Кольцевая система — это диск или кольцо, вращающееся вокруг астрономического объекта , состоящего из твердого материала, такого как пыль и луны , и являющегося распространенным компонентом спутниковых систем вокруг планет-гигантов, таких как Сатурн . Кольцевая система вокруг планеты также известна как планетарная кольцевая система. [1]
Самые выдающиеся и самые известные планетарные кольца в Солнечной системе — это кольца вокруг Сатурна , но другие три планеты-гиганта ( Юпитер , Уран и Нептун ) также имеют системы колец. Кольцевые системы вокруг малых планет также были обнаружены посредством покрытий. Вокруг Солнца на расстояниях от Меркурия , Венеры и Земли также имеются пылевые кольца, находящиеся в резонансе среднего движения с этими планетами. [1] [2] [3] Имеющиеся данные свидетельствуют о том, что системы колец можно также обнаружить вокруг других типов астрономических объектов, включая луны, коричневые карлики и другие звезды.
Предполагается, что более толстые планетарные кольца образовались тремя способами: из материала, происходящего из протопланетного диска , который находился в пределах предела Роша планеты и, следовательно, не мог сливаться с образованием лун, из обломков луны , разрушенной сильного удара или обломков луны, которая была разрушена приливными напряжениями , когда она проходила в пределах предела Роша планеты. Считалось, что большинство колец нестабильны и рассеиваются в течение десятков или сотен миллионов лет, но теперь выяснилось, что кольца Сатурна могли быть довольно старыми и датироваться первыми днями существования Солнечной системы. [4]
Более слабые планетарные кольца могут образоваться в результате ударов метеороидов со спутниками, вращающимися вокруг планеты, или, в случае с кольцом Е Сатурна, выбросами криовулканического материала. [5] [6]
Системы колец могут образовываться вокруг кентавров , когда они разрушаются приливным путем при близком столкновении (в пределах 0,4–0,8 раза превышающего предел Роша ) с планетой-гигантом. Для дифференцированного тела , приближающегося к планете-гиганту с начальной относительной скоростью 3-6 км/с с начальным периодом вращения 8 часов, прогнозируется масса кольца 0,1-10% массы кентавра. Образование кольца из недифференцированного тела менее вероятно. Кольца будут состоять в основном или полностью из материала ледяной мантии родительского тела. После формирования кольцо будет распространяться в стороны, что приведет к образованию спутников из любой его части, выходящей за пределы предела Роша кентавра. Спутники также могут образоваться непосредственно из разрушенной ледяной мантии. Этот механизм формирования предсказывает, что примерно 10% кентавров столкнутся с планетами-гигантами, которые потенциально могут привести к образованию колец. [7]
Состав частиц планетарных колец варьируется от силикатов до ледяной пыли. Могут также присутствовать более крупные камни и валуны, а в 2007 году в кольцах Сатурна были обнаружены приливные эффекты от восьми лун диаметром всего несколько сотен метров. Максимальный размер кольцевой частицы определяется удельной прочностью материала, из которого она сделана, ее плотностью и приливной силой на ее высоте. Приливная сила пропорциональна средней плотности внутри радиуса кольца или массе планеты, деленной на куб радиуса кольца. Он также обратно пропорционален квадрату орбитального периода кольца.
На некоторые планетарные кольца влияют спутники-пастухи — маленькие спутники , вращающиеся вблизи внутреннего или внешнего края кольца или внутри промежутков в кольцах. Гравитация пастушеских спутников поддерживает четко выраженный край кольца ; материал, который приближается к орбите спутника-пастуха, либо отклоняется обратно в тело кольца, выбрасывается из системы, либо аккрецируется на саму луну.
Также прогнозируется, что Фобос , спутник Марса, распадется и сформируется в планетарное кольцо примерно через 50 миллионов лет. Его низкая орбита, период обращения которой короче марсианских суток, затухает из-за приливного замедления . [8] [9]
Кольцевая система Юпитера была третьей открытой: она была впервые обнаружена зондом « Вояджер-1» в 1979 году [10] и более тщательно наблюдалась орбитальным аппаратом «Галилео» в 1990-х годах. [11] Его четыре основные части представляют собой слабый толстый тор, известный как «ореол»; тонкое, относительно яркое основное кольцо; и два широких, тусклых «тонких кольца». [12] Система состоит в основном из пыли. [10] [13]
Кольца Сатурна являются самой обширной системой колец среди всех планет Солнечной системы, и поэтому известно, что они существуют уже довольно давно. Галилео Галилей впервые наблюдал их в 1610 году, но они не были точно описаны как диск вокруг Сатурна до тех пор, пока Христиан Гюйгенс не сделал это в 1655 году . разная плотность. [15] Они состоят в основном из водяного льда и небольшого количества камней , а размеры частиц варьируются от микрометров до метров. [16]
Система колец Урана находится между уровнем сложности обширной системы Сатурна и более простыми системами вокруг Юпитера и Нептуна. Они были обнаружены в 1977 году Джеймсом Л. Эллиотом , Эдвардом В. Данэмом и Джессикой Минк . [17] За период с тех пор по 2005 год наблюдения с помощью «Вояджера-2» [18] и космического телескопа «Хаббл» [19] привели к идентификации в общей сложности 13 отдельных колец, большинство из которых непрозрачны и имеют ширину всего несколько километров. Они темные и, вероятно, состоят из водяного льда и некоторой органики , обработанной радиацией . Относительное отсутствие пыли обусловлено аэродинамическим сопротивлением со стороны расширенной экзосферы — короны Урана.
Система вокруг Нептуна состоит из пяти основных колец, плотность которых сравнима с областями с низкой плотностью колец Сатурна. Однако они тусклые и пыльные, по структуре гораздо более похожие на структуры Юпитера. Очень темный материал, из которого состоят кольца, вероятно, представляет собой органику, обработанную радиацией , как в кольцах Урана. [20] От 20 до 70 процентов колец — это пыль , относительно высокая доля. [20] Намеки на кольца были замечены за десятилетия до их окончательного открытия « Вояджером-2» в 1989 году.
В сообщениях в марте 2008 года говорилось, что спутник Сатурна Рея может иметь свою собственную систему тонких колец , что делает его единственным известным спутником, имеющим систему колец. [21] [22] [23] Более позднее исследование, опубликованное в 2010 году, показало, что изображение Реи, полученное космическим кораблем Кассини , не соответствовало предсказанным свойствам колец, что позволяет предположить, что за магнитные эффекты, которые привели к кольцевая гипотеза. [24]
До прибытия «Новых горизонтов» некоторые астрономы выдвигали гипотезу, что Плутон и Харон могут иметь кольцевую систему, созданную из пыли, выброшенной с небольших внешних спутников Плутона в результате столкновений. Пылевое кольцо представляло бы значительный риск для космического корабля «Новые горизонты» . [25] Однако эта возможность была исключена, когда «Новые горизонты» не смогли обнаружить пылевые кольца вокруг Плутона.
10199 Харикло , кентавр , был первой малой планетой, у которой были обнаружены кольца. У него есть два кольца , возможно, из-за столкновения, в результате которого вокруг него вращалась цепочка обломков. Кольца были обнаружены, когда астрономы наблюдали прохождение Чарикло перед звездой UCAC4 248-108672 3 июня 2013 года из семи мест в Южной Америке. Во время наблюдения они увидели два провала видимой яркости звезды непосредственно перед затмением и после него. Поскольку это событие наблюдалось в нескольких местах, вывод о том, что падение яркости на самом деле произошло из-за колец, является единогласно основной гипотезой. Наблюдения выявили, вероятно, систему колец шириной 19 километров (12 миль), которая находится примерно в 1000 раз ближе, чем Луна к Земле. Кроме того, астрономы подозревают, что среди кольцевых обломков может вращаться луна. Если эти кольца являются остатками столкновения, как подозревают астрономы, это даст пищу для идеи о том, что спутники (такие как Луна) формируются в результате столкновений более мелких частиц материала. Кольца Чарикло не получили официального названия, но первооткрыватели дали им прозвища Ояпоке и Чуи в честь двух рек у северной и южной оконечностей Бразилии. [26]
Второй кентавр, 2060 Хирон , имеет постоянно развивающийся диск колец. [27] [28] [29] На основе данных о звездном покрытии, которые первоначально интерпретировались как результат джетов, связанных с кометной активностью Хирона, предполагается, что кольцаРадиус 324 ± 10 км , хотя их эволюция несколько меняет радиус. Их изменение внешнего вида под разными углами обзора может объяснить долгосрочные изменения яркости Хирона с течением времени. [28] Предполагается, что кольца Хирона поддерживаются орбитальным материалом, выброшенным во время сезонных вспышек, поскольку третье частичное кольцо, обнаруженное в 2018 году, превратилось в полное кольцо к 2022 году, а вспышка произошла между ними в 2021 году. [30]
Кольцо вокруг Хаумеа , карликовой планеты и резонансного члена пояса Койпера , было обнаружено в результате звездного покрытия, наблюдавшегося 21 января 2017 года. Это делает его первым транснептуновым объектом , имеющим кольцевую систему. [31] [32] Кольцо имеет радиус около2287 км , ширина ≈70 км и непрозрачность 0,5. [32] Плоскость кольца совпадает с экватором Хаумеа и орбитой ее большего внешнего спутника Хииаки [32] (большая полуось которого ≈25 657 км ). Кольцо близко к резонансу 3:1 с вращением Хаумеа, которое расположено на радиусе2285 ± 8 км . [32] Это находится в пределах предела Роша Хаумеа , который находится в радиусе около4400 км, если бы Хаумеа был сферическим (несферичность расширяет предел). [32]
В 2023 году астрономы объявили об открытии широко разнесенного кольца вокруг карликовой планеты и объекта пояса Койпера Квавара . [33] [34] Дальнейший анализ данных о покрытии выявил второе внутреннее, более слабое кольцо. [35]
Оба кольца обладают необычными свойствами. Внешнее кольцо вращается на расстоянии4057 ± 6 км , что примерно в 7,5 раз больше радиуса Квавара и более чем вдвое превышает расстояние его предела Роша. Внутреннее кольцо вращается на расстоянии2520 ± 20 км , что примерно в 4,6 раза больше радиуса Квавара, а также за пределами его предела Роша. [35] Внешнее кольцо кажется неоднородным и содержит тонкую плотную секцию, а также более широкую и размытую секцию. [34]
Поскольку все планеты-гиганты Солнечной системы имеют кольца, существование экзопланет с кольцами вполне вероятно. Хотя частицы льда , материала, который преобладает в кольцах Сатурна , могут существовать только вокруг планет за линией замерзания , внутри этой линии кольца, состоящие из каменистого материала, могут быть стабильными в долгосрочной перспективе. [36] Такие кольцевые системы можно обнаружить у планет, наблюдаемых транзитным методом , путем дополнительного ослабления света центральной звезды, если их непрозрачность достаточна. По состоянию на 2020 год с помощью этого метода был обнаружен один кандидат на внесолнечную кольцевую систему около HIP 41378 f . [37]
При обнаружении в 2008 году Фомальгаут b оказался большим и нечетко очерченным. Предполагалось, что это связано либо с облаком пыли, притянутой из пылевого диска звезды, либо с возможной кольцевой системой, [38] , хотя в 2020 году Фомальгаут b Было установлено, что он, скорее всего, представляет собой расширяющееся облако обломков в результате столкновения астероидов, а не планеты. [39] Точно так же Проксима Центавра c оказалась намного ярче, чем ожидалось, из-за ее небольшой массы в 7 масс Земли, что можно отнести к системе колец массой около 5 R J . [40]
Последовательность покрытий звезды V1400 Центавра , наблюдавшаяся в 2007 году в течение 56 дней, была интерпретирована как транзит кольцевой системы субзвездного компаньона (не наблюдавшегося напрямую) , получившего название «J1407b». [41] Радиус этой кольцевой системы составляет около 90 миллионов км (примерно в 200 раз больше, чем у колец Сатурна). В пресс-релизах использовался термин « супер Сатурн ». [42] Однако возраст этой звездной системы составляет всего около 16 миллионов лет, что позволяет предположить, что эта структура, если она реальна, скорее всего, представляет собой околопланетный диск , а не стабильную кольцевую систему в развитой планетной системе . Было обнаружено, что кольцо имеет зазор шириной 0,0267 а.е. на радиальном расстоянии 0,4 а.е. Моделирование показывает, что этот разрыв, скорее, является результатом встроенной луны, а не резонансных эффектов внешней луны (лун). [43]