Кольца планет

КОЛЬЦА ПЛАНЕТ, образования, обращающиеся вокруг планеты в её экваториальной плоскости и имеющие вид диска. Кольца планет расположены на определённом расстоянии от планеты и состоят из совокупности твёрдых частиц небольшого размера, представляющих собой практически бесконечное число мелких спутников планеты. В Солнечной системе кольцами обладают все планеты-гиганты, у планет земной группы колец нет. Наиболее известна система колец Сатурна (впервые наблюдал Г. Галилей в 1610; Х. Гюйгенс в 1655 установил, что это система колец). У других планет-гигантов кольца открыты лишь в 1970-80-х годах (у Урана - при покрытии им звезды, у Юпитера и Нептуна - при пролёте вблизи планет КА «Вояджер»).

Структура колец. Кольцо Юпитера расположено на расстоянии 50 тысяч км от условной границы в атмосфере планеты (с давлением около 1 атмосферы) и имеет ширину около 1000 км. Кольцо представляет собой область относительно малой плотности, заполненную преимущественно силикатными частицами малого размера (менее 10^-5 м), придающими области оранжеватый цвет. По направлению к Юпитеру и от него эту область продолжает диффузная туманность более или менее однородной структуры.

Кольца Сатурна обладают значительно более сложной структурой. В них выделяют семь областей (зон). Три основные концентрические зоны: внешнее кольцо А, наиболее яркое среднее кольцо В (эти кольца можно наблюдать даже в обычный бинокль) и довольно прозрачное «креповое» внутреннее кольцо С, не имеющее резкой границы (рис. 1). Кольца А и В разделены так называемой щелью Кассини шириной около 4700 км, кольца S и С - так называемой щелью Максвелла шириной около 270 км. Наиболее близкую к планете внутреннюю область кольца С выделяют как кольцо D. У внешней границы кольца А находится очень узкое кольцо F нерегулярной формы, за которым расположено кольцо G и самое внешнее, практически прозрачное кольцо Е. Внешняя граница кольца А находится на расстоянии около 75 тысяч км от условной границы в атмосфере планеты (с давлением 1 атмосфера), внутренняя граница кольца С - на расстоянии около 20 тысяч км. Таким образом, протяжённость чётко различимых колец Сатурна - около 55 тысяч км, в то время как их толщина не превышает 3,5 км. Преобладающий размер частиц колец - несколько сантиметров, но встречаются также частицы с характерным размером несколько микрометров и крупные фрагменты размером в единицы и десятки метров. Мелкие частицы участвуют в образовании пылевой плазмы, находящейся над плоскостью кольца В. Пылевая плазма образует радиальные тёмные полосы (так называемые спицы - dark spokes), контролируемые магнитным полем планеты. Угловая скорость «спиц» (в отличие от кеплеровой скорости частиц колец) совпадает с угловой скоростью собственного вращения планеты. Плотность колец не велика - сквозь них просвечивают звёзды. По данным ИК-спектрометрии, частицы колец Сатурна, вероятно, состоят из водяного льда или покрытых льдом частиц другого химического состава. Суммарная масса частиц колец примерно соответствует спутнику диаметром около 200 км. В соответствии с законами Кеплера, скорость движения частиц во внутренней зоне кольца больше, чем во внешней.

Экватор Сатурна наклонён к плоскости эклиптики под углом 27°, поэтому в разных точках орбиты планеты кольца при наблюдении с Земли видны под разными углами. При наиболее благоприятной конфигурации видна вся их ширина - наблюдается так называемое раскрытие колец. В другом предельном случае кольца выглядят как очень тонкая полоска, видимая лишь в крупные телескопы. Это происходит, когда плоскость колец проходит точно через центр Солнца и их боковая поверхность оказывается неосвещённой либо когда кольца обращены к наблюдателю на Земле «ребром». Период обращения Сатурна вокруг Солнца и, соответственно, полный цикл изменения фаз колец составляет около 29,5 лет.

Кольца Урана (рис. 2) очень тёмные и узкие, состоят из частиц, не имеющих ледяной оболочки. К концу 2008 года у Урана открыто 13 колец, обозначаемых буквами греческого алфавита (α, β, γ, ...). Самое крупное из этих колец (ε) имеет неравномерную ширину и форму. Плоскость колец Урана почти перпендикулярна плоскости эклиптики.

Кольца Нептуна образованы тёмными частицами и состоят из четырёх узких зон. Они отличаются ещё более нерегулярной формой и переменной плотностью, поэтому выглядят состоящими из отдельных «арок». Два наиболее характерных кольца с арками названы в честь учёных Дж. К. Адамса и У. Леверье, предсказавших существование Нептуна путём расчёта его орбиты.

Формирование колец. Образование систем колец вокруг планет-гигантов является прямым следствием законов механики и напоминает процесс формирования планет. Все кольца находятся внутри так называемого Роша предела - области, в которой спутник планеты может быть разорван на части за счёт приливных сил. Этот эффект препятствует консолидации частиц, находящихся вблизи планеты, и, соответственно, образованию крупных спутников. Современная конфигурация колец обязана своим происхождением влиянию гравитационного притяжения спутников планеты, находящихся в ближайших окрестностях (или даже внутри) структуры колец и называемых по этой причине «пастухами». Частицы колец, сами представляющие собой маленькие спутники, оказываются в резонансах с более крупными спутниками планеты (т. е. отношение периода их обращения к периоду обращения спутника выражается простой дробью - 1/2, 2/3 и т.п.). Это приводит к нарушению однородной структуры колец, в частности к образованию внутри них щелей (например, щели Кассини в кольцах Сатурна), по своей природе аналогичных «пустым» областям (так называемым люкам Кирквуда) в Главном поясе астероидов (смотри Астероиды). Те же причины вызывают генерацию волн плотности, формирование иерархической структуры колец и их расслоение на тысячи тонких спиральных колечек (ringlets), наблюдаемых в структуре основных колец Сатурна (рис. 3).

Наличие спутников с очень близкими орбитами приводит также к эффекту гравитационной фокусировки и концентрации частиц в тонких кольцах Урана и к образованию сгустков частиц (арок), дрейфующих в азимутальном направлении у колец Нептуна. Механизм образования арок до конца не понят, хотя одним из объяснений служит наличие резонансов частиц колец со спутником Нептуна Галатеей, поскольку эксцентриситеты и наклонения орбит частиц и спутника практически одни и те же. Резонансы препятствуют равномерному распределению частиц вдоль орбиты. Таким образом, кольца планет представляют собой сложную открытую систему частиц, находящихся в орбитальном движении и одновременно испытывающих хаотические взаимодействия. В результате в системе возникает эффект самоорганизации, создающий упорядоченность в конфигурациях колец (в первую очередь за счёт возникновения коллективных процессов и наличия в дисковой системе неупругих столкновений макро-частиц). Механизм самоорганизации заложен в самой системе; близкие спутники планеты оказывают на процесс дополнительное «стимулирующее» влияние.

Существуют две основные гипотезы происхождения колец планет: 1) образование колец из частиц протопланетного облака (из которых сформировались спутники вне предела Роша); 2) возникновение колец планет в результате распада астероида или кометы, попавших внутрь предела Роша. Характерным примером последнего события служит кольцо Юпитера. В пользу второй гипотезы говорит также оценка времени существования колец - около 0,5 миллиарда лет, что существенно меньше возраста Солнечной системы (около 4,5 миллиарда лет). В рамках этой гипотезы нужно считать, что кольца планет периодически возникают и исчезают в результате гравитационного захвата планетой малого тела и его последующего разрушения. Другим аргументом, подтверждающим гипотезу распада, могут служить, например, преимущественно ледяные частицы колец Сатурна. Эти частицы обладают высоким альбедо, т. е. не покрыты тёмным микрометеорным веществом, как это произошло бы с реликтовыми кольцами за время существования Солнечной системы.

Лит.: Planetary rings / Ed. R. Greenberg, А. Brahic. Tucson, 1984; Горькавый Н. Н., Фридман А. М. Физика планетных колец. М., 1994; Miner Е., Wessen R., CuzziJ. Planetary ring systems. В.; N. Y., 2007.