Кольцевая система — это диск или тор, вращающийся вокруг астрономического объекта , состоящего из твердого материала, такого как газ, пыль , метеороиды , планетоиды или луны , а также звездные объекты.
Кольцевые системы наиболее известны как планетарные кольца, обычные компоненты спутниковых систем вокруг гигантских планет , таких как Сатурн , или околопланетных дисков . Но они также могут быть галактическими кольцами и околозвездными дисками , поясами планетоидов, такими как пояс астероидов или пояс Койпера , или кольцами межпланетной пыли , такими как вокруг Солнца на расстояниях Меркурия , Венеры и Земли, в резонансе среднего движения с этими планетами. [1] [2] [3] Данные свидетельствуют о том, что кольцевые системы могут быть также обнаружены вокруг других типов астрономических объектов, включая луны и коричневые карлики .
В Солнечной системе все четыре гигантские планеты ( Юпитер , Сатурн, Уран и Нептун ) имеют кольцевые системы. Кольцевые системы вокруг малых планет также были обнаружены с помощью затмений. Некоторые исследования даже предполагают, что у Земли могла быть кольцевая система в середине-конце ордовикского периода. [4]
Существует три способа, которыми предполагалось, что более толстые планетарные кольца образовались: из материала, происходящего из протопланетного диска , который находился в пределах предела Роша планеты и, таким образом, не мог объединиться для образования лун, из обломков луны , которая была разрушена сильным ударом, или из обломков луны, которая была разрушена приливными напряжениями , когда она проходила в пределах предела Роша планеты. Большинство колец считались нестабильными и рассеивающимися в течение десятков или сотен миллионов лет, но теперь выясняется, что кольца Сатурна могут быть довольно старыми, относящимися к ранним дням Солнечной системы. [5]
Более слабые планетарные кольца могут образовываться в результате столкновений метеоритов с лунами, вращающимися вокруг планеты, или, в случае кольца E Сатурна, в результате выброса криовулканического материала. [6] [7]
Кольцевые системы могут образовываться вокруг кентавров , когда они приливно разрушаются при близком столкновении (в пределах от 0,4 до 0,8 предела Роша ) с гигантской планетой. Для дифференцированного тела , приближающегося к гигантской планете с начальной относительной скоростью 3–6 км/с с начальным периодом вращения 8 часов, предсказывается масса кольца 0,1–10% от массы кентавра. Образование кольца из недифференцированного тела менее вероятно. Кольца будут состоять в основном или полностью из материала из ледяной мантии родительского тела. После формирования кольцо будет распространяться вбок, что приведет к образованию спутников из любой его части, которая распространится за пределы предела Роша кентавра. Спутники также могут образовываться непосредственно из разрушенной ледяной мантии. Этот механизм формирования предсказывает, что примерно 10% кентавров испытают потенциально кольцевые столкновения с гигантскими планетами. [8]
Состав частиц планетарных колец варьируется от силикатов до ледяной пыли. Также могут присутствовать более крупные камни и валуны, а в 2007 году в кольцах Сатурна были обнаружены приливные эффекты от восьми спутников диаметром всего несколько сотен метров. Максимальный размер частицы кольца 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 радиус кольца в кубе. Она также обратно пропорциональна квадрату орбитального периода кольца.
На некоторые планетарные кольца влияют пастушьи луны , небольшие луны , которые вращаются около внутренних или внешних краев колечка или в зазорах в кольцах. Гравитация пастушьих лун служит для поддержания четко определенного края кольца; материал, который дрейфует ближе к орбите пастушьей луны, либо отклоняется обратно в тело кольца, выбрасывается из системы, либо аккрецируется на саму луну.
Также предсказывается, что Фобос , спутник Марса, распадется и сформируется в планетарное кольцо примерно через 50 миллионов лет. Его низкая орбита с орбитальным периодом короче марсианских суток разрушается из-за приливного замедления . [9] [10]
Система колец Юпитера была обнаружена третьей, когда ее впервые наблюдал зонд Voyager 1 в 1979 году [11] и более тщательно наблюдал орбитальный аппарат Galileo в 1990-х годах. [12] Ее четыре основные части — это слабый толстый тор, известный как «гало»; тонкое, относительно яркое главное кольцо; и два широких, слабых «паутинных кольца». [13] Система состоит в основном из пыли. [11] [14]
Кольца Сатурна являются самой обширной системой колец среди всех планет Солнечной системы, и, таким образом, известны уже довольно давно. Галилео Галилей впервые наблюдал их в 1610 году, но они не были точно описаны как диск вокруг Сатурна, пока Христиан Гюйгенс не сделал этого в 1655 году. [15] Кольца не являются серией крошечных колечек, как многие думают, а скорее диском с различной плотностью. [16] Они состоят в основном из водяного льда и следовых количеств камня , а частицы варьируются по размеру от микрометров до метров. [17]
Система колец Урана находится между уровнем сложности обширной системы Сатурна и более простыми системами вокруг Юпитера и Нептуна. Они были открыты в 1977 году Джеймсом Л. Эллиотом , Эдвардом У. Данхэмом и Джессикой Минк . [18] В период между этим и 2005 годами наблюдения Voyager 2 [19] и космического телескопа Hubble [20] привели к выявлению 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 переработанной радиацией органики . Относительное отсутствие пыли обусловлено аэродинамическим сопротивлением со стороны расширенной экзосферы — короны Урана.
Система вокруг Нептуна состоит из пяти основных колец, которые в своей самой плотной части сопоставимы с областями низкой плотности колец Сатурна. Однако они тусклые и пыльные, по структуре гораздо более похожие на кольца Юпитера. Очень темный материал, из которого состоят кольца, вероятно, представляет собой органику, обработанную излучением , как в кольцах Урана. [21] От 20 до 70 процентов колец — это пыль , относительно высокая доля. [21] Намеки на кольца были видны в течение десятилетий до их окончательного открытия Вояджером -2 в 1989 году.
Исследование 2024 года предполагает, что Земля могла иметь кольцевую систему в течение 40 миллионов лет, начиная с середины ордовикского периода (около 466 миллионов лет назад). Эта кольцевая система могла возникнуть из-за большого астероида, который пролетел мимо Земли в это время и имел значительное количество обломков, сорванных гравитационным притяжением Земли, образовав кольцевую систему. Доказательства этого кольца получены из ударных кратеров от ордовикского метеоритного события, которые, по-видимому, группировались в характерную полосу вокруг экватора Земли в то время. Наличие этого кольца могло привести к значительной защите Земли от солнечных лучей и сильному охлаждению, таким образом вызвав гирнантское оледенение , самый холодный известный период за последние 450 миллионов лет. [4]
В отчетах за март 2008 года говорилось, что у спутника Сатурна Реи может быть своя собственная разреженная система колец , что делает его единственным известным спутником, имеющим систему колец. [22] [23] [24] Более позднее исследование, опубликованное в 2010 году, показало, что изображения Реи, полученные космическим аппаратом Кассини, не соответствовали предсказанным свойствам колец, что предполагает, что за магнитные эффекты, которые привели к гипотезе о кольцах, отвечает какой-то другой механизм. [25]
До прибытия New Horizons некоторые астрономы выдвигали гипотезу, что Плутон и Харон могут иметь систему окружных колец, созданную из пыли, выброшенной малыми внешними лунами Плутона при ударах. Пылевое кольцо представляло бы значительный риск для космического корабля New Horizons . [26] Однако эта возможность была исключена, когда New Horizons не удалось обнаружить никаких пылевых колец вокруг Плутона.
10199 Харикло , кентавр , был первой малой планетой, у которой были обнаружены кольца. У него есть два кольца , возможно, из-за столкновения, которое привело к тому, что вокруг него вращалась цепочка обломков. Кольца были обнаружены, когда астрономы наблюдали, как Харикло проходит перед звездой UCAC4 248-108672 3 июня 2013 года из семи мест в Южной Америке. Во время наблюдения они увидели два провала в видимой яркости звезды непосредственно перед и после затмения. Поскольку это событие наблюдалось в нескольких местах, вывод о том, что провал в яркости на самом деле был вызван кольцами, единогласно является ведущей гипотезой. Наблюдения выявили то, что, вероятно, является кольцевой системой шириной 19 километров (12 миль), которая примерно в 1000 раз ближе, чем Луна к Земле. Кроме того, астрономы подозревают, что среди обломков колец может вращаться луна. Если эти кольца являются остатками столкновения, как подозревают астрономы, это дало бы пищу для идеи, что луны (такие как Луна) формируются путем столкновений более мелких частиц материала. Кольца Харикло не получили официального названия, но первооткрыватели назвали их Ойапок и Чуи, в честь двух рек около северного и южного концов Бразилии. [27]
Второй кентавр, 2060 Хирон , имеет постоянно развивающийся диск колец. [28] [29] [30] На основании данных о звездном покрытии, которые изначально интерпретировались как результат струй, связанных с кометоподобной активностью Хирона, предполагается, что кольца324 ± 10 км в радиусе, хотя их эволюция несколько меняет радиус. Их меняющийся внешний вид под разными углами обзора может объяснить долгосрочные изменения яркости Хирона с течением времени. [29] Предполагается, что кольца Хирона поддерживаются орбитальным материалом, выбрасываемым во время сезонных вспышек, поскольку третье частичное кольцо, обнаруженное в 2018 году, стало полным кольцом к 2022 году, со вспышкой между ними в 2021 году. [31]
Кольцо вокруг Хаумеа , карликовой планеты и резонансного члена пояса Койпера , было обнаружено в результате звездного затмения, наблюдавшегося 21 января 2017 года. Это делает его первым транснептуновым объектом , у которого обнаружена кольцевая система. [32] [33] Кольцо имеет радиус около2287 км , ширина ≈70 км и непрозрачностью 0,5. [33] Плоскость кольца совпадает с экватором Хаумеа и орбитой его большего внешнего спутника Хииака [33] (большая полуось которого составляет ≈25 657 км ). Кольцо близко к резонансу 3:1 с вращением Хаумеа, которое расположено на радиусе2285 ± 8 км . [33] Он находится в пределах предела Роша Хаумеа , который будет иметь радиус около4400 км , если бы Хаумеа была сферической (несферичность отодвигает предел дальше). [33]
В 2023 году астрономы объявили об открытии широко разнесенного кольца вокруг карликовой планеты и объекта пояса Койпера Квавара . [34] [35] Дальнейший анализ данных затмения выявил второе внутреннее, более слабое кольцо. [36]
Оба кольца демонстрируют необычные свойства. Внешнее кольцо вращается на расстоянии4057 ± 6 км , примерно в 7,5 раз больше радиуса Квавара и более чем в два раза больше расстояния его предела Роша. Внутреннее кольцо вращается на расстоянии2520 ± 20 км , что примерно в 4,6 раза больше радиуса Квавара, а также находится за пределами его предела Роша. [36] Внешнее кольцо, по-видимому, неоднородно, содержит тонкую, плотную часть, а также более широкую, более диффузную часть. [35]
Поскольку все гигантские планеты 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 стабильны в долгосрочной перспективе. [37] Такие кольцевые системы могут быть обнаружены для планет, наблюдаемых транзитным методом, путем дополнительного уменьшения света центральной звезды, если их непрозрачность достаточна. По состоянию на 2024 год этим методом были обнаружены две кандидатные внесолнечные кольцевые системы, вокруг HIP 41378 f [38] и K2-33b . [39]
Фомальгаут b был обнаружен большим и нечетко определенным, когда был обнаружен в 2008 году. Была выдвинута гипотеза, что это либо из-за облака пыли, притянутого из пылевого диска звезды, либо из-за возможной кольцевой системы, [40] хотя в 2020 году было установлено, что сам Фомальгаут b, скорее всего, является расширяющимся облаком мусора от столкновения астероидов, а не планетой. [41] Аналогичным образом, Проксима Центавра c , как было замечено, была намного ярче, чем ожидалось, из-за своей малой массы в 7 масс Земли, что может быть приписано кольцевой системе около 5 R J . [42]
56-дневная последовательность событий затемнения в звезде V1400 Centauri, наблюдавшаяся в 2007 году, была интерпретирована как субзвездный объект с околозвездным диском или массивными кольцами, проходящими через звезду. [43] Этот субзвездный объект, названный « J1407b », скорее всего, является свободно плавающим коричневым карликом или планетой-изгоем, масса которой в несколько раз превышает массу Юпитера. [44] Радиус околозвездного диска или кольцевой системы J1407b составляет около 0,6 астрономических единиц (90 000 000 км; 56 000 000 миль). [43] Транзит J1407b по V1400 Centauri выявил пробелы и изменения плотности в пределах ее диска или кольцевой системы, что было интерпретировано как намеки на формирование экзолуний или экзопланет вокруг J1407b. [43]