Кольца Нептуна состоят в основном из пяти основных колец . Впервые они были обнаружены (как «дуги») при одновременных наблюдениях затмения звезды 22 июля 1984 года группами Андре Браика и Уильяма Б. Хаббарда в обсерватории Ла Силья (ESO) и в Межамериканской обсерватории Серро Тололо в Чили. [1] В конечном итоге их снимки были сделаны в 1989 году космическим кораблем «Вояджер-2» . [2] В своей максимальной плотности они сравнимы с менее плотными частями главных колец Сатурна, такими как кольцо C и деление Кассини, но большая часть кольцевой системы Нептуна довольно тусклая и пыльная , в некоторых аспектах более напоминающая кольца Юпитера . Кольца Нептуна названы в честь астрономов, которые внесли важный вклад в работу над планетой: [2] Галле , Леверье , Ласселл , Араго и Адамс . [3] [4] У Нептуна также есть слабое безымянное кольцо, совпадающее с орбитой спутника Галатеи . Между кольцами вращаются еще три спутника: Наяда , Таласса и Деспина . [4]
Кольца Нептуна состоят из чрезвычайно темного материала, вероятно, органических соединений, обработанных радиацией , подобных тем, что обнаружены в кольцах Урана . [5] Доля пыли в кольцах (от 20% до 70%) высока, [5] а их оптическая толщина низкая или умеренная, менее 0,1. [6] Уникально то, что кольцо Адамса включает в себя пять различных дуг: Братство, Равенство 1 и 2, Свобода и Мужество. Дуги занимают узкий диапазон орбитальных долгот и удивительно стабильны, изменившись лишь незначительно с момента их первоначального обнаружения в 1980 году. [5] Как стабилизируются дуги, все еще обсуждается. Однако их стабильность, вероятно, связана с резонансным взаимодействием между кольцом Адамса и его внутренней луной-пастухом Галатеей. [7]
Первое упоминание о кольцах вокруг Нептуна относится к 1846 году, когда Уильям Ласселл , первооткрыватель крупнейшего спутника Нептуна, Тритона , подумал, что видел кольцо вокруг планеты. [2] Однако его утверждение так и не было подтверждено, и вполне вероятно, что это был артефакт наблюдения . Первое достоверное обнаружение кольца было сделано в 1968 году благодаря затмению звезд , хотя этот результат оставался незамеченным до 1977 года, когда были открыты кольца Урана . [2] Вскоре после открытия Урана команда из Университета Вилланова во главе с Гарольдом Дж. Рейтземой начала поиск колец вокруг Нептуна. 24 мая 1981 года они обнаружили падение яркости звезды во время одного затмения; однако то, как потускнела звезда, не наводило на мысль о кольце. Позже, после пролета «Вояджера», было обнаружено, что затмение произошло из-за маленькой нептуновой луны Лариссы , что было весьма необычным событием. [2]
В 1980-х годах значительные затмения Нептуна были гораздо реже, чем Урана, который в то время находился недалеко от Млечного Пути и, таким образом, двигался против более плотного поля звезд. Следующее затмение Нептуна, состоявшееся 12 сентября 1983 года, привело к возможному обнаружению кольца. [2] Однако наземные результаты оказались неубедительными. В течение следующих шести лет было замечено около 50 других затмений, и только около трети из них дали положительные результаты. [8] Вокруг Нептуна что-то (вероятно, неполные дуги) определенно существовало, но особенности кольцевой системы оставались загадкой. [2] Космический корабль «Вояджер-2» совершил окончательное открытие колец Нептуна во время пролета мимо Нептуна в 1989 году, пролетев над атмосферой планеты на высоте 4950 км (3080 миль) 25 августа. Оно подтвердило, что случайные события затмения, наблюдавшиеся ранее, действительно были вызваны дугами внутри кольца Адамса (см. ниже). [9] После пролета «Вояджера » предыдущие наблюдения за земным затмением были повторно проанализированы, в результате чего были получены характеристики дуг кольца, какими они были в 1980-х годах, которые почти идеально соответствовали тем, которые были обнаружены « Вояджером-2» . [5]
После пролета « Вояджера-2 » самые яркие кольца (Адамса и Леверье) были получены с помощью космического телескопа «Хаббл» и наземных телескопов благодаря достижениям в разрешении и мощности сбора света. [10] Они видны, немного выше уровня фонового шума , на длинах волн , поглощаемых метаном , при которых блики от Нептуна значительно уменьшаются. Более слабые кольца все еще находятся намного ниже порога видимости для этих инструментов. [11] В 2022 году изображения колец были получены космическим телескопом Джеймса Уэбба , который впервые наблюдал более тусклые кольца после пролета «Вояджера-2 » . [12] [13]
Нептун обладает пятью отдельными кольцами [5] , названными в порядке возрастания расстояния от планеты Галле, Леверье, Ласселлом, Араго и Адамсом. [4] В дополнение к этим четко выраженным кольцам, Нептун может также обладать чрезвычайно слабым слоем материала, простирающимся внутрь от кольца Леверье до кольца Галле и, возможно, дальше по направлению к планете. [5] [7] Три кольца Нептуна узкие, шириной около 100 км или меньше; [6] напротив, кольца Галле и Лассела широкие — их ширина составляет от 2000 до 5000 км. [5] Кольцо Адамса состоит из пяти ярких дуг, заключенных в более слабое непрерывное кольцо. [5] Против часовой стрелки идут дуги: Братство, Равенство 1 и 2, Свобода и Мужество. [7] [14] Первые четыре имени происходят от « свободы, равенства, братства », девиза Французской революции и республики . Терминологию предложили первооткрыватели, обнаружившие их во время звездных затмений в 1984 и 1985 годах. [8] Четыре небольших спутника Нептуна имеют орбиты внутри кольцевой системы: Наяда и Таласса вращаются в промежутке между кольцами Галле и Леверье; Деспина находится прямо за рингом Леверье; а Галатея лежит немного внутри кольца Адамса [4] и заключена в безымянное слабое узкое колечко. [7]
Кольца Нептуна содержат большое количество пыли микрометрового размера : доля пыли по площади поперечного сечения составляет от 20% до 70%. [7] В этом отношении они похожи на кольца Юпитера , в которых доля пыли составляет 50–100%, и сильно отличаются от колец Сатурна и Урана , которые содержат мало пыли (менее 0,1%). [4] [7] Частицы в кольцах Нептуна состоят из темного материала; вероятно, это смесь льда с обработанной радиацией органикой . [4] [5] Кольца имеют красноватый цвет, а их геометрическое (0,05) и альбедо Бонда (0,01–0,02) аналогичны альбедо частиц колец Урана и внутренних спутников Нептуна . [5] Кольца обычно оптически тонкие (прозрачные); их нормальная оптическая толщина не превышает 0,1. [5] В целом кольца Нептуна напоминают кольца Юпитера; обе системы состоят из слабых, узких, пыльных колец и еще более слабых широких пыльных колец. [7]
Кольца Нептуна, как и кольца Урана, считаются относительно молодыми; их возраст, вероятно, значительно меньше возраста Солнечной системы . [5] Кроме того, как и у Урана, кольца Нептуна, вероятно, образовались в результате столкновительной фрагментации некогда внутренних лун. [7] Такие события создают лунные пояса, которые служат источниками пыли для колец. В этом отношении кольца Нептуна похожи на слабые пылевые полосы, наблюдаемые «Вояджером-2» между главными кольцами Урана. [5]
Самое внутреннее кольцо Нептуна называется кольцом Галле в честь Иоганна Готфрида Галле , первого человека, увидевшего Нептун в телескоп (1846 г.). [15] Его ширина составляет около 2000 км, а орбита находится на расстоянии 41 000–43 000 км от планеты. [4] Это слабое кольцо со средней нормальной оптической толщиной около 10 -4 [ а] и эквивалентной глубиной 0,15 км. [б] [5] Доля пыли в этом кольце оценивается от 40% до 70%. [5] [18]
Следующее кольцо названо кольцом Леверье в честь Урбена Леверье , который предсказал положение Нептуна в 1846 году. [19] При радиусе орбиты около 53 200 км, [4] оно узкое, шириной около 113 км. [6] Его нормальная оптическая толщина составляет 0,0062 ± 0,0015, что соответствует эквивалентной глубине 0,7 ± 0,2 км. [6] Содержание пыли в кольце Леверье колеблется от 40% до 70%. [7] [18] Маленькая луна Деспина , которая вращается внутри него на высоте 52 526 км, может играть роль в ограничении кольца, выступая в роли пастыря . [4]
Кольцо Лассела , также известное как плато , является самым широким кольцом в системе Нептуна. [7] Его тезкой является Уильям Ласселл , английский астроном, открывший самый большой спутник Нептуна, Тритон . [20] Это кольцо представляет собой слабый слой материала, занимающий пространство между кольцом Леверье на высоте около 53 200 км и кольцом Араго на высоте 57 200 км. [4] Его средняя нормальная оптическая толщина составляет около 10 -4 , что соответствует эквивалентной глубине 0,4 км. [5] Содержание пыли в кольце находится в пределах от 20% до 40%. [18]
Около внешнего края кольца Лассела, расположенного на расстоянии 57 200 км от Нептуна и шириной менее 100 км, есть небольшой пик яркости, [4] который некоторые планетологи называют кольцом Араго в честь Франсуа Араго , французского математика, физика, астроном и политик. [21] Однако во многих публикациях кольцо Араго вообще не упоминается. [7]
Внешнее кольцо Адамса с радиусом орбиты около 63 930 км [4] является наиболее изученным из колец Нептуна. [4] Он назван в честь Джона Коуча Адамса , который предсказал положение Нептуна независимо от Леверье. [22] Это кольцо узкое, слегка эксцентричное и наклонное, общей шириной около 35 км (15–50 км) [6] и его нормальная оптическая толщина вне дуг составляет около 0,011 ± 0,003, что соответствует эквивалентной глубине. около 0,4 км. [6] Доля пыли в этом кольце составляет от 20% до 40% — ниже, чем в других узких кольцах. [18] Маленькая луна Нептуна Галатея , которая вращается внутри кольца Адамса на высоте 61 953 км, действует как пастух, удерживая частицы кольца внутри узкого диапазона орбитальных радиусов посредством внешнего резонанса Линдблада 42:43 . [14] Гравитационное влияние Галатеи создает 42 радиальных колебания в кольце Адамса с амплитудой около 30 км, которые были использованы для определения массы Галатеи . [14]
Самые яркие части кольца Адамса, кольцевые дуги, были первыми обнаруженными элементами кольцевой системы Нептуна. [2] Дуги представляют собой отдельные области внутри кольца, в которых частицы, входящие в него, таинственным образом сгруппированы вместе. Известно, что кольцо Адамса состоит из пяти коротких дуг, занимающих сравнительно узкий диапазон долгот от 247° до 294°. [c] В 1986 году они располагались между долготами:
Самой яркой и длинной дугой было «Братство»; самым слабым было Мужество. По оценкам, нормальная оптическая толщина дуг лежит в диапазоне 0,03–0,09 [5] (0,034 ± 0,005 для переднего края дуги Либерте, измеренного по звездному покрытию); [6] радиальная ширина примерно такая же, как и у сплошного кольца — около 30 км. [5] Эквивалентные глубины дуг колеблются в пределах 1,25–2,15 км (0,77 ± 0,13 км для переднего края дуги Либерте). [6] Доля пыли в дугах составляет от 40% до 70%. [18] Дуги кольца Адамса чем-то похожи на дуги кольца G Сатурна . [23]
Снимки «Вояджера-2» с самым высоким разрешением показали выраженную комковатость дуг с типичным расстоянием между видимыми комками от 0,1° до 0,2°, что соответствует 100–200 км вдоль кольца. Поскольку сгустки не были разделены, они могут включать или не включать в себя более крупные тела, но определенно связаны с концентрацией микроскопической пыли, о чем свидетельствует их повышенная яркость при контровом освещении Солнцем. [5]
Дуги представляют собой достаточно устойчивые конструкции. Они были обнаружены наземными звездными затмениями в 1980-х годах, «Вояджером-2» в 1989 году, космическим телескопом «Хаббл» и наземными телескопами в 1997–2005 годах и оставались примерно на тех же орбитальных долготах. [5] [11] Однако были замечены некоторые изменения. Общая яркость дуг снизилась с 1986 года. [11] Дуга Куража подскочила вперед на 8° до 294° (вероятно, она перескочила в следующее устойчивое положение резонанса совместного вращения), а дуга Либерте к 2003 году почти исчезла [24] . ] Дуги Fraternité и Egalité (1 и 2) продемонстрировали неравномерные изменения своей относительной яркости. Наблюдаемая их динамика, вероятно, связана с обменом пылью между ними. [11] Мужество, очень слабая дуга, обнаруженная во время пролета «Вояджера», в 1998 году вспыхнула ярче; к июню 2005 года он вернулся к своей обычной тусклости. Наблюдения в видимом свете показывают, что общее количество материала в дугах осталось примерно постоянным, но они тусклее в длинах волн инфракрасного света, где проводились предыдущие наблюдения. [24]
Дуги кольца Адамса остаются необъяснимыми. [4] Их существование является загадкой, поскольку базовая орбитальная динамика предполагает, что они должны распространиться в однородное кольцо в течение нескольких лет. Было предложено несколько теорий об ограничении дуг, наиболее широко разглашенная из которых утверждает, что Галатея ограничивает дуги посредством своего резонанса наклона совместного вращения (CIR) 42:43. [d] [14] Резонанс создает 84 стабильных участка на орбите кольца, каждый длиной 4°, с дугами, расположенными в соседних участках. [14] Однако измерения среднего движения колец с помощью телескопов Хаббла и Кека в 1998 году привели к выводу, что кольца не находятся в CIR с Галатеей. [10] [25]
Более поздняя модель предположила, что удержание является результатом резонанса эксцентриситета совместного вращения (CER). [e] [26] Модель учитывает конечную массу кольца Адамса, необходимую для перемещения резонанса ближе к кольцу. Побочным продуктом этой теории является оценка массы кольца Адамса — около 0,002 массы Галатеи. [26] Третья теория, предложенная в 1986 году, требует наличия дополнительной луны, вращающейся внутри кольца; дуги в этом случае захватываются его устойчивыми лагранжевыми точками . Однако наблюдения «Вояджера-2» наложили строгие ограничения на размер и массу любых неоткрытых спутников, что сделало такую теорию маловероятной. [5] Некоторые другие, более сложные теории утверждают, что ряд лунных спутников находятся в резонансе совместного вращения с Галатеей, обеспечивая удержание дуг и одновременно служа источниками пыли. [27]
Кольца были подробно исследованы во время пролета космического корабля "Вояджер-2" возле Нептуна в августе 1989 года. [5] Они изучались с помощью оптических изображений, а также посредством наблюдений затмений в ультрафиолетовом и видимом свете. [6] Космический зонд наблюдал кольца различной геометрии относительно Солнца, получая изображения обратно-рассеянного , вперед-рассеянного и бокового света. [f] [5] Анализ этих изображений позволил получить фазовую функцию (зависимость отражательной способности кольца от угла между наблюдателем и Солнцем), а также геометрическое альбедо и альбедо Бонда кольцевых частиц. [5] Анализ изображений «Вояджера» также привел к открытию шести внутренних спутников Нептуна , включая кольцо пастуха Адамса Галатею . [5]
*Знак вопроса означает, что параметр неизвестен.