Новое исследование показывает, насколько нам повезло быть свидетелями невероятных колец Сатурна

Кольца Сатурна — одна из жемчужин Солнечной системы, но кажется, что их время коротко, а их существование мимолетно.

Новое исследование предполагает, что кольцам от 400 до 100 миллионов лет. – часть возраста Солнечной системы. Это означает, что нам просто повезло, что мы живем в эпоху, когда планета-гигант имеет свои великолепные кольца. Исследования также показывают, что они могут исчезнуть еще через 100 миллионов лет.

Кольца были впервые обнаружены в 1610 году астрономом Галилео Галилеем, который из-за пределов разрешения своего телескопа первоначально описал их как два меньших планеты по обе стороны от главной орбиты Сатурна, по-видимому, в физическом контакте с ним.

В 1659 году голландский астроном Христиан Гюйгенс опубликовал Systema Saturnium, в которой он стал первым, кто описал они представляли собой тонкую плоскую кольцевую систему, которая не касалась планеты.

Он также показал, как их внешний вид, если смотреть с Земли, меняется по мере того, как две планеты вращаются вокруг Солнца, и почему они исчезают в определенные моменты времени. . Это связано с тем, что их геометрия обзора такова, что мы на Земле периодически видим их с ребра.

Кольца видны любому, у кого есть приличный бинокль или скромный садовый телескоп. Белые на фоне бледно-желтого шара Сатурна кольца почти полностью состоят из миллиардов частиц водяного льда, которые сияют, рассеивая солнечный свет.

Страница из System Saturnium, опубликованной в 1659 году. (Библиотека Конгресса США)

Среди этого ледяного материала есть отложения более темных, пыльные вещи. В космической науке «пыль» обычно относится к крошечным зернам каменистого, металлического или богатого углеродом материала, который заметно темнее льда. Их также называют микрометеороидами. Эти крупинки пронизывают Солнечную систему.

Иногда можно увидеть, как они входят в атмосферу Земли ночью в виде падающих звезд. Гравитационные поля планет усиливают или фокусируют это пыльное планетарное «падение».

Со временем это падение увеличивает массу планеты и изменяет ее химический состав. Сатурн — массивная газовая планета-гигант с радиусом около 60 000 километров, что примерно в 9,5 раз больше, чем у Земли, и массой примерно в 95 раз больше, чем у Земли. Это означает, что он имеет очень большой «гравитационный колодец» (гравитационное поле, окружающее тело в космосе), который очень эффективно направляет пылинки к Сатурну.

Курс столкновения

Кольца простираются от примерно 2000 километров над вершинами облаков Сатурна до примерно 80 000 километров, занимая большую площадь космоса. Когда падающая пыль проходит, она может столкнуться с ледяными частицами в кольцах. Со временем пыль постепенно затемняет кольца и увеличивает их массу.

Кассини-Гюйгенс — автоматический космический аппарат, запущенный в 1997 году. Он достиг Сатурна в 2004 году и вышел на орбиту вокруг планеты, где оставался до завершение миссии в 2017 году. Одним из инструментов на борту был анализатор космической пыли (CDA).

Используя данные CDA, авторы новой статьи сравнили текущее количество пыли в космосе вокруг Сатурна с расчетная масса темного пылевидного материала в кольцах. Они обнаружили, что возраст колец не превышает 400 миллионов лет, а их возраст может достигать 100 миллионов лет. Это может показаться длительным временным масштабом, но они составляют менее одной десятой от возраста Солнечной системы в 4,5 миллиарда лет.

Это также означает, что кольца сформировались не в то же время, что и Сатурн. или другие планеты. С космологической точки зрения они являются недавним дополнением к Солнечной системе. На протяжении более 90 процентов существования Сатурна они отсутствовали.

Звезда Смерти

Это приводит к еще одной загадке: как впервые образовались кольца, учитывая, что все основные планеты и луны образовались намного раньше? Общая масса колец оценивается примерно вдвое меньше, чем у одной из меньших ледяных лун Сатурна, многие из которых имеют огромные следы удара на своей поверхности.

В частности, одна из них, маленькая луна Мимас, по прозвищу Звезда Смерти, имеет на своей поверхности ударный кратер шириной 130 километров под названием Гершель.

Это ни в коем случае не самый большой кратер в Солнечной системе. Однако диаметр Мимаса составляет всего около 400 километров, так что этому удару не потребовалось бы гораздо больше энергии, чтобы уничтожить Луну. Мимас состоит из водяного льда, как и кольца, поэтому вполне возможно, что кольца образовались именно в результате такого катастрофического удара.

Кольца дождя

Как бы они ни образовались, будущее колец Сатурна не вызывает сомнений. Столкновение пылинок с ледяными частицами происходит с очень высокой скоростью, что приводит к тому, что крошечные фрагменты льда и пыли откалываются от родительских частиц.

Ультрафиолетовый свет Солнца заставляет эти фрагменты приобретают электрический заряд за счет фотоэлектрического эффекта. Как и у Земли, у Сатурна есть магнитное поле, и после зарядки эти крошечные ледяные фрагменты высвобождаются из системы колец и захватываются магнитным полем планеты.

В согласии с гравитацией планеты-гиганта они затем направляются в атмосферу Сатурна. Этот «кольцевой дождь» впервые наблюдали издалека космические аппараты «Вояджер-1» и «Вояджер-2» во время их коротких облетов Сатурна в начале 1980-х годов.

В более поздней статье 2018 года ученые использовали подсчеты пыли, опять же из CDA, когда Кассини пролетал между кольцами и вершинами облаков Сатурна, чтобы определить, сколько льда и пыли теряется из колец с течением времени. Это исследование показало, что каждые полчаса в атмосферу Сатурна уходит примерно один олимпийский бассейн массы колец.

Эта скорость потока использовалась для оценки того, что, учитывая их текущую массу, кольца вероятно, исчезнет всего через 100 миллионов лет. У этих прекрасных колец бурная история, и если они каким-либо образом не будут восполнены, они будут поглощены Сатурном.

Гарет Дорриан, научный сотрудник в области космических наук Бирмингемского университета

Эта статья переиздана из The Conversation под лицензией Creative Commons. Прочтите исходную статью.