Каким образом сформировались Кольца Сатурна?

Одним из самых удивительных феноменов Солнечной системы, несомненно, следует считать кольца Сатурна.

Честь считаться первооткрывателями колец история астрономии делит между Галилео Галилеем и Христианом Гюйгенсом, хотя первый в 1610 году сумел уловить с помощью своего далекого от совершенства оптического прибора лишь некую аномалию в изображении планеты, которую счел спутником Сатурна, тогда как спустя 46 лет, в 1656 году, Гюйгенс впервые действительно четко разглядел кольцо. Еще через 19 лет, в 1675 году, Джованни Кассини установил, что кольцо не сплошное.

В 1952 году исследование спектральных характеристик колец позволило сделать вывод, что они содержат большое количество замерзшей воды. Это был очень важный момент, поскольку наконец-то была определена природа материальной составляющей. Несколько позже установили, что кроме льда кольца содержат водород, аммиак, метан, серные соединения и ферросиликаты.

Огромную информацию о кольцах собрали американские космические зонды "Пионер" (1979 г.) , "Вояджер-1" (1980 г. ) и "Вояджер-2" (1981 г.) , пролетевшие мимо планеты. А в 1997 году стартовал самый дорогой научный эксперимент в истории человечества - миссия "Кассини-Гюйгенс", которая готовилась в течение 10 лет и стоила 3,3 млрд долларов; результаты ее будут анализироваться, исследоваться и осмысляться достаточно долгое время. Одна из задач миссии - установить природу колец Сатурна, до сих пор являющуюся загадкой.

Долгое время считалось, что к Сатурну приблизился неосторожный спутник и был разорван его приливными силами "в клочки". Но данные "Вояджеров" опровергли это распространенное мнение.

Сейчас установлено, что кольца Сатурна представляют собой остатки огромного околопланетного облака протяженностью во многие миллионы километров. Из внешних областей этого облака сформировались спутники, а во внутренней образование спутников было "завершено". Так как скорости взаимных соударений растут при приближении к планете, возле каждой планеты имеется область, где частицы, достигнув определенных размеров, начинают разваливаться от взаимных столкновений.

Миллиарды лет соударений - и 10-метровые частицы дошли до такого рыхлого состояния, что рассыпаются от малейшего толчка на скорости мм/с. Любая крупная частица за несколько дней или недель проходит полный цикл от разрушения до восстановления.

Эта взаимная конкуренция, не дающая образоваться крупным спутникам, ослабевает по мере удаления от планеты, и на некотором расстоянии часть вещества превращается в спутники, а часть все еще пребывает в раздробленном состоянии - в виде колец. Кстати, кольца за время своего существования сделали уже триллион оборотов - гораздо больше, чем спутники или планеты по своим орбитам.

Почему кольца плоские? Их сплющивание - это результат противоборства двух основных сил: гравитационной и центробежной. Гравитационное притяжение стремится сжать систему со всех сторон, а вращение препятствует сжатию поперек оси вращения, но не может помешать ее сплющиванию вдоль оси. Таково происхождение различных космических дисков, включая планетарные кольца.
Сатурн: Властелин колец

правильнее сказать не "сформировались кольца", а "несформировались спутники".

Ниже некоторого уровня - предела Роша спутник сформироваться не может, так как приливные силы сильнее его гравитации.

Далее, любое подобное облако становится плоским (называется "вырождение размерности"), дело в том, что многочисленные летающие по разным орбитам каменюки сталкиваются и то, что остается после удара имеет меньшую относительную скорость, чем была у столкнувшихся камней. В итоге со временем сначала большинство, а потом - все начинают летеать по идеально круглым орбитам в одной плоскости, где столкновения или не происходят, илипроисходят на мизерных взаимных скоростях порядка сантиметров с секунду.

Поскольку выше у Сатурна есть и большие спутники, в кольце бозникают дыры - орбиты с кратным временем обращения неустойчивы, гравитация спутника ускоряет или замедляет камни на этих орбитах, заставляя их перейти чуть выше или ниже. В результате кольцо не одно, а несколько, разделенных промежутками.

Кольца Сатурна — концентрические образования различной яркости, как бы вложенные друг в друга, и образующие единую плоскую систему небольшой толщины, располагающуюся в экваториальной плоскости Сатурна. Кольцо вокруг Сатурна впервые наблюдал Г. Галилей в 1610, но из-за низкого качества телескопа он принял видимые по краям планеты части кольца за спутники Сатурна.

Природа колец

Правильное описание кольца Сатурна дал Х. Гюйгенс (1659), а Дж. Кассини вскоре показал, что оно состоит из двух концентрических составляющих — колец А и В, разделённых тёмным промежутком (так называемым «делением Кассини») . Много позже (в 1850) американский астроном У. Бонд открыл внутреннее слабо светящееся кольцо С, а в 1969 было обнаружено ещё более слабое и близкое к планете кольцо D. Яркость кольца D не превышает 1/20 яркости самого яркого кольца — кольца В. Кольца расположены на следующих расстояниях от планеты: А — от 138 до 120 тыс. км, В — от 116 до 90 тыс. км, С — от 89 до 75 тыс. км и D — от 71 тыс. км почти до поверхности Сатурна.

Природа колец Сатурна стала ясной после того, как английский физик Дж. Максвелл (в 1859) и русский математик С. В. Ковалевская (в 1885) разными методами доказали, что устойчивым существование кольца вокруг планеты может быть только в том случае, если оно состоит из совокупности отдельных малых тел: сплошное твёрдое или жидкое кольцо было бы разорвано силой притяжения планеты.

Этот теоретический вывод в конце XIX века был эмпирически подтвержден независимо друг от друга А. А. Белопольским (Россия) , Дж. Килером (США) и А. Деландром (Франция) , которые сфотографировали спектр Сатурна с помощью щелевого спектрографа и на основе эффекта Доплера — Физо обнаружили, что внешние части кольца Сатурна вращаются медленнее, чем внутренние. Измеренные скорости оказались равными тем, которые имели бы спутники Сатурна, если бы они находились на тех же расстояниях от планеты.

Состав

В течение 29,5 лет с Земли кольца Сатурна дважды видны в максимальном раскрытии и дважды наступают периоды, когда Солнце и Земля находятся в плоскости колец, и тогда кольца либо освещаются Солнцем «с ребра» , либо оно для земного наблюдателя видно «с ребра» . В этот период кольца почти совсем не видны, что свидетельствует об их очень малой толщине. Разные исследователи, основываясь на визуальных и фотометрических наблюдениях и их теоретической обработке, приходят к заключению, что средняя толщина колец составляет от 10 см до 10 км. Конечно, кольцо такой толщины увидеть с Земли «с ребра» невозможно. Размеры твёрдых тел в кольцах оцениваются от 10 − 1 до 103 см с преобладанием глыб диаметром около 1 м, что подтверждается и наблюдаемым отражением радиоволн от колец Сатурна.

Химический состав вещества колец, по-видимому, одинаков у всех четырёх составляющих, различна в них только степень заполнения пространства глыбами. Спектр колец Сатурна существенно отличен от спектра самого Сатурна и освещающего их Солнца; спектр указывает на повышенную отражательную способность колец в ближней инфракрасной области (2,1 и 1,5 мкм) , что соответствует отражению от льда H2O. Можно считать, что тела, образующие кольца Сатурна, либо покрыты льдом или инеем, либо состоят из льда. В последнем случае массу всех колец можно оценить в 1024 г, то есть на 5 порядков меньше массы самой планеты. Температура колец Сатурна, по-видимому, близка к равновесной, то есть к 80°К.

По последним данным, кольца Сатурна быстро эволюционируют. При сравнении снимков "Кассини" и "Вояджеров" были выявлены существенные изменения.

Долгое время считалось, что к Сатурну приблизился неосторожный спутник и был разорван его приливными силами "в клочки". Но данные "Вояджеров" опровергли это распространенное мнение. Сейчас установлено, что кольца Сатурна (и других планет тоже) представляют собой остатки огромного околопланетного облака протяженностью во многие миллионы километров. Из внешних областей этого облака сформировались спутники. Суммарная масса ледяных колец Сатурна сравнима с массой его спутника Мимаса, радиус которого около 200 км.

Почему кольца плоские? Их сплющивание - это результат противоборства двух сил: гравитационной и центробежной. Гравитационное притяжение стремится сжать систему со всех сторон, а вращение препятствует сжатию поперёк оси, но не может помешать её сплющиванию вдоль оси. Таково происхождение различных космических дисков, включая планетные кольца.

--------------------------------------------------------------------------------