Почему у Сатурна есть кольца? Из чего состоят кольца сатурна

Если бы в туристическом агентстве можно было заказать путёвку к планетам Солнечной системы, то главной достопримечательностью Сатурна, несомненно, оказались бы его замечательные кольца. О, эти кольца всегда вызывали множество вопросов – начиная с их открытия. Г.Галилей первым заметил, что с Сатурном «что-то не так», правда, кольца ему разглядеть не удалось – телескоп был недостаточно мощным, он подумал, что имеет дело со спутниками. А вот Х.Гюйгенс уже был уверен, что видит именно кольца. Окончательная ясность была внесена в 1660 году. Для наблюдения Сатурна использовали линзу, когда-то изготовленную Э.Торричелли, который знал какой-то секрет изготовления практически идеальных линз (линзы Торричелли превосходят даже современные), какой именно – неизвестно до сих пор, и вот – такая линза позволили разглядеть и кольца, и даже тень, которую они отбрасывают на планету.

Поначалу кольца Сатурна считались твёрдыми и сплошными, но в 1715 году французский учёный Ж.Кассини с уверенностю заявил: если бы это было так, кольца давно были бы разрушены гравитацией Сатурно, и если они до сих пор целы, это означает, что они не «кольца» как таковые, не обручи, «надетые» на планету, а сборище мелких спутников.

В начале ХХ века благодаря данным спектрального анализа стало известно, из чего состоят частицы, составляющие кольца Сатурна: они состоят из льда с примесью пыли.

Как же удалось Сатурну заполучить столь шикарное «украшение»? На этот счёт существуют разные гипотезы.

Возможно, это своего рода «строительный мусор», оставшийся со времён формирования планеты: притянуть эти частицы на себя Сатурн не смог, гравитационной силы не хватило, но и отпустить от себя не может – для этого гравитация его слишком сильна.

Возможно, это результат столкновения с каким-то другим космическим телом, и довольно большим, которое в результате столкновения разбилось вдребезги. Примерно то же самое произошло когда-то и с Землёй. Правда, осколки «нашей» Тейи после столкновения сложились в Луну, а осколки того небесного тела, которое разбилось о Сатурн, не сложились в спутник, а равномерно распределились по орбите.

Наконец, это могут быть остатки спутников Сатурна, вращавшихся вокруг него в незапамятные времена. Учёные предполагают, что каждый из этих спутников был в полтора раза крупнее Луны, но вращались они слишком близко, и в конечном итоге сошли со своих орбит, притянутые мощной гравитацией Сатурна и попросту «утонули» в недрах газового гиганта (ну как тут не вспомнить миф о Хроносе-Сатурне, пожиравшем своих детей!). Но падали они не сразу – это было довольно долгий процесс, когда спутники по спирали спускались всё ближе и ближе к планете, и по пути гравитация разрушала их, а обломки сложились в кольца. В общем, образно можно сказать, что кольца Сатурна состоят из «капель крови» детей Хроноса-Сатурна, поглощённых своим «отцом».

Впрочем, сегодня Сатурн уже не выглядит таким уж особенным в «семье» газовых гигантов: оказалось, что такие кольца есть у всех этих планет, только у Сатурна они самые крупные, вот их и открыли раньше. Впрочем, есть основания полагать, что через пару миллиардов лет у Нептуна будут такие же. Это случится, когда его спутник Тритон, неумолимо приближающийся к Нептуну, будет в конечном итоге разрушен его гравитацией.

Кольца Сатурна - система плоских концентрических образований изо льда и пыли, располагающаяся в экваториальной плоскости Сатурна. Кольцевая система Сатурна является самой известной в Солнечной системе.

История открытия колец Сатурна

В 1610 году Галилео Галилей был первым, кто увидел кольца Сатурна, он наблюдал их в свой телескоп с 20-кратным увеличением, но не идентифицировал их как кольца. Он подумал, что эти кольца представляли собой гигантские спутники планеты, находившиеся по разные стороны от неё. Однако дальнейшие наблюдения, проводившиеся учёным в течение нескольких последующих лет, показали, что эти кольца меняли свою форму и даже исчезали полностью, по мере того как менялся их наклон по отношению к Земле.

В 1655 году Христиан Гюйгенс стал первым человеком, который предположил, что Сатурн окружён кольцом. Он соорудил телескоп-рефрактор с 50-кратным увеличением, намного большим, чем телескоп Галилея, в который он наблюдал Сатурн. Астроном Кристиан Гюйгенс предположил, что эти странные тела были твёрдыми, наклонёнными кольцами.

В 1660 году другой астроном предположил, что эти кольца состояли из небольших спутников – догадка, которая не могла получить подтверждения в течение почти 200 последующих лет.

В 1675 году Джованни Доменико Кассини определил, что кольцо Сатурна состоит из двух частей, разделённых тёмным промежутком, который позднее был назван делением (или щелью) Кассини.

В 1837 году Иоганн Франц Энке заметил промежуток в кольце A, который назвали делением Энке.

В 1838 году Иоганн Готтфрид Галле обнаружил кольцо внутри кольца B, однако его открытие не было принято всерьёз, и получило признание лишь после переоткрытия этого кольца в 1850 году У. К. Бондом, Д. Ф. Бондом и У. Р. Дейвсом, его стали называть кольцом C, или креповым кольцом.

В 1859 году Джеймс Клерк Максвелл показал, что кольца не могут быть цельными твёрдыми, ибо тогда они оказались бы нестабильными и были бы разорваны на части. Он предположил, что кольца состоят из множества мелких частиц. В своей единственной астрономической работе, опубликованной в 1885 году, Софья Ковалевская показала, что кольца не могут быть ни жидкими, ни газообразными. Предположение Максвелла было доказано в 1895 году благодаря эффекту Доплера спектроскопическими наблюдениями колец, выполненными Аристархом Белопольским в Пулково и Джеймсом Эдуардом Килером в обсерватории Аллегени.

Составное изображение колец Сатурна D, C, B, A и F (слева направо) в натуральных цветах по снимкам аппарата Кассини на неосвещённой стороне Сатурна, 9 мая 2007.

Название

Расстояние до центра Сатурна

67000 — 74500 км.

74500 — 92000 км.

Щель Коломбо

Щель Максвелла

Щель Бонда

88690 — 88720 км.

Щель Дейвса

90200 — 90220 км.

92000 — 117500 км.

Деление Кассини

117500 — 122200

Щель Гюйгенса

Щель Гершеля

118183 — 118285 км.

Щель Рассела

118597 — 118630 км.

Щель Джефриса

118931 — 118969 км.

Щель Койпера

119403 — 119406 км.

Щель Лапласа

119848 — 120086 км.

Щель Бесселя

120236 — 120246 км.

Щель Барнарда

120305 — 120318 км.

122200 — 136800 км.

Щель Энке

Щель Килера

Деление Роша

136800 — 139380 км.

165800 — 173800 км.

180000 — 480000 км.

Система колец разделена на несколько частей. Эти кольца получили свои названия по алфавиту в соответствии с датами их открытия. Таким образом, главные кольца, если двигаться от периферии системы к центру, называются соответственно A, B и С. Щель шириной в 4700 километров, известная как Щель Кассини, разделяет между собой кольца A и B.

Кольцо A (внешнее из классических) обладает очень резким краем, что трудно объяснить в рамках старых представлений о динамике колец. Кроме того, в нескольких тысячах километров от внешнего края кольца A находится одно из самых удивительных колец Сатурна - кольцо F. Оно очень узкое, причем иногда удается наблюдать его свитым из нескольких колец-«шнуров». Исследование динамики этих колец и близких к ним небольших спутников показало, что именно спутники поддерживают резкую границу колец F и А (а возможно, определяют и другие их особенности). Своим гравитационным воздействием спутники как бы фокусируют движение отдельных частиц в кольцах, не допуская их выпадения из общего ансамбля.

Кольца Сатурна состоят из миллиардов частиц, размеры которых колеблются от нескольких миллиметров до десятка километров. Состоящие преимущественно из водяного льда, эти кольца также втягивают в свою систему каменистые метеороиды, движущиеся сквозь космическое пространство. Сами кольца содержат значительное число щелей и структур. Некоторые из них созданы многочисленными небольшими спутниками Сатурна, в то время как природа других из них до сих пор продолжает ставить в тупик астрономов.

Две крошечные луны вращаются в промежутках (щели Энке и Килера) между колец и держат промежутки открытыми. Другие частицы (от десятков до сотен метров) слишком малы, чтобы их увидеть, но они создают винтовые объекты в кольцах, которые позволяют нам их видеть.

Происхождение колец Сатурна

Согласно новой модели, было несколько последовательных поглощений Сатурном его спутников, миллиарды лет назад обращавшихся вокруг молодого газового гиганта. Расчеты Кануп показывают, что после формирования Сатурна, примерно 4,5 миллиарда лет назад, на заре Солнечной системы, вокруг него вращалось несколько крупных спутников, каждый из которых был в полтора раза больше Луны. Постепенно из-за гравитационного воздействия эти спутники один за другим «сваливались» в недра Сатурна. Из «первичных» спутников на сегодняшний день остался только Титан. В процессе схода со своих орбит и вхождения в спиральную траекторию эти спутники разрушались. При этом легкая ледяная составляющая оставалась в космосе, тогда как тяжелые минеральные компоненты небесных тел поглощались планетой. Впоследствии лед захватывался гравитацией следующего спутника Сатурна, и цикл вновь повторялся. Когда произошел захват Сатурном последнего из своих «первичных» спутников, ставшего гигантским ледяным шаром с твердым минеральным ядром, вокруг планеты образовалось «облако» изо льда. Фрагменты этого «облака» имели от 1 до 50 километров в диаметре и сформировали первичное кольцо Сатурна. По массе это кольцо превышало современную систему колец в 1 тысячу раз, однако в течение последующих 4,5 миллиарда лет соударения образующих кольцо ледяных глыб привели к измельчению льда до размеров градин. При этом большая часть вещества была поглощена планетой, а также утрачена при взаимодействии с астероидами и кометами, многие из которых также стали жертвами гравитации Сатурна.

01.02.2018 21:37 1409

Почему у Сатурна есть кольца?

Планета Сатурн является второй по величине планетой в нашей солнечной системе и шестой по удалённости от Солнца. Вам ребята наверняка знакома эта планета из-за загадочных колец, которые окружают Сатурн.

А что представляют эти кольца и зачем они нужны?

Сейчас мы это узнаем.

Кольца Сатурна окружают планету в районе экватора – то есть посередине планеты. Их диаметр составляет приблизительно 250000 км. При этом толщина колец всего лишь 1.5 км.

Впервые кольца Сатурна увидел в телескопе итальянский астроном Галилео Галилей в 1610. Но он предположил, что видит не известные выпуклости по бокам планеты. То, что у Сатурна есть кольца, предположил нидерландский астроном Христиан Гюгенс, рассматривая планету в более мощный телескоп .

Самые большие по размеру кольца учёные обозначили буквами A,B и C. После них были обнаружены ещё три кольца. Их астрономы назвали D, E и F. На сегодняшний день учёные изучают Сатурн с помощью искусственного спутника Кассини. Им удалось открыть ещё много колец у этой необычной планеты!

Кольца Сатурна состоят из кусочков льда и камней. Их размеры могут быть с футбольный мяч, а могут с двухэтажный дом! Солнечные лучи попадая на ледяные камешки отражаются и в космосе образуется необычное сияние. Поэтому кольца Сатурна такие яркие, что их можно увидеть в телескопе.

Нет точного ответа на вопрос, как эти кольца образовались. Учёные предполагают, что когда-то Сатурна столкнулся с большим космическим телом. Возможно одним из своих спутников. При ударе Сатурн не пострадал, а вот другое космическое тело разлетелось на множество осколков. Теперь эти осколки вращаются вокруг планеты благодаря силе притяжения Сатурна. Есть предположение, что кольца Сатурна – это осколки его бывшего спутника. Из-за воздействия сил притяжения Сатурна спутник разрушился, а его осколки стали вращаться вокруг планеты. Некоторые учёные предполагают, что окружающие Сатурн астероиды и кусочки льда – это остатки околопланетного облака (космическая пыль). Из его внешних частей получились спутники Сатурна, а внутренние части остались в виде колец.

Кстати, а вы знали, ребята, что кроме Сатурна кольца есть ещё у Юпитера, Урана и Нептуна. Но они не такие большие и не такие яркие. Увидеть их можно только в очень мощный телескоп.

21.07.2015

Сатурн, шестая по счёту планета от Солнца, является одним из наиболее легко наблюдаемых объектов для астрономов, во многом благодаря его обширной и весьма специфической системе колец. Кольца Сатурна восхищали астрономов-любителей на протяжении столетий, начиная с того времени, когда люди впервые начали вглядываться в небо через окуляр телескопа.

Когда Галилео Галилей впервые наблюдал Сатурн в 1610 г., он подумал, что эти кольца представляли собой гигантские спутники планеты, находившиеся по разные стороны от неё. Однако дальнейшие наблюдения, проводившиеся учёным в течение нескольких последующих лет, показали, что эти кольца меняли свою форму и даже исчезали полностью, по мере того как менялся их наклон по отношению к Земле.

В настоящее время мы знаем, что Галилео наблюдал «пересечение плоскости колец». Экватор Сатурна наклонён по отношению к орбите этой планеты вокруг Солнца под углом примерно в 27 градусов (аналогичный угол наклона для Земли составляет 23 градуса). Когда Сатурн обращается вокруг Солнца, то сначала одно, а затем и второе полушария по очереди освещаются Солнцем. Этот наклон отвечает за смену сезонов, так же как и в случае с Землёй, и когда на Сатурне наступает осеннее или весеннее равноденствие, то Солнце попадает в плоскость системы колец, в которой лежит также и экватор планеты. Солнечные лучи освещают кольца «с ребра», и тонкую полоску колец становится трудно различить при помощи телескопов. Кольца Сатурна очень широкие – они достигают 273600 километров в поперечнике – но толщина их составляет не более 10 метров.

В 1655 г. астроном Кристиан Гюйгенс предположил, что эти странные тела были твёрдыми, наклонёнными кольцами, и в 1660 г. другой астроном предположил, что эти кольца состояли из небольших спутников – догадка, которая не могла получить подтверждения в течение почти 200 последующих лет.

В эпоху освоения космоса зонд «Пионер-11» прошёл сквозь плоскость колец Сатурна в 1979 г. В 1980-е гг. космические аппараты «Вояджер-1» и «Вояджер-2» позволили взглянуть на систему колец гигантской планеты.

В 2004 г. миссия НАСА «Кассини-Гюйгенс» впервые в мире вышла на орбиту вокруг Сатурна и произвела подробные наблюдения не только самой планеты, но и её системы колец.

Состав и структура

Хотя начинающему астроному-любителю может показаться, что Сатурн опоясан единым, твёрдым кольцом, но на самом деле система колец разделена на несколько частей. Эти кольца получили свои названия по алфавиту в соответствии с датами их открытия. Таким образом, главные кольца, если двигаться от периферии системы к центру, называются соответственно A, B и С. Щель шириной в 4700 километров, известная как Щель Кассини, разделяет между собой кольца A и B.

Другие, более тусклые кольца открывались по мере того, как совершенствовались технологии изготовления телескопов. «Вояджер-1» обнаружил самое близкое к центру системы кольцо D в 1980 г. Рядом с кольцом А, охватывая его снаружи, находится кольцо F, которое, в свою очередь, охватывается кольцами G и E, лежащими на значительном удалении от остальных колец системы.

Сами кольца содержат значительное число щелей и структур. Некоторые из них созданы многочисленными небольшими спутниками Сатурна, в то время как природа других из них до сих пор продолжает ставить в тупик астрономов.

Сатурн не единственная планета Солнечной системы, имеющая кольца – Юпитер, Уран и Нептун также располагают тусклыми системами колец – но со своими спутниками, система которых простирается на три четверти расстояния от Земли до Луны (282000 километров), он, без сомнения, формирует наиболее впечатляющую и доступную для наблюдения систему колец в Солнечной системе.

В большой телескоп у Сатурна видны три кольца: внешнее средней яркости кольцо, среднее, самое яркое, и внутреннее полупрозрачное кольцо ("креповое"). В порядке удаления от Сатурна они обозначаются буквами латинского алфавита: С, В, А.

В особо благоприятный период 1966 года, когда кольца были повернуты к земному наблюдателю своей неосвещенной стороной и почти ребром (а это значит, что яркие кольца не мешали наблюдениям), было открыто очень слабое самое внешнее кольцо, Еще одно кольцо (тоже очень слабое) было замечено наземными наблюдателями во внутреннем пространстве между "креповым" кольцом С и самой планетой.

Космические посланцы подтвердили наличие у Сатурна этих крайне разреженных колец и уточнили: самое внешнее кольцо представлено тремя самостоятельными кольцами, разделенными промежутками. Внешний радиус самого внешнего из этих трех колец охватывает зону до 6 радиусов планеты, то есть достигает 360 тыс. км.

Итак, общая структура колец Сатурна представлена семью более или менее широкими кольцами, разделенными промежутками. Но свыше 99% отражаемого солнечного света дают лишь два кольца, которые хорошо наблюдаются с Земли: среднее, самое яркое, и отделенное от него щелью Кассини внешнее кольцо.

Очень интересные результаты были получены "Вояджерами". "Вояджер-1" показал, что видимые в телескопы широкие кольца Сатурна состоят из сотен узких колец. А "Вояджер-2", имевший более чувствительные телевизионные камеры, "увидел", что все узкие кольца разделяются на еще более узкие колечки, которые подобны бороздкам на граммофонной пластинке. Число таких колечек в пределах разрешения камер (около 100 м) достигает примерно 10 тыс. На самом же деле их может быть свыше100 тыс. Но почему частицы в кольцах заполняют не все пространство равномерно, а группируются в узкие колечки?

Советские ученые А. М. Фридман и В. Л. Поляченко объяснили это тем, что кольцо, равномерно заполненное частицами, обладает большей потенциальной энергией, чем кольцо, разделенное на отдельные колечки. А так как любая физическая система стремится принять положение, соответствующее минимуму потенциальной энергии, то эволюция колец и привела их к нынешнему состоянию.

Давно доказано, что кольца Сатурна состоят из миллиардов мелких частиц, каждая из которых обращается вокруг планеты наподобие крошечной луны. Ученых интересовали размеры этих мини-лун и их химический состав. Еще из наземных спектральных наблюдений было известно, что частицы колец, вероятно, ледяные. Бортовые приборы, установленные на космических аппаратах, подтвердили правильность такого вывода. При той весьма низкой температуре, какую имеют кольца (средняя -206°С), это действительно могут быть целиком ледяные частицы или же покрытые слоем льда (с каменной "косточкой" внутри). Они очень малы, и разглядеть их не удалось даже с помощью телевизионных камер космических аппаратов, пролетавших вблизи Сатурна. И все же космические эксперименты помогли достаточно надежно оценить физико-химические характеристики этих невидимых частиц.

Поперечники частиц измерялись методом радиозатмения космического аппарата кольцами Сатурна. Радиолуч КА последовательно пронизывал внешнее кольцо, щель Кассини, внутреннее, самое светлое кольцо и находящееся внутри него "креповое" кольцо. При прохождении радиоволн через то или иное кольцо происходило их рассеяние на частицах кольца. По характеру рассеяния радиоволн было установлено, что средний поперечник частиц различен - от нескольких сантиметров до нескольких десятков метров. Самые мелкие из них сосредоточены в "креповом" кольце, самые крупные (размером с дом) - во внешнем. В кольцах встречаются и большие глыбы - до нескольких сотен метров в поперечнике. Сильное рассеяние, но не радиоволн, а видимого света, обнаружено у двух колец из числа самых внешних. Это свидетельствует о наличии в их составе значительных количеств мелкой пыли.

Исследователей интересовал также вопрос: состоят ли частицы колец целиком изо льда или только покрыты льдом? Раскрыть эту загадку помогла радиолокация. Как известно, каменистые частицы поглощают радиоволны, а частицы колец оказались хорошими отражателями радиоволн. Следовательно, кольца Сатурна в основном ледяные.

Эта огромная система колец, достигающая в диаметре удвоенного расстояния Земля-Луна, оказалась на удивление очень тонкой. Если судить по снимкам, переданным "Вояджером-2", толщина колец на некоторых участках составляет 150 м, а есть места, где она едва достигает 100 м. По-видимому, толщина колец изменяется от нескольких десятков до нескольких сотен метров и соизмерима с размерами самых крупных частиц.

Космическими аппаратами была также сделана попытка измерить массу колец. Скорее всего, она близка к одной десятимиллионной доле массы самого Сатурна, или к одной стотысячной массы Земли, или равна примерно одной тысячной массы Луны.

Завершая рассказ о кольцах Сатурна, хотелось бы еще раз коснуться проблемы их происхождения. Кольца могли образоваться в результате разрушения мощными приливными силами одного из близких спутников Сатурна.

Московский астроном М. С. Бобров уже давно высказывал идею, что кольца Сатурна - не спутник, разорванный притяжением планеты, а, наоборот, частицы протопланетного вещества, которым приливные силы воспрепятствовали сформироваться в единый спутник. Поэтому область колец Сатурна, возможно, почти единственное место в Солнечной системе, где сохранились остатки первичной, допланетной материи. Ее изучение могло бы пролить свет на историю происхождения планет.