stringtranslate.com

Кольца Урана

Обновленное изображение системы колец Урана (аннотированы кольца эпсилон/ε, дзета/ζ, мю/μ и ню/ν), полученное камерой ближнего инфракрасного диапазона космического телескопа имени Джеймса Уэбба 4 сентября 2023 года.

Кольца Урана по сложности занимают промежуточное положение между более обширным набором вокруг Сатурна и более простыми системами вокруг Юпитера и Нептуна . Кольца Урана были открыты 10 марта 1977 года Джеймсом Л. Эллиотом , Эдвардом У. Данхэмом и Джессикой Минк . Уильям Гершель также сообщал о наблюдении колец в 1789 году; современные астрономы расходятся во мнениях относительно того, мог ли он их видеть, поскольку они очень темные и тусклые. [ 1]

К 1977 году было идентифицировано девять отдельных колец. Два дополнительных кольца были обнаружены в 1986 году на снимках, полученных космическим аппаратом Voyager 2 , а два внешних кольца были обнаружены в 2003–2005 годах на фотографиях космического телескопа Hubble . В порядке увеличения расстояния от планеты 13 известных колец обозначены как 1986U2R/ζ, 6, 5, 4, α, β, η, γ, δ, λ, ε, ν и μ. Их радиусы варьируются от примерно 38 000 км для кольца 1986U2R/ζ до примерно 98 000 км для кольца μ. Дополнительные слабые пылевые полосы и неполные дуги могут существовать между основными кольцами. Кольца чрезвычайно темные — альбедо Бонда частиц колец не превышает 2%. Вероятно, они состоят из водяного льда с добавлением некоторой темной органики , обработанной радиацией .

Большинство колец Урана непрозрачны и имеют ширину всего несколько километров. В целом система колец содержит мало пыли; она состоит в основном из крупных тел диаметром от 20 см до 20 м. Некоторые кольца оптически тонкие: широкие и тусклые кольца 1986U2R/ζ, μ и ν состоят из мелких пылевых частиц, а узкое и тусклое кольцо λ также содержит более крупные тела. Относительное отсутствие пыли в системе колец может быть связано с аэродинамическим сопротивлением со стороны расширенной экзосферы Урана .

Кольца Урана считаются относительно молодыми, им не более 600 миллионов лет. Система колец Урана, вероятно, возникла в результате столкновительного дробления нескольких лун, которые когда-то существовали вокруг планеты. После столкновения луны, вероятно, распались на множество частиц, которые сохранились в виде узких и оптически плотных колец только в строго ограниченных зонах максимальной стабильности.

Механизм, который ограничивает узкие кольца, не до конца понятен. Первоначально предполагалось, что каждое узкое кольцо имеет пару близлежащих пастушьих лун, загоняющих его в форму. В 1986 году Вояджер-2 обнаружил только одну такую ​​пастушью пару ( Корделия и Офелия ) вокруг самого яркого кольца (ε), хотя позднее была обнаружена слабая ν, зажатая между Порцией и Розалиндой . [2]

Открытие

Первое упоминание о системе колец Урана встречается в заметках Уильяма Гершеля, в которых подробно описываются его наблюдения Урана в 18 веке, в том числе следующий отрывок: «22 февраля 1789 года: Подозревали наличие кольца». [1] Гершель нарисовал небольшую схему кольца и отметил, что оно «немного наклонено к красному». Телескоп Кека на Гавайях с тех пор подтвердил, что это так, по крайней мере, для кольца ν (ню). [3] Заметки Гершеля были опубликованы в журнале Королевского общества в 1797 году. За два столетия между 1797 и 1977 годами кольца упоминались редко, если вообще упоминались. Это вызывает серьезные сомнения в том, мог ли Гершель увидеть что-либо подобное, в то время как сотни других астрономов ничего не видели. Утверждалось, что Гершель дал точные описания размера кольца ε относительно Урана, его изменений по мере того, как Уран путешествовал вокруг Солнца , и его цвета. [4]

Окончательное открытие колец Урана было сделано астрономами Джеймсом Л. Эллиотом , Эдвардом У. Данхэмом и Джессикой Минк 10 марта 1977 года с помощью воздушной обсерватории Койпера и было счастливым случаем . Они планировали использовать затмение звезды SAO 158687 Ураном для изучения атмосферы планеты . Когда их наблюдения были проанализированы, они обнаружили, что звезда ненадолго исчезала из виду пять раз как до, так и после того, как ее затмила планета. Они пришли к выводу, что присутствовала система узких колец. [5] [6] Пять событий затмения, которые они наблюдали, были обозначены в их работах греческими буквами α, β, γ, δ и ε. [5] С тех пор эти обозначения использовались в качестве названий колец. Позже они обнаружили четыре дополнительных кольца: одно между кольцами β и γ и три внутри кольца α. [7] Первое было названо кольцом η. Последние были названы кольцами 4, 5 и 6 — в соответствии с нумерацией событий затмения в одной статье. [8] Система колец Урана была второй, обнаруженной в Солнечной системе, после системы колец Сатурна . [9] В 1982 году, в пятую годовщину открытия колец, Уран вместе с восемью другими планетами, признанными в то время (т. е. включая Плутон ) , выстроились по одну сторону от Солнца. [10] [11]

Кольца были напрямую получены, когда космический аппарат Voyager 2 пролетал через систему Урана в 1986 году. [12] Было обнаружено еще два слабых кольца, в результате чего их общее число достигло одиннадцати. [12] Космический телескоп Хаббл обнаружил еще одну пару ранее невидимых колец в 2003–2005 годах, в результате чего общее число известных колец достигло 13. Открытие этих внешних колец удвоило известный радиус кольцевой системы. [13] Хаббл также впервые получил изображения двух небольших спутников, один из которых, Mab , делит свою орбиту с самым внешним недавно открытым кольцом μ. [14]

Общие свойства

Схема системы колец и лун Урана . Сплошные линии обозначают кольца; пунктирные линии обозначают орбиты лун.

В настоящее время считается, что система колец Урана состоит из тринадцати отдельных колец. В порядке увеличения расстояния от планеты это: кольца 1986U2R/ζ, 6, 5, 4, α, β, η, γ, δ, λ, ε, ν, μ. [13] Их можно разделить на три группы: девять узких главных колец (6, 5, 4, α, β, η, γ, δ, ε), [9] два пылевых кольца (1986U2R/ζ, λ) [15] и два внешних кольца (ν, μ). [13] [16] Кольца Урана в основном состоят из макроскопических частиц и небольшого количества пыли , [17] хотя известно, что пыль присутствует в кольцах 1986U2R/ζ, η, δ, λ, ν и μ. [13] [15] В дополнение к этим хорошо известным кольцам, могут быть многочисленные оптически тонкие пылевые полосы и слабые кольца между ними. [18] Эти слабые кольца и пылевые полосы могут существовать только временно или состоять из нескольких отдельных дуг, которые иногда обнаруживаются во время затмений . [18] Некоторые из них стали видны во время серии событий пересечения плоскости колец в 2007 году. [19] Несколько пылевых полос между кольцами были обнаружены в геометрии прямого рассеяния [a] Вояджером 2. [12] Все кольца Урана показывают азимутальные изменения яркости. [12]

Кольца состоят из чрезвычайно темного материала. Геометрическое альбедо частиц колец не превышает 5–6%, в то время как альбедо Бонда еще ниже — около 2%. [17] [20] Частицы колец демонстрируют крутой всплеск противостояния — увеличение альбедо, когда фазовый угол близок к нулю. [17] Это означает, что их альбедо намного ниже, когда они наблюдаются немного вне противостояния. [b] Кольца слегка красные в ультрафиолетовой и видимой частях спектра и серые в ближней инфракрасной области . [21] Они не демонстрируют идентифицируемых спектральных особенностей . Химический состав частиц колец неизвестен. Они не могут быть сделаны из чистого водяного льда, как кольца Сатурна, потому что они слишком темные, темнее внутренних лун Урана . [21] Это указывает на то, что они, вероятно, состоят из смеси льда и темного материала. Природа этого материала не ясна, но это могут быть органические соединения, значительно затемненные облучением заряженными частицами из магнитосферы Урана . Частицы колец могут состоять из сильно переработанного материала, который изначально был похож на материал внутренних лун. [21]

В целом, система колец Урана не похожа ни на слабые пылевые кольца Юпитера , ни на широкие и сложные кольца Сатурна , некоторые из которых состоят из очень яркого материала — водяного льда. [9] Есть сходство с некоторыми частями последней системы колец; кольцо F Сатурна и кольцо ε Урана оба узкие, относительно темные и находятся под присмотром пары лун. [9] Недавно обнаруженные внешние кольца ν и μ Урана похожи на внешние кольца G и E Сатурна . [22] Узкие колечки, существующие в широких кольцах Сатурна, также напоминают узкие кольца Урана. [9] Кроме того, пылевые полосы, наблюдаемые между основными кольцами Урана, могут быть похожи на кольца Юпитера. [15] Напротив, система колец Нептуна довольно похожа на систему колец Урана, хотя она менее сложная, темнее и содержит больше пыли; кольца Нептуна также расположены дальше от планеты. [15]

Узкие основные кольца

ε (эпсилон) кольцо

Крупный план кольца ε Урана.

Кольцо ε является самой яркой и плотной частью кольцевой системы Урана и отвечает за около двух третей света, отражаемого кольцами. [12] [21] Хотя это самое эксцентричное из колец Урана, оно имеет пренебрежимо малый наклон орбиты . [23] Эксцентриситет кольца приводит к тому, что его яркость меняется в течение его орбиты. Радиально интегрированная яркость кольца ε является самой высокой вблизи апоцентра и самой низкой вблизи перицентра . [24] Отношение максимальной/минимальной яркости составляет около 2,5–3,0. [17] Эти изменения связаны с изменениями ширины кольца, которая составляет 19,7 км в перицентре и 96,4 км в апоцентре. [24] По мере того, как кольцо становится шире, количество затенения между частицами уменьшается, и большее их количество попадает в поле зрения, что приводит к более высокой интегрированной яркости. [20] Изменения ширины были измерены непосредственно по изображениям Voyager 2 , поскольку кольцо ε было одним из двух колец, разрешенных камерами Voyager. [12] Такое поведение указывает на то, что кольцо не является оптически тонким. Действительно, наблюдения затмения, проведенные с Земли и космического корабля, показали, что его нормальная оптическая глубина [c] варьируется от 0,5 до 2,5, [24] [25] будучи самой высокой вблизи перицентра. Эквивалентная глубина [d] кольца ε составляет около 47 км и неизменна вокруг орбиты. [24]

Крупный план (сверху вниз) колец δ, γ, η, β и α Урана. Разрешенное кольцо η демонстрирует оптически тонкий широкий компонент.

Геометрическая толщина кольца ε точно не известна, хотя кольцо, безусловно, очень тонкое — по некоторым оценкам, всего 150 м. [18] Несмотря на такую ​​бесконечно малую толщину, оно состоит из нескольких слоев частиц. Кольцо ε — довольно густонаселенное место с фактором заполнения вблизи апоапсиса, оцениваемым разными источниками в диапазоне от 0,008 до 0,06. [24] Средний размер частиц кольца составляет 0,2–20,0 м, [18] а среднее разделение составляет около 4,5 их радиусов. [24] Кольцо почти лишено пыли , возможно, из-за аэродинамического сопротивления протяженной атмосферной короны Урана. [3] Из-за своей мельчайшей толщины кольцо ε невидимо при наблюдении с ребра. Это произошло в 2007 году, когда было обнаружено пересечение плоскости кольца. [19]

Космический аппарат Voyager 2 наблюдал странный сигнал от кольца ε во время эксперимента по радиозатмению . [25] Сигнал выглядел как сильное усиление прямого рассеяния на длине волны 3,6 см вблизи апоапсиса кольца. Такое сильное рассеяние требует существования когерентной структуры. То, что кольцо ε действительно имеет такую ​​тонкую структуру, было подтверждено многими наблюдениями затмения. [18] Кольцо ε, по-видимому, состоит из ряда узких и оптически плотных колечек, некоторые из которых могут иметь неполные дуги. [18]

Известно, что кольцо ε имеет внутренние и внешние спутники-пастухи — Корделию и Офелию соответственно. [26] Внутренний край кольца находится в резонансе 24:25 с Корделией, а внешний край — в резонансе 14:13 с Офелией. [26] Массы спутников должны быть как минимум в три раза больше массы кольца, чтобы эффективно его ограничивать. [9] Масса кольца ε оценивается примерно в 10 16  кг. [9] [26]

δ (дельта) кольцо

Сравнение колец Урана в прямом и обратном рассеянном свете (изображения, полученные Вояджером-2 в 1986 году)

Кольцо δ имеет круглую форму и слегка наклонено. [23] Оно демонстрирует значительные необъяснимые азимутальные изменения нормальной оптической глубины и ширины. [18] Одним из возможных объяснений является то, что кольцо имеет азимутальную волнообразную структуру, возбуждаемую небольшой луной прямо внутри него. [27] Острый внешний край кольца δ находится в резонансе 23:22 с Корделией. [28] Кольцо δ состоит из двух компонентов: узкого оптически плотного компонента и широкого внутреннего плеча с низкой оптической глубиной. [18] Ширина узкого компонента составляет 4,1–6,1 км, а эквивалентная глубина — около 2,2 км, что соответствует нормальной оптической глубине около 0,3–0,6. [24] Широкий компонент кольца имеет ширину около 10–12 км, а его эквивалентная глубина близка к 0,3 км, что указывает на низкую нормальную оптическую глубину 3 × 10−2 . [24] [29] Это известно только из данных по затмению, поскольку эксперимент по визуализации Voyager 2 не смог разрешить кольцо δ. [12] [29] При наблюдении в геометрии прямого рассеяния Voyager 2 кольцо δ выглядело относительно ярким, что совместимо с наличием пыли в его широком компоненте. [12] Широкий компонент геометрически толще узкого компонента. Это подтверждается наблюдениями события пересечения плоскости кольца в 2007 году, когда кольцо δ оставалось видимым, что согласуется с поведением одновременно геометрически толстого и оптически тонкого кольца. [19]

γ (гамма) кольцо

Кольцо γ узкое, оптически плотное и слегка эксцентричное. Его орбитальный наклон почти равен нулю. [23] Ширина кольца варьируется в диапазоне 3,6–4,7 км, хотя эквивалентная оптическая глубина постоянна и составляет 3,3 км. [24] Нормальная оптическая глубина кольца γ составляет 0,7–0,9. Во время события пересечения плоскости кольца в 2007 году кольцо γ исчезло, что означает, что оно геометрически тонкое, как кольцо ε [18] и лишено пыли. [19] Ширина и нормальная оптическая глубина кольца γ показывают значительные азимутальные изменения. [18] Механизм ограничения такого узкого кольца неизвестен, но было замечено, что острый внутренний край кольца γ находится в резонансе 6:5 с Офелией. [28] [30]

η (эта) кольцо

Кольцо η имеет нулевой эксцентриситет орбиты и наклон. [23] Как и кольцо δ, оно состоит из двух компонентов: узкого оптически плотного компонента и широкого внешнего плеча с низкой оптической глубиной. [12] Ширина узкого компонента составляет 1,9–2,7 км, а эквивалентная глубина — около 0,42 км, что соответствует нормальной оптической глубине около 0,16–0,25. [24] Широкий компонент имеет ширину около 40 км, а его эквивалентная глубина близка к 0,85 км, что указывает на низкую нормальную оптическую глубину 2 × 10−2 . [ 24] Оно было разрешено на снимках Voyager 2. [12] В пряморассеянном свете кольцо η выглядело ярким, что указывало на присутствие значительного количества пыли в этом кольце, вероятно, в широком компоненте. [12] Широкий компонент намного толще (геометрически), чем узкий. Этот вывод подтверждается наблюдениями события пересечения плоскости кольца в 2007 году, когда кольцо η продемонстрировало повышенную яркость, став второй по яркости деталью в кольцевой системе. [19] Это согласуется с поведением геометрически толстого, но одновременно оптически тонкого кольца. [19] Как и большинство других колец, кольцо η показывает значительные азимутальные изменения нормальной оптической глубины и ширины. Узкий компонент даже исчезает в некоторых местах. [18]

α (альфа) и β (бета) кольца

После кольца ε кольца α и β являются самыми яркими из колец Урана. [17] Как и кольцо ε, они демонстрируют регулярные изменения яркости и ширины. [17] Они самые яркие и широкие в 30° от апоцентра и самые тусклые и узкие в 30° от перицентра . [12] [31] Кольца α и β имеют значительный орбитальный эксцентриситет и немалый наклон. [23] Ширина этих колец составляет 4,8–10 км и 6,1–11,4 км соответственно. [24] Эквивалентные оптические глубины составляют 3,29 км и 2,14 км, что приводит к нормальным оптическим глубинам 0,3–0,7 и 0,2–0,35 соответственно. [24] Во время события пересечения плоскости колец в 2007 году кольца исчезли, что означает, что они геометрически тонкие, как кольцо ε, и лишены пыли. [19] Это же событие выявило толстую и оптически тонкую пылевую полосу сразу за кольцом β, которую ранее наблюдал Voyager 2. [ 12] Массы колец α и β оцениваются примерно в 5 × 10 15  кг (каждого) — половина массы кольца ε. [32]

Кольца 6, 5 и 4

Кольца 6, 5 и 4 являются самыми внутренними и самыми тусклыми из узких колец Урана. [17] Они являются наиболее наклонными кольцами, и их орбитальные эксцентриситеты являются самыми большими, за исключением кольца ε. [23] Фактически, их наклоны (0,06°, 0,05° и 0,03°) были достаточно большими, чтобы Voyager 2 мог наблюдать их возвышения над экваториальной плоскостью Урана, которые составляли 24–46 км. [12] Кольца 6, 5 и 4 также являются самыми узкими кольцами Урана, имея ширину 1,6–2,2 км, 1,9–4,9 км и 2,4–4,4 км соответственно. [12] [24] Их эквивалентные глубины составляют 0,41 км, 0,91 и 0,71 км, что приводит к нормальной оптической глубине 0,18–0,25, 0,18–0,48 и 0,16–0,3. [24] Они не были видны во время пересечения плоскости колец в 2007 году из-за их узости и отсутствия пыли. [19]

Пыльные кольца

λ (лямбда) кольцо

Длительная экспозиция, высокий фазовый угол (172,5°) [17] Изображение внутренних колец Урана, полученное Voyager 2. В пряморассеянном свете можно увидеть пылевые полосы, не видимые на других изображениях, а также распознанные кольца.

Кольцо λ было одним из двух колец, открытых Вояджером 2 в 1986 году. [23] Это узкое, слабое кольцо, расположенное прямо внутри кольца ε, между ним и пастушьей луной Корделией . [12] Эта луна очищает темную полосу прямо внутри кольца λ. При просмотре в обратно рассеянном свете [e] кольцо λ чрезвычайно узкое — около 1–2 км — и имеет эквивалентную оптическую глубину 0,1–0,2 км на длине волны 2,2 мкм. [3] Нормальная оптическая глубина составляет 0,1–0,2. [12] [29] Оптическая глубина кольца λ показывает сильную зависимость от длины волны, что нетипично для кольцевой системы Урана. Эквивалентная глубина достигает 0,36 км в ультрафиолетовой части спектра, что объясняет, почему кольцо λ изначально было обнаружено только в ультрафиолетовых покрытиях звезд Вояджером 2 . [29] Об обнаружении во время звездного затмения на длине волны 2,2 мкм было объявлено только в 1996 году. [3]

Внешний вид кольца λ резко изменился, когда оно наблюдалось в прямом рассеянном свете в 1986 году. [12] В этой геометрии кольцо стало самой яркой деталью кольцевой системы Урана, затмив кольцо ε. [15] Это наблюдение, вместе с зависимостью длины волны оптической глубины, указывает на то, что кольцо λ содержит значительное количество пыли микрометрового размера . [15] Нормальная оптическая глубина этой пыли составляет 10−4–10−3 . [ 17] Наблюдения в 2007 году телескопом Кека во время события пересечения плоскости кольца подтвердили этот вывод , поскольку кольцо λ стало одной из самых ярких деталей в кольцевой системе Урана. [19]

Подробный анализ изображений Voyager 2 выявил азимутальные изменения яркости кольца λ. [17] Изменения кажутся периодическими, напоминающими стоячую волну . Происхождение этой тонкой структуры в кольце λ остается загадкой. [15]

Кольцо 1986U2R/ζ (дзета)

Изображение открытия кольца 1986U2R

В 1986 году Voyager 2 обнаружил широкий и тусклый слой материала внутри кольца 6. [12] Этому кольцу было дано временное обозначение 1986U2R. Его нормальная оптическая глубина составляла 10−3 или меньше, и оно было чрезвычайно тусклым. Считалось, что оно было видно только на одном снимке Voyager 2 , [12] пока повторный анализ данных Voyager в 2022 году не выявил кольцо на снимках после встречи. [33] Кольцо располагалось на расстоянии от 37 000 до 39 500 км от центра Урана, или всего в 12 000 км над облаками. [3] Его не наблюдали снова до 2003–2004 годов, когда телескоп Кека обнаружил широкий и тусклый слой материала прямо внутри кольца 6. Это кольцо было названо кольцом ζ. [3] Положение восстановленного кольца ζ существенно отличается от наблюдавшегося в 1986 году. Сейчас оно находится между 37 850 и 41 350 км от центра планеты. Существует постепенно затухающее внутреннее расширение, достигающее по крайней мере 32 600 км, [3] или, возможно, даже 27 000 км — до атмосферы Урана. Эти расширения обозначены как кольца ζ c и ζ cc соответственно. [34]

Кольцо ζ было снова замечено во время события пересечения плоскости кольца в 2007 году, когда оно стало самой яркой особенностью кольцевой системы, затмив все остальные кольца вместе взятые. [19] Эквивалентная оптическая глубина этого кольца составляет около 1 км (0,6 км для внутреннего расширения), в то время как нормальная оптическая глубина снова меньше 10−3 . [ 3] Довольно разный внешний вид колец 1986U2R и ζ может быть вызван различной геометрией наблюдения: геометрией обратного рассеяния в 2003–2007 годах и геометрией бокового рассеяния в 1986 году. [3] [19] Изменения в распределении пыли, которая, как полагают, преобладает в кольце, за последние 20 лет не могут быть исключены. [19]

Другие пылевые полосы

В дополнение к кольцам 1986U2R/ζ и λ, в кольцевой системе Урана есть и другие чрезвычайно слабые пылевые полосы. [12] Они невидимы во время затмений, поскольку имеют незначительную оптическую толщину, хотя они яркие в пряморассеянном свете. [15] Изображения пряморассеянного света, полученные Voyager 2 , выявили существование ярких пылевых полос между кольцами λ и δ, между кольцами η и β, а также между кольцом α и кольцом 4. [12] Многие из этих полос были снова обнаружены в 2003–2004 годах телескопом Кека и во время события пересечения плоскости колец в 2007 году в обратнорассеянном свете, но их точное местоположение и относительная яркость отличались от значений во время наблюдений Voyager . [3] [19] Нормальная оптическая толщина пылевых полос составляет около 10−5 или меньше. Распределение размеров частиц пыли, как полагают, подчиняется степенному закону с индексом p  = 2,5 ± 0,5. [17]

В дополнение к отдельным пылевым полосам система колец Урана, по-видимому, погружена в широкую и слабую толщу пыли с нормальной оптической толщиной, не превышающей 10−3 . [ 34]

Кольца μ (мю) и ν (ню)

Кольца μ и ν Урана (R/2003 U1 и U2) на снимках космического телескопа Хаббл от 2005 года

В 2003–2005 годах космический телескоп Хаббл обнаружил пару ранее неизвестных колец, теперь называемых внешней кольцевой системой, что довело число известных колец Урана до 13. [13] Впоследствии эти кольца были названы кольцами μ (мю) и ν (ню). [16] Кольцо μ является самым внешним из пары и находится на расстоянии в два раза большем от планеты, чем яркое кольцо η. [13] Внешние кольца отличаются от внутренних узких колец по ряду параметров. Они широкие, шириной 17 000 и 3800 км соответственно, и очень слабые. Их пиковые нормальные оптические глубины составляют 8,5 × 10−6 и 5,4 × 10−6 соответственно . Результирующие эквивалентные оптические глубины составляют 0,14 км и 0,012 км. Кольца имеют треугольные радиальные профили яркости. [13]

Пик яркости кольца μ (мю) почти точно совпадает с орбитой небольшого спутника Урана Маб , который, вероятно, является источником частиц кольца. [13] [14] Кольцо ν (ню) расположено между Порцией и Розалиндой и не содержит внутри себя никаких лун. [13] Повторный анализ изображений вперед рассеянного света, полученных с Вояджера-2, четко выявляет кольца μ и ν. В этой геометрии кольца намного ярче, что указывает на то, что они содержат много пыли микрометрового размера. [13] Внешние кольца Урана могут быть похожи на кольца G и E Сатурна , поскольку кольцо E чрезвычайно широкое и получает пыль с Энцелада . [13] [14]

Кольцо μ может состоять полностью из пыли, без каких-либо крупных частиц вообще. Эта гипотеза подтверждается наблюдениями, выполненными телескопом Кека, который не смог обнаружить кольцо μ в ближнем инфракрасном диапазоне на длине волны 2,2 мкм, но обнаружил кольцо ν. [22] Эта неудача означает, что кольцо μ имеет синий цвет, что, в свою очередь, указывает на то, что в нем преобладает очень мелкая (субмикрометровая) пыль. [22] Пыль может состоять из водяного льда. [35] Напротив, кольцо ν имеет слегка красный цвет. [22] [36]

Динамика и происхождение

Улучшенная цветовая схема внутренних колец, полученная с помощью снимков «Вояджера-2»

Нерешенной проблемой, касающейся физики, управляющей узкими кольцами Урана, является их ограничение. Без какого-либо механизма, удерживающего их частицы вместе, кольца быстро бы радиально расползлись. [9] Продолжительность жизни колец Урана без такого механизма не может превышать 1 миллиона лет. [9] Наиболее широко цитируемая модель такого ограничения, первоначально предложенная Голдрайхом и Тремейном , [37] заключается в том, что пара близлежащих лун, внешние и внутренние пастухи, гравитационно взаимодействуют с кольцом и действуют как поглотители и доноры, соответственно, для избыточного и недостаточного углового момента (или, что эквивалентно, энергии). Таким образом, пастухи удерживают частицы кольца на месте, но постепенно сами удаляются от кольца. [9] Чтобы быть эффективными, массы пастухов должны превышать массу кольца как минимум в два-три раза. Известно, что этот механизм работает в случае кольца ε, где Корделия и Офелия служат пастухами. [28] Корделия также является внешним пастухом кольца δ, а Офелия — внешним пастухом кольца γ. [28] Ни одна луна размером более 10 км не известна вблизи других колец. [12] Текущее расстояние Корделии и Офелии от кольца ε можно использовать для оценки возраста кольца. Расчеты показывают, что кольцо ε не может быть старше 600 миллионов лет. [9] [26]

Поскольку кольца Урана кажутся молодыми, они должны постоянно обновляться в результате столкновительной фрагментации более крупных тел. [9] Оценки показывают, что время жизни луны размером с Пак , исключающее столкновительное разрушение , составляет несколько миллиардов лет. Время жизни меньшего спутника намного короче. [9] Таким образом, все нынешние внутренние луны и кольца могут быть продуктами разрушения нескольких спутников размером с Пак в течение последних четырех с половиной миллиардов лет. [26] Каждое такое разрушение должно было бы запустить каскад столкновений, который быстро измельчил бы почти все крупные тела до гораздо более мелких частиц, включая пыль. [9] В конечном итоге большая часть массы была потеряна, и частицы выжили только в положениях, которые были стабилизированы взаимными резонансами и пастырством. Конечным продуктом такой разрушительной эволюции была бы система узких колец. Несколько лунок все еще должны быть встроены в кольца в настоящее время. Максимальный размер таких лунок, вероятно, составляет около 10 км. [26]

Происхождение пылевых полос менее проблематично. Пыль имеет очень короткий срок жизни, 100–1000 лет, и должна постоянно пополняться столкновениями между более крупными кольцевыми частицами, лунами и метеороидами из-за пределов системы Урана. [15] [26] Пояса родительских лун и частиц сами по себе невидимы из-за их низкой оптической глубины, в то время как пыль проявляет себя в пряморассеянном свете. [26] Ожидается, что узкие главные кольца и пояса лун, которые создают пылевые полосы, будут отличаться по распределению размеров частиц. Главные кольца имеют больше тел размером от сантиметра до метра. Такое распределение увеличивает площадь поверхности материала в кольцах, что приводит к высокой оптической плотности в обратнорассеянном свете. [26] Напротив, пылевые полосы имеют относительно мало крупных частиц, что приводит к низкой оптической глубине. [26]

Исследование

Кольца были тщательно исследованы космическим аппаратом Voyager 2 в январе 1986 года. [23] Были обнаружены два новых слабых кольца — λ и 1986U2R, в результате чего общее число известных на тот момент колец достигло одиннадцати. Кольца изучались путем анализа результатов радио-, [25] ультрафиолетового [29] и оптического затмений. [18] Voyager 2 наблюдал кольца в различных геометриях относительно Солнца, создавая изображения с рассеянным назад, вперед и боковым рассеянным светом. [12] Анализ этих изображений позволил вывести полную фазовую функцию, геометрическое и альбедо Бонда частиц кольца. [17] Два кольца — ε и η — были разрешены на изображениях, обнаружив сложную тонкую структуру. [12] Анализ изображений Voyager также привел к открытию одиннадцати внутренних лун Урана , включая две луны-пастухи кольца ε — Корделию и Офелию. [12]

Список объектов недвижимости

В этой таблице обобщены свойства планетарной кольцевой системы Урана .

Примечания

  1. ^ Рассеянный вперед свет — это свет, рассеянный под небольшим углом относительно солнечного света ( фазовый угол близок к 180°).
  2. ^ Противостояние означает, что угол между направлением объект-Солнце и направлением объект-Земля не равен нулю.
  3. ^ ab Нормальная оптическая толщина τ кольца — это отношение полного геометрического сечения частиц кольца к площади кольца. Она принимает значения от нуля до бесконечности. Световой луч, проходящий нормально через кольцо, будет ослаблен в e −τ . [17]
  4. ^ ab Эквивалентная глубина ED кольца определяется как интеграл нормальной оптической глубины по кольцу. Другими словами ED=∫τdr, где r — радиус. [3]
  5. ^ Обратнорассеянный свет — это свет, рассеянный под углом, близким к 180°, относительно солнечного света ( фазовый угол близок к 0°).
  6. ^ ab Радиусы колец 6,5,4, α, β, η, γ, δ, λ и ε взяты из Esposito et al., 2002. [9] Ширины колец 6,5,4, α, β, η, γ, δ и ε взяты из Karkoshka et al., 2001. [24] Радиусы и ширины колец ζ и 1986U2R взяты из de Pater et al., 2006. [3] Ширина кольца λ взята из Holberg et al., 1987. [29] Радиусы и ширины колец μ и ν взяты из Showalter et al., 2006. [13]
  7. ^ Эквивалентная глубина колец 1986U2R и ζ c /ζ cc является произведением их ширины и нормальной оптической глубины. Эквивалентные глубины колец 6,5,4, α, β, η, γ, δ и ε были взяты из Karkoshka et al., 2001. [24] Эквивалентные глубины колец λ и ζ, μ и ν получены с использованием значений μEW из de Pater et al., 2006 [3] и de Pater et al., 2006b, [22] соответственно. Значения μEW для этих колец были умножены на коэффициент 20, что соответствует предполагаемому альбедо частиц кольца 5%.
  8. ^ Нормальные оптические глубины всех колец, за исключением ζ, ζ c , ζ cc , 1986U2R, μ и ν, были рассчитаны как отношения эквивалентных глубин к ширинам. Нормальная оптическая глубина кольца 1986U2R была взята из работы de Smith et al., 1986. [12] Нормальные оптические глубины колец μ и ν являются пиковыми значениями из работы Showalter et al., 2006, [13] , тогда как нормальные оптические глубины колец ζ, ζ c и ζ cc взяты из работы Dunn et al., 2010. [34]
  9. ^ Оценки толщины взяты из работы Лейна и др., 1986. [18]
  10. ^ ab Эксцентриситеты и наклоны колец были взяты из работ Стоуна и др., 1986 и Френча и др., 1989. [23] [30]

Ссылки

  1. ^ ab Rincon, Paul (18 апреля 2007 г.). «Кольца Урана „были замечены в 1700-х годах“». BBC News . Получено 23 января 2012 г. .(повторное исследование Стюарта Ивса)
  2. ^ Филаккьоне, Г.; Чиарниелло, М. (2021). «Уран и Нептун - Кольца» (PDF) . В Олдертоне, Д.; Элиас, SA (ред.). Энциклопедия геологии (2-е изд.). Академическая пресса. дои : 10.1016/B978-0-12-409548-9.11942-6. hdl : 20.500.12386/30481 . ISBN 978-0-08-102909-1.
  3. ^ abcdefghijklm де Патер, Имке; Гиббард, Серан Г.; Хаммель, HB (2006). «Эволюция пыльных колец Урана». Икар . 180 (1): 186–200. Бибкод : 2006Icar..180..186D. дои : 10.1016/j.icarus.2005.08.011.
  4. ^ «Открыл ли Уильям Гершель кольца Урана в 18 веке?». Physorg.com . 2007. Получено 20 июня 2007 г.
  5. ^ ab Эллиот, Дж. Л.; Данхэм, Э.; Минк, Д. (1977). «Покрытие SAO – 15 86687 поясом спутников Урана». Международный астрономический союз, циркуляр № 3051.
  6. ^ Эллиот, Дж. Л.; Данэм, Э.; Минк, Д. (1977). «Кольца Урана». Nature . 267 (5609): 328–330. Bibcode : 1977Natur.267..328E. doi : 10.1038/267328a0. S2CID  4194104.
  7. ^ Николсон, PD; Перссон, SE; Мэтьюз, K.; и др. (1978). «Кольца Урана: результаты затмений 10 апреля 1978 года» (PDF) . The Astronomical Journal . 83 : 1240–1248. Bibcode : 1978AJ.....83.1240N. doi : 10.1086/112318.
  8. ^ Миллис, Р. Л.; Вассерман, Л. Х. (1978). «Затмение BD −15 3969 кольцами Урана». The Astronomical Journal . 83 : 993–998. Bibcode : 1978AJ.....83..993M. doi : 10.1086/112281 .
  9. ^ abcdefghijklmno Эспозито, Л. В. (2002). «Планетные кольца». Reports on Progress in Physics . 65 (12): 1741–1783. Bibcode : 2002RPPh...65.1741E. doi : 10.1088/0034-4885/65/12/201. S2CID  250909885.
  10. ^ «Идеи и тенденции вкратце; сейчас самое время высказаться». New York Times . 14 марта 1982 г. Получено 10 марта 2024 г.
  11. ^ Эффект Юпитера .
  12. ^ abcdefghijklmnopqrstu vwxyz aa Smith, BA; Soderblom, LA; Beebe, A.; Bliss, D.; Boyce, JM; Brahic, A.; Briggs, GA; Brown, RH; Collins, SA (4 июля 1986 г.). «Voyager 2 в системе Урана: результаты научной визуализации». Science (Представленная рукопись). 233 (4759): 43–64. Bibcode :1986Sci...233...43S. doi :10.1126/science.233.4759.43. PMID  17812889. S2CID  5895824.
  13. ^ abcdefghijklm Showalter, Mark R.; Lissauer, Jack J. (2006-02-17). "Вторая система колец и лун Урана: открытие и динамика". Science . 311 (5763): 973–977. Bibcode :2006Sci...311..973S. doi : 10.1126/science.1122882 . PMID  16373533. S2CID  13240973.
  14. ^ abc "NASA's Hubble Discovers New Rings and Moons Around Uranus". Hubblesite . 2005 . Получено 2007-06-09 .
  15. ^ abcdefghi Бернс, JA; Гамильтон, DP; Шоуолтер, MR (2001). «Пыльные кольца и околопланетная пыль: наблюдения и простая физика» (PDF) . В Grun, E.; Gustafson, BAS; Dermott, ST; Fechtig H. (ред.). Межпланетная пыль . Берлин: Springer. стр. 641–725.
  16. ^ ab Showalter, Mark R.; Lissauer, JJ; French, RG; et al. (2008). «Внешние пылевые кольца Урана в космическом телескопе Хаббла». AAA/Division of Dynamical Astronomy Meeting #39 . 39 : 16.02. Bibcode : 2008DDA....39.1602S.
  17. ^ abcdefghijklm Ockert, ME; Cuzzi, JN; Porco, CC; Johnson, TV (1987). «Уранская кольцевая фотометрия: результаты с Voyager 2». Journal of Geophysical Research . 92 (A13): 14, 969–78. Bibcode : 1987JGR....9214969O. doi : 10.1029/JA092iA13p14969.
  18. ^ abcdefghijklm Лейн, Артур Л.; Хорд, Чарльз В.; Уэст, Роберт А.; и др. (1986). «Фотометрия с Вояджера 2: начальные результаты по атмосфере, спутникам и кольцам Урана». Science . 233 (4759): 65–69. Bibcode :1986Sci...233...65L. doi :10.1126/science.233.4759.65. PMID  17812890. S2CID  3108775.
  19. ^ abcdefghijklm de Pater, Imke ; Hammel, HB; Showalter, Mark R.; Van Dam, Marcos A. (2007). "Темная сторона колец Урана" (PDF) . Science . 317 (5846): 1888–1890. Bibcode :2007Sci...317.1888D. doi :10.1126/science.1148103. PMID  17717152. S2CID  23875293. Архивировано из оригинала (PDF) 2019-03-03.
  20. ^ ab Karkoshka, Erich (1997). «Кольца и спутники Урана: красочные и не такие уж темные». Icarus . 125 (2): 348–363. Bibcode :1997Icar..125..348K. doi :10.1006/icar.1996.5631.
  21. ^ abcd Бейнс, Кевин Х.; Янамандра-Фишер, Падмавати А.; Лебофски, Ларри А.; и др. (1998). «Абсолютная фотометрическая визуализация системы Урана в ближнем инфракрасном диапазоне» (PDF) . Icarus . 132 (2): 266–284. Bibcode :1998Icar..132..266B. doi :10.1006/icar.1998.5894.
  22. ^ abcde dePater, Imke; Hammel, Heidi B.; Gibbard, Seran G.; Showalter, Mark R. (2006). "Новые пылевые пояса Урана: одно кольцо, два кольца, красное кольцо, синее кольцо" (PDF) . Science . 312 (5770): 92–94. Bibcode :2006Sci...312...92D. doi :10.1126/science.1125110. OSTI  957162. PMID  16601188. S2CID  32250745. Архивировано из оригинала (PDF) 2019-03-03.
  23. ^ abcdefghi Стоун, EC; Майнер, ED (1986). «Встреча Вояджера-2 с урановой системой». Science . 233 (4759): 39–43. Bibcode :1986Sci...233...39S. doi :10.1126/science.233.4759.39. PMID  17812888. S2CID  32861151.
  24. ^ abcdefghijklmnopq Каркошка, Эрих (2001). «Фотометрическое моделирование кольца Эпсилон Урана и его расстояния между частицами». Icarus . 151 (1): 78–83. Bibcode :2001Icar..151...78K. doi :10.1006/icar.2001.6598.
  25. ^ abc Тайлер, Дж. Л.; Свитнэм, Д. Н.; Андерсон, Дж. Д.; и др. (1986). «Радионаучные наблюдения системы Урана с помощью Вояджера 2: атмосфера, кольца и спутники». Science . 233 (4759): 79–84. Bibcode :1986Sci...233...79T. doi :10.1126/science.233.4759.79. PMID  17812893. S2CID  1374796.
  26. ^ abcdefghij Эспозито, Л. В.; Колвелл, Джошуа Э. (1989). «Создание колец и пылевых полос Урана». Nature . 339 (6226): 605–607. Bibcode :1989Natur.339..605E. doi :10.1038/339605a0. S2CID  4270349.
  27. ^ Хорн, Л. Дж.; Лейн, А. Л.; Янамандра-Фишер, П. А.; Эспозито, Л. В. (1988). «Физические свойства дельта-кольца Урана из возможной волны плотности». Icarus . 76 (3): 485–492. Bibcode :1988Icar...76..485H. doi :10.1016/0019-1035(88)90016-4.
  28. ^ abcd Porco, Carolyn C.; Goldreich, Peter (1987). «Пастух колец Урана I: Кинематика». The Astronomical Journal . 93 : 724–778. Bibcode : 1987AJ.....93..724P. doi : 10.1086/114354.
  29. ^ abcdef Холберг, Дж. Б.; Николсон, ПД; Френч, РГ; Эллиот, Дж. Л. (1987). «Зонды звездного затмения колец Урана на 0,1 и 2,2 мкм: сравнение результатов, полученных с помощью Voyager UVS и наземных исследований». The Astronomical Journal . 94 : 178–188. Bibcode : 1987AJ.....94..178H. doi : 10.1086/114462 .
  30. ^ ab Френч, Ричард Д.; Эллиот, Дж. Л.; Френч, Линда М.; и др. (1988). «Орбиты колец Урана по данным наземных наблюдений и наблюдений затмений с помощью Вояджера». Icarus . 73 (2): 349–478. Bibcode :1988Icar...73..349F. doi :10.1016/0019-1035(88)90104-2.
  31. ^ Гиббард, С.Г.; Де Патер, И.; Хаммель, Х.Б. (2005). «Адаптивная оптика изображений спутников и отдельных колец Урана в ближнем инфракрасном диапазоне». Icarus . 174 (1): 253–262. Bibcode :2005Icar..174..253G. doi :10.1016/j.icarus.2004.09.008.
  32. ^ Чианг, Юджин И.; Калтер, Кристофер Дж. (2003). «Трехмерная динамика узких планетарных колец». The Astrophysical Journal . 599 (1): 675–685. arXiv : astro-ph/0309248 . Bibcode : 2003ApJ...599..675C. doi : 10.1086/379151. S2CID  5103017.
  33. ^ "Любитель находит новые изображения колец Урана в данных 35-летней давности". Sky & Telescope . 2022-10-20 . Получено 07.11.2022 .
  34. ^ abc Dunn, DE; De Pater, I.; Stam, D. (2010). «Моделирование урановых колец на длине волны 2,2 мкм: сравнение с данными Keck AO от июля 2004 г.». Icarus . 208 (2): 927–937. Bibcode :2010Icar..208..927D. doi :10.1016/j.icarus.2010.03.027.
  35. ^ Стивен Баттерсби (2006). «Голубое кольцо Урана связано со сверкающим льдом». NewScientistSpace . Получено 09.06.2007 .
  36. ^ Сандерс, Роберт (2006-04-06). "Голубое кольцо обнаружено вокруг Урана". UC Berkeley News . Получено 2006-10-03 .
  37. ^ Голдрайх, Питер ; Тремейн, Скотт (1979). «К теории урановых колец». Nature . 277 (5692): 97–99. Bibcode : 1979Natur.277...97G. doi : 10.1038/277097a0. S2CID  4232962.

Внешние ссылки