Кольца Нептуна в основном состоят из пяти основных колец . Они были впервые обнаружены (как «дуги») в ходе одновременных наблюдений звездного покрытия 22 июля 1984 года группами Андре Брахика и Уильяма Б. Хаббарда в обсерватории Ла Силья (ESO) и в Межамериканской обсерватории Серро-Тололо в Чили. [1] В конечном итоге они были получены в 1989 году космическим аппаратом Voyager 2. [2] В своей наибольшей плотности они сопоставимы с менее плотными частями главных колец Сатурна, такими как кольцо C и щель Кассини, но большая часть кольцевой системы Нептуна довольно слабая и пыльная , в некоторых аспектах больше похожая на кольца Юпитера . Кольца Нептуна названы в честь астрономов, которые внесли важный вклад в изучение планеты: [2] Галле , Леверье , Лассел , Араго и Адамс . [3] [4] У Нептуна также есть слабое безымянное кольцо, совпадающее с орбитой луны Галатеи . Три других луны вращаются между кольцами: 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] в то время как их оптическая глубина низкая или умеренная, менее 0,1. [6] Уникально то, что кольцо Адамса включает пять отдельных дуг, названных Fraternité, Égalité 1 и 2, Liberté и Courage. Дуги занимают узкий диапазон орбитальных долгот и удивительно стабильны, изменившись лишь незначительно с момента их первоначального обнаружения в 1980 году. [5] То, как стабилизируются дуги, все еще является предметом споров. Однако их стабильность, вероятно, связана с резонансным взаимодействием между кольцом Адамса и его внутренней пастушьей луной , Галатеей. [7]
Первое упоминание о кольцах вокруг Нептуна относится к 1846 году, когда Уильям Лассел , первооткрыватель крупнейшего спутника Нептуна, Тритона , подумал, что он видел кольцо вокруг планеты. [2] Однако его заявление так и не было подтверждено, и вполне вероятно, что это был наблюдательный артефакт . Первое надежное обнаружение кольца было сделано в 1968 году с помощью звездного покрытия , хотя этот результат оставался незамеченным до 1977 года, когда были обнаружены кольца Урана . [2] Вскоре после открытия Урана группа из Университета Вилланова под руководством Гарольда Дж. Рейтсемы начала поиск колец вокруг Нептуна. 24 мая 1981 года они обнаружили провал в яркости звезды во время одного покрытия; однако способ, которым звезда потускнела, не предполагал кольца. Позже, после пролета «Вояджера», было обнаружено, что затмение было вызвано небольшой луной Нептуна Лариссой , что является весьма необычным событием. [2]
В 1980-х годах значительные покрытия были гораздо более редкими для Нептуна, чем для Урана, который в то время находился вблизи Млечного Пути и, таким образом, двигался на фоне более плотного поля звезд. Следующее покрытие Нептуна 12 сентября 1983 года привело к возможному обнаружению кольца. [2] Однако наземные результаты оказались неубедительными. В течение следующих шести лет было отмечено около 50 других покрытий, и только около трети из них дали положительные результаты. [8] Что-то (вероятно, неполные дуги) определенно существовало вокруг Нептуна, но особенности кольцевой системы оставались загадкой. [2] Космический аппарат Voyager 2 сделал окончательное открытие колец Нептуна во время своего пролета мимо Нептуна в 1989 году, пролетев всего в 4950 км (3080 миль) над атмосферой планеты 25 августа. Это подтвердило, что отдельные явления затмения, наблюдавшиеся ранее, действительно были вызваны дугами внутри кольца Адамса (см. ниже). [9] После пролета Вояджера предыдущие наблюдения затмения на Земле были повторно проанализированы, что дало характеристики дуг кольца, какими они были в 1980-х годах, которые почти идеально совпадали с теми, которые обнаружил Вояджер-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 , в которых блики от Нептуна значительно уменьшаются. Более слабые кольца все еще намного ниже порога видимости для этих инструментов. [11] В 2022 году кольца были получены с помощью космического телескопа Джеймса Уэбба , который сделал первое наблюдение более слабых колец с момента пролета Вояджера-2. [ 12 ] [13]
Нептун обладает пятью различными кольцами [5] , названными в порядке увеличения расстояния от планеты: Галле, Леверье, Лассел, Араго и Адамс. [4] В дополнение к этим четко определенным кольцам, Нептун может также обладать чрезвычайно слабым слоем материала, простирающимся внутрь от кольца Леверье до кольца Галле и, возможно, дальше в сторону планеты. [5] [7] Три из колец Нептуна узкие, шириной около 100 км или меньше; [6] напротив, кольца Галле и Лассел широкие — их ширина составляет от 2000 до 5000 км. [5] Кольцо Адамса состоит из пяти ярких дуг, вложенных в более слабое непрерывное кольцо. [5] Продвигаясь против часовой стрелки, дуги следующие: Fraternité, Égalité 1 и 2, Liberté и Courage. [7] [14] Первые четыре названия происходят от « свободы, равенства, братства », девиза Французской революции и Республики . Терминология была предложена их первооткрывателями, которые нашли их во время звездных покрытий в 1984 и 1985 годах. [8] Четыре малых спутника Нептуна имеют орбиты внутри кольцевой системы: Наяда и Таласса вращаются в промежутке между кольцами Галле и Леверье; Деспина находится прямо внутри кольца Леверье; а Галатея находится немного внутри кольца Адамса, [4] встроенная 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, смеси льда с обработанной радиацией органикой . [4] [5] Кольца имеют красноватый цвет, а их геометрическое (0,05) и альбедо Бонда (0,01–0,02) подобны таковым у частиц колец Урана и внутренних лун Нептуна . [5] Кольца, как правило, 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, пылевых колец и еще более слабых, широких пылевых колец. [7]
Кольца Нептуна, как и кольца Урана, считаются относительно молодыми; их возраст, вероятно, значительно меньше возраста Солнечной системы . [5] Также, как и у Урана, кольца Нептуна, вероятно, возникли в результате столкновительной фрагментации бывших внутренних лун. [7] Такие события создают пояса лунных тел , которые служат источниками пыли для колец. В этом отношении кольца Нептуна похожи на слабые пылевые полосы, наблюдаемые Вояджером-2 между основными кольцами Урана. [5]
Внутреннее кольцо Нептуна называется кольцом Галле в честь Иоганна Готфрида Галле , первого человека, увидевшего Нептун в телескоп (1846). [15] Оно имеет ширину около 2000 км и вращается на расстоянии 41 000–43 000 км от планеты. [4] Это слабое кольцо со средней нормальной оптической глубиной около 10−4 , [ a] и эквивалентной глубиной 0,15 км. [b] [5] Доля пыли в этом кольце оценивается от 40% до 70%. [5] [18]
Следующее кольцо называется кольцом Леверье в честь Урбена Леверье , который предсказал положение Нептуна в 1846 году. [19] С радиусом орбиты около 53 200 км, [4] оно узкое, шириной около 113 км. [6] Его нормальная оптическая глубина составляет 0,0062 ± 0,0015, что соответствует эквивалентной глубине 0,7 ± 0,2 км. [6] Фракция пыли в кольце Леверье колеблется от 40% до 70%. [7] [18] Небольшая луна Деспина , которая вращается прямо внутри него на высоте 52 526 км, может играть роль в ограничении кольца, выступая в качестве пастуха . [4]
Кольцо Лассела , также известное как плато , является самым широким кольцом в системе Нептуна. [7] Его тезка — Уильям Лассел , английский астроном, открывший крупнейший спутник Нептуна, Тритон . [20] Это кольцо представляет собой слабый слой материала, занимающий пространство между кольцом Леверье на расстоянии около 53 200 км и кольцом Араго на расстоянии 57 200 км. [4] Его средняя нормальная оптическая глубина составляет около 10−4 , что соответствует эквивалентной глубине 0,4 км. [5] Фракция пыли в кольце находится в диапазоне от 20% до 40%. [18]
Небольшой пик яркости находится около внешнего края кольца Лассела, расположенного в 57 200 км от Нептуна и шириной менее 100 км, [4] который некоторые планетологи называют кольцом Араго в честь Франсуа Араго , французского математика, физика, астронома и политика. [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] Оно названо в честь Джона Кауча 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] , а его нормальная оптическая глубина составляет около 0,011 ± 0,003 за пределами дуг, 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] Небольшая луна Нептуна Галатея , которая вращается прямо внутри кольца Адамса на расстоянии 61 953 км, действует как пастух, удерживая частицы кольца в узком диапазоне 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 элементами кольцевой системы Нептуна, которые были обнаружены. [2] Дуги представляют собой дискретные области внутри кольца, в которых частицы, которые оно содержит, загадочным образом сгруппированы вместе. Известно, что кольцо Адамса состоит из пяти коротких дуг, которые занимают относительно узкий диапазон долгот от 247° до 294°. [c] В 1986 году они были расположены между долготами:
Самой яркой и длинной дугой была Fraternité; самой слабой была Courage. Нормальная оптическая глубина дуг оценивается в диапазоне 0,03–0,09 [5] (0,034 ± 0,005 для переднего края дуги Liberté, измеренная по звездному покрытию); [6] радиальная ширина примерно такая же, как у непрерывного кольца — около 30 км. [5] Эквивалентная глубина дуг варьируется в диапазоне 1,25–2,15 км (0,77 ± 0,13 км для переднего края дуги Liberté). [6] Доля пыли в дугах составляет от 40% до 70%. [18] Дуги в кольце Адамса несколько похожи на дугу в кольце G Сатурна . [23]
Изображения Voyager 2 с самым высоким разрешением выявили выраженную комковатость в дугах, с типичным разделением между видимыми комками от 0,1° до 0,2°, что соответствует 100–200 км вдоль кольца. Поскольку комки не были разрешены, они могут включать или не включать более крупные тела, но, безусловно, связаны с концентрациями микроскопической пыли, о чем свидетельствует их повышенная яркость при подсветке Солнцем. [5]
Дуги представляют собой довольно стабильные структуры. Они были обнаружены наземными звездными покрытиями в 1980-х годах, Вояджером -2 в 1989 году и 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 уменьшилась с 1986 года. [11] Дуга Мужества переместилась вперед на 8° до 294° (вероятно, она перешла в следующее стабильное положение резонанса совместного вращения), в то время как дуга Свободы почти исчезла к 2003 году. [24] Дуги Фратерните и Эгалите (1 и 2) продемонстрировали нерегулярные изменения в своей относительной яркости. Их наблюдаемая динамика, вероятно, связана с обменом пылью между ними. [11] Кураж, очень слабая дуга, обнаруженная во время пролета Вояджера, вспыхнула в 1998 году; к июню 2005 года она вернулась к своей обычной тусклости. Наблюдения в видимом свете показывают, что общее количество материала в дугах осталось примерно постоянным, но они тусклее в инфракрасном диапазоне длин волн, где проводились предыдущие наблюдения. [24]
Дуги в кольце Адамса остаются необъясненными. [4] Их существование является загадкой, поскольку базовая орбитальная динамика подразумевает, что они должны распространиться в однородное кольцо в течение нескольких лет. Было предложено несколько гипотез об ограничении дуг, наиболее широко разрекламированная из которых гласит, что Галатея ограничивает дуги посредством своего 42:43 совращательного наклонного резонанса (CIR). [d] [14] Резонанс создает 84 устойчивых участка вдоль орбиты кольца, каждый длиной 4°, с дугами, находящимися в соседних участках. [14] Однако измерения среднего движения колец с помощью телескопов Хаббл и Кек в 1998 году привели к выводу, что кольца не находятся в CIR с Галатеей. [10] [25]
Более поздняя модель предположила, что ограничение произошло из-за резонанса эксцентриситета совместного вращения (CER). [e] [26] Модель учитывает конечную массу кольца Адамса, которая необходима для перемещения резонанса ближе к кольцу. Побочным продуктом этой гипотезы является оценка массы кольца Адамса — около 0,002 массы Галатеи. [26] Третья гипотеза, предложенная в 1986 году, требует наличия дополнительной луны, вращающейся внутри кольца; в этом случае дуги оказываются захваченными в его устойчивых точках Лагранжа . Однако наблюдения Вояджера-2 наложили строгие ограничения на размер и массу любых неоткрытых лун, что делает такую гипотезу маловероятной. [5] Некоторые другие более сложные гипотезы утверждают, что ряд лун захвачены в резонансах совместного вращения с Галатеей, обеспечивая ограничение дуг и одновременно служа источниками пыли. [27]
Кольца были подробно исследованы во время пролета космического аппарата «Вояджер-2» мимо Нептуна в августе 1989 года. [5] Они были изучены с помощью оптических изображений и посредством наблюдений затмений в ультрафиолетовом и видимом свете. [6] Космический зонд наблюдал кольца в различных геометриях относительно Солнца, создавая изображения рассеянного назад , вперед и сбоку света. [f] [5] Анализ этих изображений позволил вывести фазовую функцию (зависимость отражательной способности кольца от угла между наблюдателем и Солнцем), а также геометрическое и альбедо Бонда частиц кольца. [5] Анализ изображений «Вояджера» также привел к открытию шести внутренних лун Нептуна , включая пастуха кольца Адамса Галатею . [5]
*Знак вопроса означает, что параметр неизвестен.