelele lui Uranus și Neptun

Figura 6: Inelele lui Uranus. Echipa Voyager a trebuit să expună această imagine timp îndelungat pentru a întrevedea inelele întunecate și înguste ale lui Uranus. Puteți vedea structura granuloasă a „zgomotului” din electronica aparatului foto în fundalul imaginii. (credit: modificare a lucrării realizate de NASA/JPL)

Inelele lui Uranus sunt înguste și negre, ceea ce le face aproape invizibile de pe Pământ. Cele nouă inele principale au fost descoperite în 1977, în urma observațiilor făcute asupra unei stele în timp ce Uranus trecea prin fața ei. Noi numim o astfel de trecere a unui obiect astronomic în fața altuia o ocultație. În timpul ocultației din 1977, astronomii se așteptau ca lumina stelei să dispară pe măsură ce planeta se deplasa peste ea. Dar, în plus, steaua s-a întunecat pentru scurt timp de câteva ori înainte ca Uranus să o atingă, pe măsură ce fiecare inel îngust trecea între stea și telescop. Astfel, inelele au fost cartografiate în detaliu, chiar dacă nu puteau fi văzute sau fotografiate direct, ca și cum ai număra numărul de vagoane dintr-un tren pe timp de noapte urmărind clipitul unei lumini în timp ce vagoanele trec succesiv prin fața sa. Când Voyager s-a apropiat de Uranus în 1986, a reușit să studieze inelele de aproape; nava spațială a fotografiat, de asemenea, două inele noi (Figura 6).

Cel mai exterior și mai masiv dintre inelele lui Uranus se numește Inelul Epsilon. Are doar aproximativ 100 de kilometri lățime și probabil nu mai mult de 100 de metri grosime (similar cu Inelul F al lui Saturn). Inelul Epsilon îl înconjoară pe Uranus la o distanță de 51.000 de kilometri, aproximativ de două ori raza lui Uranus. Acest inel conține probabil la fel de multă masă ca toate celelalte zece inele ale lui Uranus la un loc; cele mai multe dintre ele sunt panglici înguste, cu o lățime mai mică de 10 kilometri, exact inversul inelelor late ale lui Saturn.

Figura 7: Inelele lui Neptun. Această expunere lungă a inelelor lui Neptun a fost fotografiată de Voyager 2. Observați cele două regiuni mai dense ale inelului exterior. (credit: modificare a lucrării realizate de NASA/JPL)

Particulele individuale din inelele uraniene sunt aproape la fel de negre ca niște bucăți de cărbune. Deși astronomii nu înțeleg în detaliu compoziția acestui material, acesta pare să fie format în mare parte din compuși de carbon și hidrocarburi. Materialul organic de acest tip este destul de comun în sistemul solar exterior.

Mulți dintre asteroizi și comete sunt, de asemenea, compuși din materiale întunecate, asemănătoare cu gudronul. În cazul lui Uranus, cei zece mici sateliți interiori ai săi au o compoziție similară, ceea ce sugerează că unul sau mai mulți sateliți ar fi putut să se fi destrămat pentru a forma inelele.

Inelele lui Neptun sunt, în general, similare cu cele ale lui Uranus, dar și mai subțiri (Figura 7). Există doar patru dintre ele, iar particulele nu sunt distribuite uniform de-a lungul lungimii lor.

Pentru că aceste inele sunt atât de greu de investigat de pe Pământ, probabil că va trece mult timp până când le vom înțelege foarte bine.

Interacțiunile dintre inele și luni

Mare parte din fascinația noastră pentru inelele planetare este rezultatul structurilor lor complicate, cele mai multe dintre ele datorându-și existența efectului gravitațional al lunilor, fără de care inelele ar fi plate și fără caracteristici. Într-adevăr, devine din ce în ce mai clar că, fără sateliți, probabil că nu ar exista deloc inele, deoarece, lăsate de capul lor, discurile subțiri de particule mici se răspândesc și se disipă treptat.

Majoritatea golurilor din inelele lui Saturn, precum și localizarea marginii exterioare a inelului A, rezultă din rezonanțele gravitaționale cu sateliții mici din interior. O rezonanță are loc atunci când două obiecte au perioade orbitale care sunt raporturi exacte unul față de celălalt, cum ar fi 1:2 sau 2:3. De exemplu, orice particulă aflată în golul din partea interioară a diviziunii Cassini a inelelor lui Saturn ar avea o perioadă egală cu jumătate din cea a lunii Mimas a lui Saturn. O astfel de particulă ar fi cea mai apropiată de Mimas în aceeași parte a orbitei sale la fiecare a doua revoluție. Tracțiunile gravitaționale repetate ale lui Mimas, care acționează întotdeauna în aceeași direcție, ar perturba-o, forțând-o să intre pe o nouă orbită în afara intervalului. În acest fel, Divizia Cassini s-a sărăcit de material inelar pe perioade lungi de timp.

Misiunea Cassini a dezvăluit o mare cantitate de structură fină în inelele lui Saturn. Spre deosebire de survolurile anterioare ale Voyager, Cassini a putut observa inelele timp de peste un deceniu, dezvăluind o gamă remarcabilă de schimbări, pe scări de timp de la câteva minute la câțiva ani. Multe dintre caracteristicile nou observate în datele Cassini au indicat prezența unor condensări sau a unor mici sateliți cu diametrul de doar câteva zeci de metri încorporați în inele. Pe măsură ce fiecare lună mică se mișcă, aceasta produce unde în materialul din inelele înconjurătoare, precum urma lăsată de o navă în mișcare. Chiar și atunci când luna este prea mică pentru a fi rezolvată, valurile sale caracteristice au putut fi fotografiate de Cassini.

Unul dintre cele mai interesante inele ale lui Saturn este îngustul inel F, care conține mai multe inele aparente pe lățimea sa de 90 de kilometri. Pe alocuri, Inelul F se rupe în două sau trei șuvițe paralele care uneori prezintă curburi sau îndoituri. Cele mai multe dintre inelele lui Uranus și Neptun sunt, de asemenea, panglici înguste precum Inelul F al lui Saturn. În mod clar, gravitația unor obiecte trebuie să împiedice particulele din aceste inele subțiri să se împrăștie.

După cum am văzut, cele mai mari caracteristici din inelele lui Saturn sunt produse de rezonanțele gravitaționale cu lunile interioare, în timp ce o mare parte din structura fină este cauzată de lunile mai mici încorporate. În cazul inelului F al lui Saturn, imaginile de aproape au dezvăluit că acesta este delimitat de orbitele a două luni, numite Pandora și Prometheus (Figura 8). Aceste două luni mici (fiecare cu un diametru de aproximativ 100 de kilometri) sunt denumite luni păstrătoare, deoarece gravitația lor are rolul de a „păstori” particulele inelului și de a le menține limitate la o panglică îngustă. O situație similară se aplică inelului Epsilon al lui Uranus, care este păstorit de lunile Cordelia și Ofelia. Acești doi păstori, fiecare cu un diametru de aproximativ 50 de kilometri, orbitează la aproximativ 2000 de kilometri în interiorul și exteriorul inelului.

Figura 8: Inelul F al lui Saturn și lunile sale păstrătoare. (a) Această imagine Cassini arată inelul F îngust și complex al lui Saturn, cu cele două mici sateliți păstoriți ai săi, Pandora (stânga) și Prometheus (dreapta). (b) În această vedere mai apropiată, luna păstor Pandora (cu un diametru de 84 de kilometri) este văzută lângă inelul F, în care luna perturbă în trecere șirul principal (cel mai strălucitor) de particule din inel. Pe această imagine se poate vedea partea întunecată a Pandorei, deoarece este iluminată de lumina reflectată de Saturn. (credit a, b: modificare a lucrării realizate de NASA/JPL/Space Science Institute)

Calculele teoretice sugerează că și celelalte inele înguste din sistemele uranian și neptunian ar trebui să fie controlate de asemenea de luni păstrătoare, dar niciuna nu a fost localizată. Diametrul calculat pentru astfel de păstori (aproximativ 10 kilometri) a fost chiar la limita de detectabilitate pentru camerele Voyager, așa că este imposibil de spus dacă sunt sau nu prezenți. (Având în vedere toate inelele înguste pe care le vedem, unii oameni de știință încă mai speră să găsească un alt mecanism mai satisfăcător pentru a le ține închise.)

Una dintre problemele nerezolvate în ceea ce privește înțelegerea inelelor este determinarea vârstei lor. Planetele gigantice au avut dintotdeauna sistemele de inele pe care le vedem astăzi, sau acestea ar putea fi o adăugare recentă sau tranzitorie la sistemul solar? În cazul inelelor principale ale lui Saturn, masa lor este aproximativ aceeași cu cea a lunii interioare Mimas. Astfel, ele ar fi putut fi formate prin dezmembrarea unei luni de mărimea lui Mimas, poate foarte devreme în istoria sistemului solar, când existau multe proiectile interplanetare rămase de la formarea planetelor. Este mai greu de înțeles cum un astfel de eveniment catastrofal ar fi putut avea loc recent, când sistemul solar a devenit un loc mai stabil.

Glosar

rezonanță: o condiție orbitală în care un obiect este supus unor perturbații gravitaționale periodice din partea altui obiect, care apare cel mai frecvent atunci când două obiecte care orbitează în jurul unui al treilea au perioade de revoluție care sunt multipli sau fracțiuni simple una față de cealaltă