Кольца планет
Ко́льца плане́т, образования, обращающиеся вокруг планеты в её экваториальной плоскости и имеющие вид диска. Кольца расположены на определённом расстоянии от планеты и состоят из совокупности твёрдых частиц небольшого размера, представляющих собой огромное количество мелких спутников планеты размером от пылевых частиц до отдельных глыб. В Солнечной системе кольцами обладают все планеты-гиганты, у планет земной группы колец нет. Наиболее известна система колец Сатурна (впервые наблюдал Г. Галилей в 1610; Х. Гюйгенс в 1655 установил, что это система колец). У Урана и Нептуна кольца открыты лишь в 1970–1980-х гг. при покрытии ими звёзд. У всех планет-гигантов кольца исследовались при пролёте вблизи них космических аппаратов «Вояджер», а у Юпитера и Сатурна также с орбитальных аппаратов «Галилео» и «Кассини-Гюйгенс» соответственно. Кольца планет-гигантов представляют собой захватывающее природное явление и замечательный пример процессов самоорганизации в природе. У всех гигантов, кроме Юпитера, кольца чётко структурированы, и у каждой системы есть свои особенности.
Сатурн. Фото: космический аппарат «Вояджер-2».Кольцо можно приблизительно описать как множество частиц и глыб (большое количество крошечных спутников), находящихся совместно в орбитальном (кеплеровском) движении вокруг планеты и одновременно испытывающих хаотические взаимодействия из-за разности скоростей в зависимости от радиального расстояния. Коллективные процессы и неупругие столкновения между макрочастицами в основном ответственны за упорядоченность в конфигурациях колец, имеющих форму дисков. На упорядоченное поведение частиц колец существенно влияют орбитальные резонансы с большими спутниками планет, находящимися вне кольцевой системы. Это нарушает однородную структуру колец, вызывая формирование внутри них промежутков («щелей»), как это наиболее чётко проявляется в системе колец Сатурна. Вместе с тем некоторые спутники, находящиеся вблизи колец или даже внедрённые в кольцевую структуру, оказывают дополнительное «стимулирующее» влияние через приливное воздействие. Поэтому такие спутники называют «пастухами». С этим механизмом связан ряд особенностей в структуре колец, в частности форма кольца F у Сатурна, и особенно формирование систем очень узких колец у Урана и Нептуна. В кольцах Нептуна наблюдается к тому же эффект переменной плотности частиц вдоль орбиты кольца, вследствие чего оно выглядит состоящим из отдельных дуг («арок»).
Структура колец
Кольца Юпитера
Кольца Юпитера расположены на расстоянии 50 тыс. км от условной границы в атмосфере планеты (с давлением около 1 атм); система колец имеет ширину примерно 200 тыс. км и представляет собой очень разреженное образование, оптическая толщина которого очень мала (~10−6), и его наблюдение затруднено. Структура кольцевой зоны показана на рисунке.
Система колец Юпитера и его ближайших спутников, взаимодействующих с кольцами. Перевод: БРЭ.Кольца состоят в основном из тёмных силикатных частиц микронного размера (менее 10–5 м), придающих всей области оранжеватый цвет. По направлению к Юпитеру и от него эту область продолжает диффузная туманность более или менее однородной структуры. В общей структуре выделяют 4 основных кольца: главное, два паутинных и гало. Наиболее яркое, главное кольцо занимает область между 122 тыс. и 130 тыс. км от центра Юпитера; кольцо-гало простирается между 92 тыс. и 122 тыс. км; паутинные кольца Амальтеи и Фивы (лат. Тhebe) расположены соответственно между 129 тыс. и 182 тыс. км и между 226 тыс. и 280 тыс. км.
Кольца Юпитера и некоторые из его спутников в ближнем инфракрасном диапазоне. 2022. Изображение получено с помощью инструмента NIRCam космического телескопа «Джеймс Уэбб». Подписи: БРЭ.Предполагают, что метеоритная бомбардировка поверхностей этих спутников и находящихся на краю гало Метиды и Адрастеи служит основным источником микрочастиц, которые в конечном счёте заполняют все области кольца Юпитера. Продолжительность существования частиц в кольце, по оценкам, очень короткая, не превышающая нескольких десятков тысяч лет.
Кольца Сатурна
Кольца Сатурна являются наиболее впечатляющими из всех систем колец и обладают значительно более сложной структурой. Это протяжённое (примерно 250 тыс. км шириной), но очень тонкое (менее ~1 км толщиной) образование находится внутри предела Роша. Отношение толщины к диаметру кольца можно сравнить с листом папиросной бумаги большого формата. Плотность и, соответственно, оптическая толщина колец не велика – сквозь них просвечивают звёзды.
Вид Сатурна с кольцами. Фото: космический аппарат «Вояджер-2».Экватор Сатурна, в плоскости которого находятся кольца, наклонён к плоскости эклиптики под углом 27°, что даёт возможность видеть их с Земли во всех фазах: от почти анфас до положения с ребра в процессе годового движения Сатурна по орбите вокруг Солнца. При наиболее благоприятной конфигурации (в периоды солнцестояния на Сатурне) видна вся их ширина – эффект т. н. раскрытия колец. В другом предельном случае (в периоды равноденствия на Сатурне) кольца выглядят как очень тонкая полоска, видимая лишь в крупные телескопы. Это происходит, когда плоскость колец проходит точно через центр Солнца и их поверхность оказывается неосвещённой либо когда кольца обращены к наблюдателю на Земле «ребром». Период обращения Сатурна вокруг Солнца и, соответственно, полный цикл изменения фаз колец составляет около 29,5 лет. В соответствии с законами Кеплера скорость движения частиц во внутренней зоне колец больше, чем во внешней.
Тонкая структура колец Сатурна. Кольца А, В, С, D, F и щели. Фото: космический аппарат «Кассини-Гюйгенс». Подписи и обозначения: БРЭ.В структуре колец Сатурна выделяют 7 основных областей (зон). Три главные концентрические зоны: внешнее кольцо А (122–137 тыс. км, считая от центра планеты), наиболее яркое среднее кольцо В (92–118 тыс. км) и довольно прозрачное «креповое» внутреннее кольцо С (74–92 тыс. км). Кольца А и В можно наблюдать с Земли даже в обычный бинокль. Наиболее близкую к планете внутреннюю область кольца С выделяют как кольцо D (67–74 тыс. км), не имеющее резкой внутренней границы и практически сливающееся с верхней атмосферой планеты. У внешней границы кольца А находится очень узкое кольцо F нерегулярной формы, за которым расположено кольцо G (166–175 тыс. км) и самое внешнее, практически прозрачное кольцо Е (181–483 тыс. км). Если считать от условной границы в атмосфере планеты (с давлением 1 атм), то внешняя граница кольца А находится на расстоянии около 75 тыс. км, а внутренняя граница кольца С – на расстоянии около 20 тыс. км. Таким образом, протяжённость чётко различимых колец Сатурна – около 55 тыс. км, а вся система колец, включая кольца G и Е, занимает область свыше 250 тыс. км. Если же учесть открытое в начале 21 в. трудно наблюдаемое кольцо Фебы, то кольцевая система простирается до 16 млн км.
Кольца Сатурна с тонкой внутренней структурой в виде отдельных колечек (ringlets) и щелями. 13 февраля 2013. Фото: космический аппарат «Кассини-Гюйгенс».Кольца имеют промежутки (деления, или щели), почти не заполненные частицами, что обусловлено главным образом наличием орбитальных резонансов со спутниками. Кольца A и B разделены щелью Кассини шириной около 4700 км и примерно вдвое меньшей по ширине щелью Гюйгенса. В пределах кольца А наиболее характерны щель Энке и щель Килера, а в пределах кольца В – щели Максвелла и Коломбо шириной несколько сотен километров. Выделяют также ряд щелей меньшего размера (щели Гершеля, Рассела, Джефриса, Койпера, Лапласа, Бесселя, Барнарда в кольце А; щели Бонда и Дейвса в кольце В). Из этих областей частицы выметаются приливными силами, и они подобны по своей природе люкам Кирквуда в Главном поясе астероидов. Тот же самый механизм приливных взаимодействий ответственен за генерирование внутри колец волн плотности, а также за формирование их тонкой структуры в виде тысяч тонких спиральных колечек (англ. ringlets). Подобная стратификация внутри главной кольцевой структуры возникает из-за развития гравитационно-диссипативной неустойчивости. Колечки часто сравниваются с дорожками на граммофонной пластинке.
Население колец Сатурна.Тела, входящие в состав колец Сатурна, охватывают большой диапазон размеров, от микронных частиц до глыб поперечником 1–10 м. По данным инфракрасной спектрометрии, они состоят главным образом из водяного льда (около 93 %), углерода (около 7 %) и некоторых силикатов. Внутри кольца D обнаружен метановый лёд. Цвет колец отличается от отражённого солнечного света из-за частичного поглощения и рассеяния веществом частиц. Общая масса материала колец крайне незначительна. Если аккумулировать все частицы в одном теле, то его размер не превысил бы 200 км.
Кольцевые структуры контролируются определёнными спутниками Сатурна. Так, Мимас и щель Кассини находятся в орбитальном резонансе 2 : 1, что придаёт устойчивость данной структуре. Внутри щели Коломбо содержится небольшое кольцо, находящееся в орбитальном резонансе с Титаном. Внутри кольца А находятся спутники Атлас, Дафнис и Пан, а его внутренняя граница испытывает возмущения от Януса. Со спутником Пан связано формирование щели Энке. Спутники-«пастухи» – Прометей и Пандора – тесно взаимодействуют с кольцом F, что служит причиной его сильно нерегулярной и очень тонкой структуры. Помимо упомянутых выше основных колец, выделяют ещё кольцо Януса – Эпиметея за пределами кольца F, образованное частицами, выбитыми при соударениях малых тел с поверхности одноимённых спутников. У внешнего края кольца G находится взаимодействующий с ним спутник Эгеон, создающий неравномерности в распределении частиц, а ещё дальше расположено кольцо Паллены, состоящее из частиц, выбитых с поверхности этого спутника. Ширина каждого их этих колец не превышает 5–7 тыс. км. Источником материала кольца Е служит криовулканизм – водяные гейзеры Энцелада. Пылевое кольцо Фебы образовано за счёт эрозии поверхности этого спутника и расположено вдоль его орбиты, наклонённой под углом 27° относительно всех остальных колец планеты.
Кольца Сатурна со «спицами» на фоне кольца B. Фото: космический аппарат «Кассини-Гюйгенс».
Мелкие частицы различной природы участвуют в образовании пылевой плазмы, находящейся над плоскостью кольца B. Пылевая плазма образует радиальные тёмные полосы (т. н. спицы, англ. dark spokes), контролируемые магнитным полем планеты. Угловая скорость «спиц» (в отличие от кеплеровой скорости частиц колец) совпадает с угловой скоростью собственного вращения Сатурна.
Кольца Урана
У Урана известно 13 колец. Первые 9 колец были открыты с Земли американскими астрономами Дж. Эллиотом, Э. Данемом и Д. Минком в 1977 г. при покрытии этими кольцами звёзд. Два кольца были открыты в 1986 г. при пролёте около Урана космического аппарата «Вояджер-2» и ещё два – в 2003–2005 гг. космическим телескопом «Хаббл». Кольца обозначаются буквами греческого алфавита и несколькими цифрами (что сложилось исторически): 1986U2R/ζ, 6, 5, 4, α, β, η, γ, δ, λ, ε, ν, μ – в порядке увеличения радиального расстояния от центра планеты, так что самое близкое кольцо – 1986U2R/ζ (38 тыс. км), а самое дальнее – кольцо μ (98 тыс. км). Дополнительно могут существовать слабо различимые пылевые скопления в виде кольцевых полос и незамкнутых дуг между основными кольцами. Плоскость колец Урана, как и его экватор, почти перпендикулярна плоскости эклиптики (наклонение 0,77°).
Классификация колец Урана.Кольца Урана очень тёмные и узкие, их ширина не превышает нескольких километров. Большинство колец непрозрачны, и у них очень низкая отражательная способность (альбедо Бонда ~ 0,02). Они состоят из частиц разных размеров – от нескольких миллиметров и десятков сантиметров до значительно более крупных тел порядка нескольких метров. Но есть между ними и определённые различия: так, кольца 1986U2R/ζ, μ и ν более широкие и состоят из мелких частиц пыли, тогда как узкое тусклое кольцо λ содержит в основном большие глыбы. Самое крупное, яркое и плотное из всех колец, ε, обладает наибольшим эксцентриситетом и имеет неравномерную форму и ширину (от ~20 км в перицентре до ~97 км в апоцентре). Соответственно, яркость кольца изменяется почти втрое. Другие кольца значительно у́же, их средняя ширина от ~2 км до ~10 км.
Система колец Урана в ближнем инфракрасном диапазоне. 6 февраля 2023. Изображение получено с помощью инструмента NIRCam космического телескопа «Джеймс Уэбб».Состав колец Урана известен плохо. Вероятно, у разных колец он различен, судя по тому факту, что внутренние и внешние кольца имеют разные цвета. Наиболее вероятно, что кольца состоят в основном из водяного льда вместе с тёмным веществом неизвестной природы, подвергшимся длительному радиационному воздействию, возможно с включениями органических веществ. В зависимости от преобладания частиц различного сорта кольца 6, 5, 4, α, β, η, γ, δ, ε условно относят к ледяным, а кольца λ и ζ – к пылевым. Вообще же относительно небольшое количество пыли в кольцевой системе Урана объясняется аэродинамическим сопротивлением частиц в его протяжённой экзосфере (короне). Два самых внешних кольца, ν и μ, сильно отличаются от внутренних. Они гораздо более широкие (3,8 и 17 тыс. км), очень тусклые и находятся вдвое дальше от планеты, чем яркое кольцо η. Вероятнее всего, они образованы пылевыми частицами микронного и субмикронного размера и имеют определённое сходство с кольцами G и E в кольцевой системе Сатурна. Нельзя исключить, что пылевые частицы содержат в своём составе водяной лёд.
Кольца Урана и его спутники вблизи колец, ответственные за тонкую структуру девяти основных колец. 28 июля 1997. Фото: космический телескоп «Хаббл». Перевод: БРЭ.Система колец Урана служит уникальным примером формирования упорядоченной структуры и самоорганизации за счёт тесного взаимодействия с близкими спутниками планеты. Концентрация частиц и более крупных тел в очень узких кольцах в основном обязана гравитационной фокусировке. Существование системы спутников, расположенных в ближайших окрестностях колец и создающих такую упорядоченность, было вначале предсказано теоретически и в ряде случаев подтверждено данными наблюдений с космического аппарата. Спутники-«пастухи» Корделия и Офелия у кольца ε, обменивающиеся с ним угловым моментом и находящиеся в резонансах с внутренним и внешним краями кольца, обеспечивают его наблюдаемую форму. В орбитальном резонансе с Корделией находится внешний край кольца δ (внутри которого имеется ещё один небольшой спутник, создающий волнообразную азимутальную структуру этого кольца), а в орбитальном резонансе с Офелией находится внутренний край кольца γ. Вместе с тем не у каждого узкого кольца есть пара спутников-«пастухов» или другие очевидные источники гравитационного взаимодействия, и детали механизма удержания колец в их узких границах нуждаются в дополнительных исследованиях.
Кольца Нептуна
У Нептуна имеется 5 колец: внутреннее, относительно слабое и плохо различимое с Земли кольцо Галле шириной около 2 тыс. км, расположенное на среднем расстоянии 42 тыс. км от центра планеты; далее следует кольцо Леверье шириной 113 км на расстоянии 53 тыс. км; к его внешней границе примыкает слабое, широкое (около 4 тыс. км), почти прозрачное кольцо Лассела; за ним находится внутренняя граница кольца Араго (шириной от 35 до 100 км) на среднем расстоянии 57 тыс. км; и, наконец, самое внешнее, также узкое (шириной 35–50 км), кольцо Адамса на расстоянии 63 тыс. км. 
Система колец Нептуна, состоящая из пяти разреженных основных колец. Схематическое представление положения и нерегулярной структуры главного кольца Адамса с дугами, занимающими узкий диапазон орбитальных долгот.Иногда ещё выделяют слабое безымянное кольцо между кольцами Араго и Адамса. Два наиболее ярких кольца названы в честь учёных Дж. К. Адамса и У. Леверье, предсказавших существование Нептуна путём расчёта его орбиты.
Первые сведения о наличии у Нептуна колец были получены астрономами при покрытии планетой звезды в 1984 г., и это открытие было подтверждено при пролёте вблизи Нептуна космического аппарата «Вояджер-2». Самым примечательным является кольцо Адамса, в котором выделяется 5 ярких дуг («арок»). Они были обнаружены одновременно с открытием колец в 1984 г. французским астрономом А. Браиком и названы им Liberté, Egalité 1, Egalité 2, Fraternité и Courage (с франц. Свобода, Равенство 1, Равенство 2, Братство и Храбрость).
Кольца Нептуна образованы тёмными частицами, в состав которых может входить водяной лёд вместе с силикатами и углеродсодержащими соединениями. Есть предположение, что такой состав придаёт кольцам красноватый цвет. Они содержат также сравнительно большое количество пыли. По существующим оценкам, в кольце Лассела содержание пылевых частиц 20–40 %, в кольцах Галле и Леверье 40–70 % и можно ожидать сопоставимые значения в других кольцах.
Система колец Нептуна в ближнем инфракрасном диапазоне. 21 сентября 2022. Изображение получено с помощью инструмента NIRCam космического телескопа «Джеймс Уэбб».Как и в случае Урана, на формирование колец Нептуна сильно влияет гравитационное воздействие его спутников, расположенных близко к кольцам или внедрённых в их структуру. В частности, с влиянием спутников связаны узкая форма основных колец (ширина менее 100 км) и неоднородное распределение частиц в форме отдельных дуг, расположенных на орбите вдоль кольца и медленно дрейфующих в азимутальном направлении. Два спутника – Наяда и Таласса – находятся в промежутке между кольцами Галле и Леверье; внутри кольца Леверье находится спутник Деспина; у внутренней границы кольца Адамса расположен совсем небольшой спутник-«пастух» Галатея размером всего около 6 км. Предполагается, что орбитальный резонанс 42 : 43 между этим спутником и частицами кольца Адамса (орбиты которых имеют такие же эксцентриситет и наклонение) может быть причиной формирования дуг в этом кольце, хотя такой механизм нуждается в подтверждении.
Формирование колец
Образование систем колец вокруг планет-гигантов является ярким отражением и прямым следствием законов механики и напоминает процесс формирования планет, т. е. напрямую связан с космогонией. Вместе с тем проблема происхождения планетных колец полностью ещё не решена и существующие представления основываются на сравнительно немногочисленных данных наблюдений и результатах математического моделирования.
Кольца планет представляют собой сложную открытую систему частиц, находящихся в орбитальном движении и одновременно испытывающих хаотические взаимодействия. В результате в системе возникает эффект самоорганизации, создающий упорядоченность в конфигурациях колец (в первую очередь за счёт возникновения коллективных процессов и наличия в дисковой системе неупругих столкновений макрочастиц). Механизм самоорганизации заложен в самой системе; близкие спутники планеты оказывают на этот процесс дополнительное «стимулирующее» влияние.
Все кольца находятся внутри предела Роша – области, в которой спутник планеты может быть разорван на части приливными силами. Этот эффект препятствует консолидации частиц, находящихся вблизи планеты, и, соответственно, образованию крупных спутников. Современная конфигурация колец обязана своим происхождением влиянию гравитационного притяжения не только планеты, но и её спутников, находящихся в ближайших окрестностях (или даже внутри) структуры колец и называемых по этой причине «пастухами». Частицы колец, сами представляющие собой маленькие спутники, оказываются в орбитальных резонансах с более крупными спутниками планеты (т. е. отношение их периода обращения к периоду обращения спутника выражается простой дробью: ½, ⅔ и т. п.). Это приводит к нарушению однородной структуры колец, в частности к образованию многочисленных щелей внутри колец Сатурна, обусловленных гравитационными (приливными) взаимодействиями. Те же причины вызывают генерацию волн плотности, формирование иерархической структуры колец и их расслоение на тысячи тонких спиральных колечек (англ. ringlets), наблюдаемых в структуре основных колец Сатурна.
Система колец Сатурна с многочисленными щелями и тысячами отдельных колечек. 27 октября 2004. Фото: космический аппарат «Кассини-Гюйгенс».Наличие спутников с очень близкими к кольцам орбитами приводит также к эффекту гравитационной фокусировки и концентрации частиц в тонких кольцах Урана и к образованию сгустков частиц (дуг, или арок), дрейфующих в азимутальном направлении, у колец Нептуна. Механизм образования арок до конца не понят, хотя одним из объяснений служит наличие орбитальных резонансов частиц колец со спутником Нептуна Галатеей, поскольку эксцентриситеты и наклонения орбит частиц и спутника практически одни и те же. Резонансы препятствуют равномерному распределению частиц вдоль орбиты.
Существуют две основные гипотезы происхождения колец планет: 1) образование колец из частиц протопланетного облака (из которых сформировались спутники вне предела Роша); 2) возникновение колец в результате разрушения крупного спутника либо (что более вероятно) вследствие гравитационного захвата планетой астероида или ядра кометы (преимущественно из пояса Койпера) и его последующего распада при дрейфе внутрь предела Роша. Характерным примером такого события служат кольца Юпитера. В пользу второй гипотезы говорит также оценка времени существования колец – около 0,5 млрд лет, что существенно меньше возраста Солнечной системы (около 4,5 млрд лет). В рамках этой гипотезы следует полагать, что кольца планет периодически возникают и исчезают (обновляются) в результате гравитационного захвата планетой малого тела и его последующего разрушения. Другим аргументом, подтверждающим гипотезу распада, могут служить преимущественно ледяные частицы колец Сатурна. Эти частицы обладают высоким альбедо, т. е. не покрыты тёмным микрометеоритным веществом, как это произошло бы с реликтовыми кольцами за время существования Солнечной системы.
Образование колец у планеты в результате разрушения крупного спутника либо малого тела, захваченного планетой.Кольца Урана и Нептуна, вероятно, также сравнительно молодые, их возраст оценивается в 0,5–1 млрд лет. Источником материала колец, как и в случае Сатурна, могли быть разрушение одного или нескольких близких спутников этих планет и последующие столкновения фрагментов с их измельчением вплоть до пыли либо сценарий захвата и разрушения малого тела. Следует при этом допустить, что в виде колец сохранилась относительно небольшая масса вещества на орбитах, стабилизированных резонансами и близкими к ним спутниками, что создало систему из узких колец вместе с более размытыми кольцевыми образованиями или пылевыми полосами в их промежутках.