Кольца Урана по сложности занимают промежуточное положение между более обширным кольцом вокруг Сатурна и более простыми системами вокруг Юпитера и Нептуна . Кольца Урана были открыты 10 марта 1977 года Джеймсом Л. Эллиотом , Эдвардом В. Данэмом и Джессикой Минк . Уильям Гершель также сообщил о наблюдении колец в 1789 году; Современные астрономы разделились 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 изображениях, полученных космическим кораблем «Вояджер-2» , а два внешних кольца были обнаружены в 2003–2005 годах на фотографиях космического телескопа Хаббл . В порядке увеличения расстояния от планеты 13 известных колец обозначены 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. Между главными кольцами могут существовать дополнительные слабые пылевые полосы и неполные дуги. Кольца чрезвычайно темные — альбедо связи частиц колец не превышает 2%. Вероятно, они состоят из водяного льда с добавлением какой-то темной органики , обработанной радиацией .
Большинство колец Урана непрозрачны и имеют ширину всего несколько километров. В целом кольцевая система содержит мало пыли; состоит преимущественно 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 слабое кольцо λ также содержит более крупные тела. Относительное отсутствие пыли в системе колец может быть связано с аэродинамическим сопротивлением со стороны протяженной экзосферы Урана .
Кольца Урана считаются относительно молодыми, их возраст не превышает 600 миллионов лет. Кольцевая система Урана, вероятно, возникла в результате столкновительной фрагментации нескольких лун, когда-то существовавших вокруг планеты. После столкновения спутники, вероятно, распались на множество частиц, которые сохранились в виде узких и оптически плотных колец лишь в строго ограниченных зонах максимальной стабильности.
Механизм, ограничивающий узкие кольца, недостаточно изучен. Первоначально предполагалось, что каждое узкое кольцо имеет пару ближайших спутников-пастухов, которые загоняют его в форму. В 1986 году «Вояджер-2» обнаружил только одну такую пастушескую пару ( Корделию и Офелию ) вокруг самого яркого кольца (ε), хотя позже было обнаружено слабое ν, пасущееся между Порцией и Розалиндой . [2]
Первое упоминание о системе колец Урана содержится в записках Уильяма Гершеля, подробно описывающих его наблюдения за Ураном в 18 веке, которые включают следующий отрывок: «22 февраля 1789 года: было подозрение на наличие кольца». [1] Гершель нарисовал небольшую схему кольца и отметил, что оно «немного наклонено к красному». Телескоп Кек на Гавайях с тех пор подтвердил, что это так, по крайней мере, для кольца ν (nu). [3] Заметки Гершеля были опубликованы в журнале Королевского общества в 1797 году. В течение двух столетий 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 во время движения Урана вокруг Солнца и его цвета. [4]
Окончательное открытие колец Урана было сделано астрономами Джеймсом Л. Эллиотом , Эдвардом В. Данэмом и Джессикой Минк 10 марта 1977 года с использованием Воздушной обсерватории Койпера и было случайным . Они планировали использовать затмение звезды SAO 158687 Ураном для изучения атмосферы планеты . Когда их наблюдения были проанализированы, они обнаружили, что звезда ненадолго исчезала из поля зрения пять раз как до, так и после того, как ее затмила планета. Они пришли к выводу, что существовала система узких колец. [5] [6] Пять наблюдаемых ими событий затмения в их статьях были обозначены греческими буквами α, β, γ, δ и ε. [5] С тех пор эти обозначения использовались в качестве названий колец. Позже они обнаружили еще четыре кольца: одно между кольцами β и γ и три внутри кольца α. [7] Первое было названо η-кольцом. Последние получили названия колец 4, 5 и 6 — согласно нумерации событий затмений в одной статье. [8] Кольцевая система Урана была второй обнаруженной в Солнечной системе после Сатурна . [9] В 1982 году, в пятую годовщину открытия колец, Уран вместе с восемью другими планетами, признанными в то время (т.е. включая Плутон ), выровнялся на одной стороне Солнца. [10] [11]
Кольца были непосредственно сфотографированы, когда космический корабль «Вояджер-2» пролетал через систему Урана в 1986 году. [12] Были обнаружены еще два слабых кольца, в результате чего общее количество колец достигло одиннадцати. [12] Космический телескоп Хаббл обнаружил еще одну пару ранее невиданных колец в 2003–2005 годах, в результате чего общее известное число достигло 13. Открытие этих внешних колец удвоило известный радиус кольцевой системы. [13] Хаббл также впервые сделал снимки двух небольших спутников, один из которых, Mab , делит свою орбиту с самым дальним недавно обнаруженным кольцом μ. [14]
Как сейчас известно, кольцевая система Урана состоит из тринадцати отдельных колец. В порядке увеличения удаления от планеты это: 1986U2R/ζ, 6, 5, 4, α, β, η, γ, δ, λ, ε, ν, µ колец. [13] Их можно разделить на три группы: девять узких главных колец (6, 5, 4, α, β, η, γ, δ, ε), [9] два пыльных кольца (1986U2R/ζ, λ) [15 ] и два внешних кольца (ν, µ). [13] [16] Кольца Урана состоят в основном 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] Помимо этих хорошо известных колец, между ними могут существовать многочисленные оптически тонкие пылевые полосы и слабые кольца. [18] Эти слабые кольца и пылевые полосы могут существовать лишь временно или состоять из ряда отдельных дуг, которые иногда обнаруживаются во время затмений . [18] Некоторые из них стали видимыми во время серии событий пересечения плоскостей колец в 2007 году. [19] Ряд пылевых полос между кольцами наблюдался в геометрии прямого рассеяния [a] с помощью «Вояджера-2» . [12] Все кольца Урана демонстрируют азимутальные вариации яркости. [12]
Кольца изготовлены из очень темного материала. Геометрическое альбедо кольцевых частиц не превышает 5–6%, а 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 дальше от оппозиции. [б] Кольца слегка красные в ультрафиолетовой и видимой частях спектра и серые в ближней инфракрасной области . [21] У них нет идентифицируемых спектральных особенностей . Химический состав кольцевых частиц неизвестен. Они не могут быть сделаны из чистого водяного льда, как кольца Сатурна, потому что они слишком темные, темнее, чем внутренние спутники 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 излучением заряженных частиц из магнитосферы Урана . Частицы колец могут состоять из тщательно обработанного материала, который изначально был похож на материал внутренних лун. [21]
В целом система колец Урана не похожа ни на слабые пыльные 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 кольцевой системы; Кольцо F Сатурна и кольцо Урана ε узкие, относительно темные и находятся под присмотром пары спутников. [9] Недавно обнаруженные внешние кольца ν и μ Урана подобны внешним кольцам G и E Сатурна . [22] Узкие локоны, существующие в широких кольцах Сатурна, также напоминают узкие кольца Урана. [9] Кроме того, пылевые полосы, наблюдаемые между главными кольцами Урана, могут быть похожи на кольца Юпитера. [15] Напротив, система колец Нептуна очень похожа на систему колец Урана, хотя она менее сложна, темнее и содержит больше пыли; кольца Нептуна также расположены дальше от планеты. [15]
Кольцо ε — самая яркая и плотная часть кольцевой системы Урана, на него приходится около двух третей света, отражаемого кольцами. [12] [21] Хотя это самое эксцентричное из колец Урана, оно имеет незначительный наклон орбиты . [23] Эксцентриситет кольца приводит к изменению его яркости на протяжении его орбиты. Радиально интегрированная яркость ε-кольца максимальна вблизи апоцентра и минимальна вблизи перицентра . [24] Соотношение 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 затенений между частицами уменьшается, и в поле зрения появляется больше из них, что приводит к более высокой интегрированной яркости. [20] Изменения ширины измерялись непосредственно по изображениям «Вояджера-2» , поскольку кольцо ε было одним из двух колец, разрешенных камерами «Вояджера». [12] Такое поведение указывает на то, что кольцо не является оптически тонким. Действительно, наблюдения затмения, проведенные с земли и космических аппаратов, показали, что его нормальная оптическая толщина [c] варьируется от 0,5 до 2,5, причем [24] [25] она является самой высокой вблизи периапсиса. Эквивалентная глубина [d] кольца ε составляет около 47 км и инвариантна относительно орбиты. [24]
Геометрическая толщина кольца ε точно не известна, хотя кольцо определенно очень тонкое — по некоторым оценкам, его толщина составляет 150 метров. [18] Несмотря на такую бесконечно малую толщину, он состоит из нескольких слоев частиц. Кольцо ε представляет собой достаточно людное место с коэффициентом заполнения вблизи апоапсиса, оцениваемым по разным источникам от 0,008 до 0,06. [24] Средний размер кольцевых частиц составляет 0,2–20,0 мкм, [18] а среднее расстояние примерно в 4,5 раза превышает их радиус. [24] Кольцо почти лишено пыли , возможно, из-за аэродинамического сопротивления расширенной атмосферной короны Урана. [3] Из-за своей толщины, как бритва, кольцо ε невидимо, если смотреть с ребра. Это произошло в 2007 году, когда наблюдалось пересечение кольцевой плоскости. [19]
Космический корабль « Вояджер -2» наблюдал странный сигнал от ε-кольца во время эксперимента по радиозатмению . [25] Сигнал выглядел как сильное усиление рассеяния вперед на длине волны 3,6 см вблизи апоапсиса кольца. Столь сильное рассеяние требует существования когерентной структуры. То, что ε-кольцо действительно имеет такую тонкую структуру, было подтверждено многими наблюдениями затмений. [18] Кольцо ε, по-видимому, состоит из ряда узких и оптически плотных колец, 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 находится в резонансе 14:13 с Офелией. [26] Массы спутников должны быть как минимум в три раза больше массы кольца, чтобы эффективно его удерживать. [9] Масса ε-кольца оценивается примерно в 10 16 кг. [9] [26]
Кольцо δ круглое и слегка наклоненное. [23] Он показывает значительные необъяснимые азимутальные изменения нормальной оптической глубины и ширины. [18] Одним из возможных объяснений является то, что кольцо имеет азимутальную волнообразную структуру, возбуждаемую маленькой луной, находящейся прямо внутри него. [27] Острый внешний край δ-кольца находится в резонансе 23:22 с Корделией. [28] Кольцо δ состоит из двух компонентов: узкого оптически плотного компонента и широкого внутреннего плеча с малой оптической толщиной. [18] Ширина узкого компонента составляет 4,1–6,1 км, а эквивалентная глубина – около 2,2 км, что соответствует нормальной оптической толщине около 0,3–0,6. [24] Широкая часть кольца составляет около 10–12 км в ширину, а ее эквивалентная глубина близка к 0,3 км, что указывает на низкую нормальную оптическую толщину 3 × 10 -2 . [24] [29] Это известно только из данных о затмении, поскольку эксперимент по визуализации «Вояджера-2» не смог различить δ-кольцо. [12] [29] При наблюдении в геометрии прямого рассеяния с помощью «Вояджера-2» кольцо δ выглядело относительно ярким, что совместимо с присутствием пыли в его широкой составляющей. [12] Широкий компонент геометрически толще узкого компонента. Это подтверждается наблюдениями за событием пересечения плоскости кольца в 2007 году, когда δ-кольцо оставалось видимым, что согласуется с поведением одновременно геометрически толстого и оптически тонкого кольца. [19]
Кольцо γ узкое, оптически плотное и слегка эксцентричное. Наклонение ее орбиты практически равно 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 толщина γ-кольца составляет 0,7–0,9. Во время пересечения плоскости кольца в 2007 году кольцо γ исчезло, что означает, что оно геометрически тонкое, как и кольцо ε [18], и лишено пыли. [19] Ширина и нормальная оптическая толщина γ-кольца демонстрируют значительные азимутальные вариации. [18] Механизм удержания такого узкого кольца неизвестен, но было замечено, что острый внутренний край γ-кольца находится в резонансе 6:5 с Офелией. [28] [30]
Кольцо η имеет нулевой эксцентриситет и наклонение орбиты. [23] Как и δ-кольцо, оно состоит из двух компонентов: узкого оптически плотного компонента и широкого внешнего плеча с низкой оптической толщиной. [12] Ширина узкой компоненты составляет 1,9–2,7 км, а эквивалентная глубина – около 0,42 км, что соответствует нормальной оптической толще около 0,16–0,25. [24] Ширина широкой компоненты составляет около 40 км, а ее эквивалентная глубина близка к 0,85 км, что указывает на низкую нормальную оптическую толщину 2 × 10 -2 . [24] Это было обнаружено на изображениях «Вояджера-2» . [12] В пряморассеянном свете кольцо η выглядело ярким, что указывало на наличие в этом кольце значительного количества пыли, вероятно, в широком компоненте. [12] Широкий компонент намного толще (геометрически), чем узкий. Этот вывод подтверждается наблюдениями за событием пересечения плоскости кольца в 2007 году, когда кольцо η продемонстрировало повышенную яркость, став вторым по яркости объектом в кольцевой системе. [19] Это согласуется с поведением геометрически толстого, но в то же время оптически тонкого кольца. [19] Как и большинство других колец, кольцо η демонстрирует значительные азимутальные вариации нормальной оптической толщины и ширины. Узкая составляющая местами даже пропадает. [18]
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 , а самые тусклые и узкие — в 30° от периапсиса . [12] [31] Кольца α и β имеют значительный эксцентриситет орбиты и немаловажный 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 соответствует нормальным оптическим глубинам 0,3–0,7 и 0,2–0,35 соответственно. [24] Во время пересечения плоскости кольца в 2007 году кольца исчезли, что означает, что они геометрически тонкие, как кольцо ε, и лишены пыли. [19] То же событие выявило толстую и оптически тонкую полосу пыли сразу за пределами β-кольца, которую ранее наблюдал «Вояджер-2» . [12] Массы α- и β-колец оцениваются примерно в 5 × 10 15 кг (каждое) — половина массы ε-кольца. [32]
Кольца 6, 5 и 4 — самые внутренние и самые тусклые из узких колец Урана. [17] Это наиболее наклоненные кольца, а их орбитальные эксцентриситеты являются самыми большими, исключая ε-кольцо. [23] Фактически, их наклоны (0,06°, 0,05° и 0,03°) были достаточно велики, чтобы «Вояджер-2» мог наблюдать их высоту над экваториальной плоскостью Урана, которая составляла 24–46 км. [12] Кольца 6, 5 и 4 также являются самыми узкими кольцами Урана: их ширина составляет 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, в результате чего нормальная оптическая толщина составляет 0,18–0,25, 0,18–0,48 и 0,16–0,3. [24] Их не было видно во время пересечения кольцевой плоскости в 2007 году из-за их узости и отсутствия пыли. [19]
Кольцо λ было одним из двух колец, открытых «Вояджером-2» в 1986 году. [23] Это узкое, слабое кольцо, расположенное внутри кольца ε, между ним и спутником-пастухом Корделией . [12] Эта луна очищает темную полосу внутри кольца λ. При наблюдении в обратно рассеянном свете [e] λ-кольцо чрезвычайно узкое — около 1–2 км — и имеет эквивалентную оптическую толщину 0,1–0,2 км на длине волны 2,2 мкм. [3] Нормальная оптическая толщина составляет 0,1–0,2. [12] [29] Оптическая толщина λ-кольца сильно зависит от длины волны, что нетипично для кольцевой системы Урана. Эквивалентная глубина достигает 0,36 км в ультрафиолетовой части спектра, что объясняет, почему кольцо λ первоначально было обнаружено только в УФ-затмениях звезд « Вояджером-2» . [29] Об обнаружении во время затмения звезды на длине волны 2,2 мкм было объявлено только в 1996 году. [3]
Внешний вид кольца λ резко изменился, когда его наблюдали в рассеянном вперед свете в 1986 году. [12] В этой геометрии кольцо стало самой яркой особенностью кольцевой системы Урана, затмив кольцо ε. [15] Это наблюдение, вместе с зависимостью оптической толщины от длины волны, указывает на то, что λ-кольцо содержит значительное количество пыли микрометрового размера. [15] Нормальная оптическая толщина этой пыли составляет 10 –4 –10 –3 . [17] Наблюдения телескопа Кека в 2007 году во время пересечения плоскости кольца подтвердили этот вывод, поскольку кольцо λ стало одной из самых ярких особенностей в кольцевой системе Урана. [19]
Детальный анализ изображений «Вояджера-2» выявил азимутальные вариации яркости λ-кольца. [17] Изменения кажутся периодическими, напоминающими стоячую волну . Происхождение этой тонкой структуры в λ-кольце остается загадкой. [15]
В 1986 году «Вояджер-2» обнаружил широкий и слабый слой материала внутри кольца 6. [12] Этому кольцу было присвоено временное обозначение 1986U2R. Он имел нормальную оптическую толщину 10–3 или меньше и был чрезвычайно тусклым. Считалось, что оно видно только на одном изображении «Вояджера-2» [12] , пока повторный анализ данных «Вояджера» в 2022 году не выявил кольцо на изображениях после встречи. [33] Кольцо располагалось между 37 000 и 39 500 км от центра Урана, или всего лишь примерно в 12 000 км над облаками. [3] Оно не наблюдалось снова до 2003–2004 годов, когда телескоп Кека обнаружил широкий и слабый слой материала прямо внутри кольца 6. Это кольцо было названо ζ-кольцом. [3] Положение восстановленного ζ-кольца существенно отличается от наблюдаемого в 1986 году. Сейчас оно находится между 37 850 и 41 350 км от центра планеты. Имеется внутреннее постепенно затухающее расширение, достигающее как минимум 32 600 км [3] или, возможно, даже до 27 000 км — до атмосферы Урана. Эти расширения называются кольцами ζ c и ζ cc соответственно. [34]
Кольцо ζ снова наблюдалось во время пересечения плоскости кольца в 2007 году, когда оно стало самой яркой особенностью кольцевой системы, затмив все остальные кольца вместе взятые. [19] Эквивалентная оптическая толщина этого кольца составляет около 1 км (0,6 км для внутреннего расширения), в то время как нормальная оптическая толщина снова меньше 10 -3 . [3] Довольно разный внешний вид колец 1986U2R и ζ может быть вызван разной геометрией наблюдения: геометрией обратного рассеяния в 2003–2007 гг. и геометрией бокового рассеяния в 1986 г. [3] [19] Изменения за последние 20 лет в Нельзя исключать распространение пыли, которая, как считается, преобладает на ринге. [19]
Помимо колец 1986U2R/ζ и λ, в системе колец Урана есть и другие чрезвычайно слабые пылевые полосы. [12] Они невидимы во время затмений, поскольку имеют незначительную оптическую толщину, хотя в рассеянном вперед свете они ярки. [15] Изображения рассеянного вперед света, полученные «Вояджером-2», показали 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 кольца в 2007 году в обратно рассеянном свете, но их точное местоположение и относительная яркость отличались от тех, что были во время наблюдений «Вояджера» . [3] [19] Нормальная оптическая толщина пылевых полос составляет около 10 −5 или меньше. Считается, что распределение частиц пыли по размерам подчиняется степенному закону с индексом p = 2,5 ± 0,5. [17]
Помимо отдельных пылевых полос система колец Урана оказывается погруженной в широкий и слабый слой пыли с нормальной оптической толщиной, не превышающей 10 -3 . [34]
В 2003–2005 годах космический телескоп «Хаббл» обнаружил пару ранее неизвестных колец, теперь называемых системой внешних колец, в результате чего число известных колец Урана достигло 13. [13] Эти кольца впоследствии были названы μ (мю) и ν. (ню) кольца. [16] Кольцо μ является самым дальним из пары и находится в два раза дальше от планеты, чем яркое кольцо η. [13] Внешние кольца отличаются от внутренних узких колец во многих отношениях. Они широкие, шириной 17 000 и 3800 км соответственно, и очень слабые. Их пиковые нормальные оптические толщины составляют 8,5×10–6 и 5,4×10–6 соответственно . Полученные эквивалентные оптические глубины составляют 0,14 км и 0,012 км. Кольца имеют треугольные радиальные профили яркости. [13]
Пиковая яркость кольца μ(mu) лежит почти точно на орбите небольшого спутника Урана Маб , который, вероятно, является источником частиц кольца. [13] [14] Кольцо ν (nu) расположено между Порцией и Розалиндой и не содержит внутри себя никаких лун. [13] Повторный анализ изображений рассеянного вперед света, сделанных «Вояджером-2», ясно выявляет кольца μ и ν. В этой геометрии кольца намного ярче, что указывает на то, что они содержат много микрометровой пыли. [13] Внешние кольца Урана могут быть похожи на кольца G и E Сатурна, поскольку кольцо E чрезвычайно широкое и в него попадает пыль с Энцелада . [13] [14]
Кольцо μ может состоять целиком из пыли, вообще без каких-либо крупных частиц. Эту гипотезу подтверждают наблюдения, выполненные телескопом Кека, который не смог обнаружить кольцо μ в ближнем инфракрасном диапазоне на длине волны 2,2 мкм, но обнаружил кольцо ν. [22] Этот сбой означает, что кольцо μ имеет синий цвет, что, в свою очередь, указывает на то, что внутри него преобладает очень мелкая (субмикрометровая) пыль. [22] Пыль может состоять из водяного льда. [35] Напротив, кольцо ν имеет слегка красный цвет. [22] [36]
Выдающейся проблемой физики, управляющей узкими кольцами Урана, является их удержание. Без какого-либо механизма, удерживающего частицы вместе, кольца быстро разошлись бы в радиальном направлении. [9] Срок жизни колец Урана без такого механизма не может составлять более 1 миллиона лет. [9] Наиболее широко цитируемая модель такого удержания, первоначально предложенная Голдрейхом и Тремейном , [37] заключается в том, что пара близлежащих лун, внешний и внутренний «пастухи», гравитационно взаимодействуют с кольцом и действуют как стоки и доноры соответственно для чрезмерный и недостаточный угловой момент (или, что то же самое, энергия). Таким образом, пастухи удерживают частицы кольца на месте, но сами постепенно удаляются от кольца. [9] Чтобы быть эффективным, масса пастухов должна превышать массу кольца как минимум в два-три раза. Известно, что этот механизм работает в случае ε-кольца, где пастухами служат Корделия и Офелия . [28] Корделия также является внешним пастырем кольца δ, а Офелия — внешним пастырем кольца γ. [28] В окрестностях других колец не известно ни одного спутника размером более 10 км. [12] Текущее расстояние Корделии и Офелии от кольца ε можно использовать для оценки возраста кольца. Расчеты показывают, что ε-кольцо не может быть старше 600 миллионов лет. [9] [26]
Поскольку кольца Урана кажутся молодыми, они должны постоянно обновляться за счет столкновительной фрагментации более крупных тел. [9] Оценки показывают, что время жизни спутника такого размера, как у Пака, до коллизионного разрушения составляет несколько миллиардов лет. Срок службы меньшего спутника намного короче. [9] Таким образом, все нынешние внутренние спутники и кольца могут быть продуктами разрушения нескольких спутников размером с Пак за последние четыре с половиной миллиарда лет. [26] Каждое такое разрушение запускало бы каскад столкновений, который быстро измельчал бы почти все крупные тела на гораздо более мелкие частицы, включая пыль. [9] В конечном итоге большая часть массы была потеряна, и частицы выживали только в положениях, которые стабилизировались взаимными резонансами и перемещением. Конечным продуктом такой разрушительной эволюции стала бы система узких колец. В настоящее время несколько лун все еще должны находиться внутри колец. Максимальный размер таких лун, вероятно, составляет около 10 км. [26]
Происхождение пылевых полос менее проблематично. Пыль имеет очень короткий срок жизни, 100–1000 лет, и должна постоянно пополняться за счет столкновений между более крупными кольцевыми частицами, лунами и метеороидами из-за пределов системы Урана. [15] [26] Пояса родительских спутников и частиц сами по себе невидимы из-за их низкой оптической толщины, в то время как пыль проявляется в рассеянном вперед свете. [26] Ожидается, что узкие главные кольца и лунные пояса, которые создают пылевые полосы, будут различаться по распределению частиц по размерам. Основные кольца имеют тела размером от сантиметра до метра. Такое распределение увеличивает площадь поверхности материала в кольцах, что приводит к высокой оптической плотности в обратно рассеянном свете. [26] Напротив, пылевые полосы содержат относительно мало крупных частиц, что приводит к низкой оптической толщине. [26]
Кольца были тщательно исследованы космическим кораблем «Вояджер-2» в январе 1986 года. [23] Были открыты два новых слабых кольца — λ и 1986U2R, в результате чего общее известное на тот момент число достигло одиннадцати. Кольца изучались путем анализа результатов радио-, [25] ультрафиолетового [29] и оптического затмений. [18] «Вояджер-2» наблюдал кольца различной геометрии относительно Солнца, получая изображения с обратным, прямым и боковым рассеянием света. [12] Анализ этих изображений позволил получить полную фазовую функцию, геометрическое альбедо и альбедо Бонда кольцевых частиц. [17] Два кольца — ε и η — были разрешены на изображениях, обнаруживающих сложную тонкую структуру. [12] Анализ изображений «Вояджера» также привел к открытию одиннадцати внутренних спутников Урана , в том числе двух спутников-пастухов кольца ε — Корделии и Офелии. [12]
В этой таблице обобщены свойства планетарной кольцевой системы Урана .