400 лет люди изучают кольца Сатурна. Сначала наблюдали их в простейшие, затем в мощные наземные телескопы, а когда стали осваивать дальнее космическое пространство, продолжают исследовать с помощью автоматических межпланетных станций (АМС). И, наконец, легендарный космический телескоп им. Хаббла (КТХ) начиная с 1990 года даёт ученым огромное количество информации о кольцах Сатурна.

В XX в. вблизи Сатурна побывали три американских космических аппарата: «Пионер-11» (октябрь 1979 г.), «Вояджер-1» (ноябрь 1980 г.) и «Вояджер-2» (август 1981 г.). Эти межпланетные станции передали на Землю тысячи фотографий колец Сатурна и его спутников с разрешением до нескольких километров. А просвечивание колец радиосигналами дало возможность изучать их тонкую структуру. "Вояджеры" подтвердили существование четырёх новых колец: D, F, G и E. Расстояния, на которых находились эти АМС, указаны на иллюстрации в конце страницы.

С 1 июля 2004 года глазами людей на орбите Сатурна становится АМС "Кассини". Станция стала первым искусственным спутником Сатурна. "Кассини" ориентировочно должен проработать до августа 2010 года.

Галилео Галилей (1564-1642)

Кольца — концентрические образования различной яркости, как бы вложенные друг в друга, и образующие единую плоскую систему небольшой толщины, располагающуюся в экваториальной плоскости.

Галилео Галилей был первым человеком, наблюдавшим кольца Сатурна в 1610 году с помощью изобретённого им телескопа, однако он не смог идентифицировать их как таковые из-за низкого качества телескопа, и принял видимые по краям планеты части кольца за спутники.

Галилей писал герцогу Тосканскому, что «Сатурн не является одиночным телом, а состоит из трёх тел, которые почти соприкасаются друг с другом и не изменяют положение по отношению друг к другу. Они расположены в линию, параллельную зодиаку, и средний (собственно, сам Сатурн) составляет примерно одну третью от наибольшего (то есть, расстояния между кольцами)».

Он также охарактеризовал Сатурн, как имеющий «уши». В 1612 году плоскость колец была ориентирована ребром к Земле, поэтому они не были видны в телескоп. Озадаченный Галилео интересуется: «Сатурн проглотил своих детей?», подразумевая древнеримский миф, в котором Сатурн ел своих детей, чтобы предотвратить своё свержение.

В 1613 году кольца стали видны снова, что ещё более запутало Галилея.
(Источник: Drapik/Песочница)

Христиан Гюйгенс (1629-1695)

Много исследователей десятилетиями наблюдали и пытались объяснить необычную форму Сатурна, но правильное объяснение "диковинки" планеты и периодических изменений её вида дал в 1659 году Христиан Гюйгенс, наблюдавший с 1655 года Сатурн сначала в 12-футовый, а затем в новый 23-футовый телескоп;

"Опоясан кольцом, тонким, плоским, нигде не прилегающим, к эклиптике наклоненным". Предвидя "недоверие тех, кто считает необычным и неправильным", что он "приписывает небесному телу форму доселе не встречавшуюся, тогда как считается непреложным законом природы, что им подобает сферический вид", Гюйгенс подчеркнул: "я не измыслил это предположение благодаря своей фантазии и воображению, а ясно вижу кольцо собственными глазами".
(источник: "Как открывали тонкую структуру колец Сатурна").

Джованни Кассини показал, что оно состоит из двух концентрических составляющих — колец А и В (он предложил маркировку от внешнего края колец к внутреннему), разделённых тёмным промежутком (так называемым «делением Кассини»).
Много позже (в 1850) американские астрономы Уильям (Вильям) Бонд (William Cranch Bond) (1789-1859) с сыном Джорджем Бондом (George Phillips Bond) (1825-1865) первыми наблюдали и дали имя "креповое" (шероховатое) (Crepe ring) внутреннему слабо светящемуся кольцу С, а в 1969 было обнаружено ещё более слабое и близкое к планете кольцо D. Яркость кольца D не превышает 1/20 яркости самого яркого кольца — кольца В.

См. таблицу расположения колец

Образования, открытые Галилеем, представляли удивительную загадку природы: планета казалась окружённой тремя сплошными концентрическими кольцами, состоящими из вещества неизвестной природы.

Интересно, что факт разделения колец Сатурна на отдельные узкие кольца предсказал ещё в 1755 г. немецкий философ Иммануил Кант, основываясь на своих остроумных теоретических рассуждениях.

Природа колец стала ясной после того, как английский физик Джеймс Клерк Максвелл решил задачу об устойчивости колец Сатурна. Решив её, он выиграл конкурс, объявленный Кембриджским университетом в 1857 году. За эту работу Максвелл в этом же году получил премию Дж. Адамса.

Знаменитый французский математик, физик и астроном Пьер Симон Лаплас — отец небесной механиrи, ранее доказал, что кольца не могут быть твёрдыми. Проведя математический анализ, Максвелл убедился, что они не могут быть и жидкими, и пришёл к заключению, что подобная структура может быть устойчивой только в том случае, если состоит из роя не связанных между собой метеоритов. Устойчивость колец обеспечивается их притяжением к Сатурну и взаимным движением планеты и метеоритов.

Позже русский математик Софья Васильевна Ковалевская в своей работе "Замечания и дополнения к теории кольца Сатурна, данной Лапласом" в 1885 году отличным от максвелловского методом доказала, что устойчивым существование кольца вокруг планеты может быть только в том случае, если оно состоит из совокупности отдельных малых тел: сплошное твёрдое или жидкое кольцо было бы разорвано силой притяжения планеты.
Лаплас в своем труде "Небесная механика", рассматривая кольцо Сатурна как совокупность нескольких тонких, не влияющих одно на другое жидких колец, определил, что поперечное сечение колец имеет форму эллипса. Но это было лишь первое, очень упрощенное решение. Ковалевская задалась целью исследовать вопрос о равновесии кольца с большей точностью. Она установила, что поперечное сечение кольца Сатурна должно иметь форму овала, вычисляемую с любой степенью точности.

Этот теоретический вывод в конце XIX в. был эмпирически подтвержден независимо друг от друга Аристархом Аполлоновичем Белопольским (Россия), Джеймсом Килером (США) и Анри Деландром (Франция), которые сфотографировали спектр отраженного от колец света с помощью щелевого спектрографа и на основе эффекта Доплера–Физо обнаружили, что внешние части кольца вращаются медленнее, чем внутренние. Измеренные скорости оказались равными тем, которые имели бы спутники, если бы они находились на тех же расстояниях от планеты.

Плоскость экватора Сатурна, его колец и спутниковой системы наклонена к плоскости земной орбиты более чем на 26°. Это создаёт благоприятные возможности для наблюдения колец Сатурна. Чтобы понять, как меняются условия видимости колец для землян, можно проделать следующий простой опыт: поставить на стол чайное блюдце, приподняв один его край (например, подложить под него кусочек сахара). Если опустить глаза на уровень стола и обойти вокруг него, то в течение одного обхода блюдце будет видно как с лицевой (вогнутой) стороны, так и со стороны выпуклого дна и дважды — с ребра.

В реальности примерно так всё и происходит. Сатурн почти в десять раз дальше от Солнца, чем Земля, поэтому мы всегда смотрим на него как бы со стороны Солнца. В течение одного орбитального оборота (около 29,5 лет) он дважды обращает к нам то северный, то южный свой полюс. Соответственно и кольца видны то «сверху», то «снизу», и дважды исчезают совсем, когда они обращены к наблюдателю ребром (Солнце и Земля в этот период находятся в плоскости колец). В этот период кольца почти совсем не видны, что свидетельствует об их очень малой толщине.
Очередное равноденствие на Сатурне произошло 12 августа 2009 г.

Происхождение колец у планет-гигантов

Все газовые гиганты — Юпитер, Сатурн, Уран и Нептун — имеют кольца. Эти кольца находятся вблизи своих планет. Орбиты крупных лун не проходят внутри колец.
Если большая луна, состоящая из твердых пород, слишком близко приближается к планете-родительнице, она подвергается растяжению огромными приливными силами. Та сторона луны, которая находится ближе к планете, испытывает более сильное притяжение, чем та, что дальше от планеты. И чем ближе луна к своей планете, тем больше разница в величине гравитационных сил, действующих на ближнюю и дальнюю стороны. Орбита луны может проходить столь близко от планеты, что разница этих сил (то есть приливные силы) окажется достаточно мощной, чтобы расколоть обычную твердую породу. (см. предел Роша)
Таким образом, кольца могут возникать в результате разрыва, раздробления луны на мелкие части гравитационными силами планеты. Не исключено также, что кольца представляют собой материю, оставшуюся со времени образования планеты и её лун.

Долгое время считалось, что к Сатурну приблизился неосторожный спутник и был разорван его приливными силами «в клочки». Но данные «Вояджеров» опровергли это распространенное мнение. Сейчас установлено, что кольца Сатурна (и других планет тоже) представляют собой остатки огромного околопланетного облака протяжённостью во многие миллионы километров.
Из внешних областей этого облака сформировались спутники, а во внутренней образование спутников было «запрещено».

Так как скорости взаимных соударений растут при приближении к планете, возле каждой планеты имеется область, где частицы, достигнув определённых размеров, начинают разваливаться от взаимных столкновений. Миллиарды лет соударений — и 10-метровые частицы дошли до такого рыхлого состояния, что рассыпаются от малейшего толчка на скорости миллиметр в секунду! Любая крупная частица за несколько дней или недель проходит полный цикл от разрушения до восстановления.

Эта взаимная конкуренция, не дающая образоваться крупным спутникам, ослабевает по мере удаления от планеты, и на некотором расстоянии часть вещества превращается в спутники, а часть всё ещё пребывает в раздробленном состоянии — в виде кольца. Кстати, кольца за время своего существования сделали уже триллион оборотов — гораздо больше, чем спутники или планеты по своим орбитам.

Суммарная масса ледяных колец Сатурна сравнима с массой его спутника Мимаса, радиус которого 200 км.
Почему кольца плоские? Их сплющивание — это результат противоборства двух основных сил: гравитационной и центробежной. Гравитационное притяжение стремится сжать систему со всех сторон, а вращение препятствует сжатию поперёк оси вращения, но не может помешать её сплющиванию вдоль оси. Таково происхождение различных космических дисков, включая планетные кольца.

Сами кольца чрезвычайно тонки: около 10-20 м толщиной. По отношению ширины к толщине листок папиросной бумаги гораздо толще планетных колец. Если уменьшить кольца Сатурна до метрового размера, то их толщина составит тысячную долю миллиметра. В кольце В частицы расположены так густо, что, залетев в середину, мы потеряем из виду звёзды.

Впрочем, тьмы здесь нет — кругом светятся отражённым, преломлённым и рассеянным солнечным светом тысячи снежных тел. Есть более прозрачные участки, например кольцо С или деление Кассини; суммарная площадь частиц в них не превышает нескольких процентов от площади поверхности кольца.

Если приподняться над плоскостью колец, то можно увидеть бесконечное снежное поле. Внутри него возвышается гигантское полушарие Сатурна, освещенное Солнцем. Основная часть системы сатурнианских колец имеет ширину 60 тыс. км (на этом поле уместятся сотни таких планет, как Земля).
Но вот равномерная гладкость колец нарушается и они изгибаются волнами высотой в несколько сот метров. Это результат гравитационного влияния спутника. Когда Солнце стоит низко над плоскостью колец, лучи его падают на верхушки этих колоссальных «гор», а «долины» остаются в тени. Подобную картину запечатлели «Вояджеры» во время своего пролёта возле Сатурна. Именно так скользили солнечные лучи по поверхности колец в 1995 г. и в августе 2009 г., когда кольца Сатурна земляне видели с ребра.

В соответствии с законами Кеплера частицы на разных радиусах кольца движутся с различными скоростями: чем ближе к планете, тем быстрее. В наиболее плотном кольце есть область, где частицы обращаются с периодом 10,5 ч, т.е. с той же угловой скоростью, с какой вращается Сатурн. Это значит, что относительно поверхности планеты они остаются неподвижными. Подобным образом «висят» над Землёй геостационарные спутники, ретранслирующие теле- и радиосигналы наземных станций, — их период обращения равен 24 ч.

Просвечивание колец радиосигналами дало возможность изучать их тонкую структуру (см. композитное изображение структуры колец).

Источник данных по номенклатуре колец Gazetteer of Planetary Nomenclature (USGS, IAU). Последнее обновление этого справочника 02 сентября 2009. Расстояния представлены с точностью 1 км.

Английское слово Gap переводится как промежуток, зазор
[между чем-либо], но в русском языке есть более удачное слово для перевода этого термина — Щель.

Первую фотографию Сатурна сделал в 1883 году Коммонс (Commons)

Спицы

«Spoke» («споки»), или «спицы» (поперечные тёмные полосы на кольцах), образуются в результате движения  вещества под действием магнитного поля планеты.

Благодаря этой особенности вращения внутри кольца В наблюдаются «спицы» — вытянутые по радиусу облака мелкой пыли, которые действительно напоминают спицы колеса. Появление их связано с тем, что мелкие снежные пылинки колец получают небольшой электрический заряд под воздействием солнечного ветра. Естественно, они реагируют на магнитное поле Сатурна.

В кольце В эти пылинки обладают относительно линий магнитного поля планеты самой малой скоростью, поэтому они могут образовывать «спицы» внушительных размеров — десятки тысяч километров в длину; иначе из-за кеплеровского движения они должны были бы распадаться.

Двигаясь вокруг Сатурна, КА "Кассини", повернулся к кольцам таким образом, что спицы вокруг кольца B стали яркими. Эти радиальные метки стали появляться более часто во время приближения Сатурна к положению равноденствия в августе 2009 года.

Точка зрения космического аппарата расположена на солнечной стороне, примерно в 31° ниже плоскости колец. Изображение было получено в видимом свете широкоугольной камерой "Кассини" 2 февраля 2009. Снимок был сделан на расстоянии около 578 000 км от Сатурна и угол (фаза) между Солнцем, Сатурном и КА "Кассини" составлял 144°. Масштаб изображения равен 30 км на пиксель.

источник: фотожурнал JPL, NASA

Анимацию появления спиц на кольцах смотрите здесь

Кольца в искусственных цветах

На этом снимке, полученном 17 августа 1981 от КА "Voyager-2" с расстояния 8,9 млн. км., видны изменения в химическом составе колец Сатурна. Такие тонкие изменения цвета, могут быть зарегистрированы и обработаны специальными методами с помощью компьютера. Цвет структур на картинке меняется от чисто оранжевого до ультрафиолетового.

В дополнение к ранее известному синему цвету кольца С и делению Кассини, картинка показывает, что существуют дополнительные цветовые различия между внутренним и внешними областями (кольцо В, где формируются спицы), и между кольцами В и A. (см. маркировку колец ниже)

источник: JPL, NASA

Следующее изображение в искусственных цветах главных колец Сатурна было сделано путем объединения данных от многократных затенений звезды, используя изображения от ультрафиолетового спектрографа Cassini.

Во время затенений ученые наблюдают яркость звезды во время прохождения колец перед звездой. Это позволяет измерить количества кольцевого материала между космическим кораблем и звездой.

"Кассини" предоставил ученым самую детальную картину плотной упаковки кольца B Сатурна. "Кассини" нашел, что эта часть колец плотно упакована сгустками вещества (глыбами), образованными вследствие взаимного притяжения и разделенными почти пустыми промежутками. Эти глыбы в кольце B, хотя постоянно сталкиваются, но аккуратно организованы, что удивило ученых.

Размер таких образовний в кольце B составляет 30-50 метров в поперечнике, и они слишком маленькие, чтобы бы увидеть их непосредственно. Тем не менее, ученые могут могут нанести на карту распределение, форму и ориентацию глыб.

Цвета в этом изображении указывают ориентацию глыб, а яркость указывает на плотность кольцевых частиц. Формирование следов является самым сильным в более синих областях, где частицы в кольцах слипаются и расходятся при стокновениях — это заметно по их наклоненным следам. Частицы в центральных желтых областях слишком плотно упакованы для любого звездного света, чтобы он мог пройти через кольцо.

Ультрафиолетовые изображения получены спектрографом, с помощью которого измерялось мерцание света звезды Альфа Жертвенника (Alpha Arae) через кольца 9 и 10 ноября 2006 года. Эта звезда очень быстро вращается вокруг своей оси.

источники: