Кольца Сатурна — система плоских концентрических образований изо льда и пыли, располагающаяся в экваториальной плоскости планеты Сатурн . Основные кольца названы латинскими буквами в порядке их открытия. Исследованы несколькими автоматическими межпланетными станциями (АМС), особенно подробно — аппаратом «Кассини» . Фактически имеют сложную структуру, расщепляясь на многочисленные более тонкие колечки, разделённые так называемыми щелями. Вид с Земли сильно зависит от расположения Сатурна на орбите.

История наблюдений и исследований

Первым кольца Сатурна увидел Галилео Галилей : в 1610 году он наблюдал их в свой телескоп с 20-кратным увеличением, но не идентифицировал их как кольца. Он считал, что видит Сатурн «тройным», с двумя придатками неизвестной природы по бокам, и зашифровал это в виде анаграммы smaismrmilmepoetaleumibunenugttauiras . Расшифровывалась она как лат. Altissimum planetam tergeminum obseruaui «Высочайшую планету тройною наблюдал» — расшифровка была опубликована в письме Галилея к 13 ноября 1610 года . В 1612 году кольца были видны с ребра, поэтому они стали незаметны при наблюдении в телескоп, что озадачило Галилея. Позднее они появились вновь .

Христиан Гюйгенс первым предположил, что Сатурн окружён кольцом. Голландский учёный соорудил телескоп-рефрактор с 50-кратным увеличением, намного большим, чем телескоп Галилея, в который тот наблюдал Сатурн. Результаты наблюдения Гюйгенс опубликовал в 1656 году также в виде анаграммы в своём сочинении «De Saturni Luna observatio nova» . Расшифровку анаграммы он дал в 1659 году в сочинении «Systema Saturnium»: лат. Annulo cingitur, tenui, plano, nusquam cohaerente, ad eclipticam inclinato ( Кольцом окружён тонким, плоским, нигде не прикасающимся, к эклиптике наклонённым ).

В 1675 году Джованни Доменико Кассини определил, что кольцо Сатурна состоит из двух частей, разделённых тёмным промежутком, который позднее был назван делением (или щелью) Кассини . В XIX веке В. Я. Струве предложил назвать внешнюю часть кольцом A, а внутреннюю — кольцом B .

В 1837 году Иоганн Франц Энке заметил промежуток в кольце A, который назвали делением Энке . Через год Иоганн Готтфрид Галле обнаружил кольцо внутри кольца B , однако его открытие не было принято всерьёз и получило признание лишь после переоткрытия этого кольца в 1850 году У. К. Бондом , Д. Ф. Бондом и У. Р. Дейвсом ; его стали называть кольцом C, или креповым кольцом .

В своё время Лаплас предположил, что кольца Сатурна состоят из большого числа меньших цельных колечек . В 1859 году Джеймс Клерк Максвелл показал, что Лаплас был не совсем прав: кольца не могут быть цельными твёрдыми образованиями, ибо тогда они оказались бы нестабильными и были бы разорваны на части. Он предположил, что кольца состоят из множества мелких частиц . В своей единственной астрономической работе, опубликованной в 1885 году, Софья Ковалевская показала, что кольца не могут быть ни жидкими, ни газообразными . Предположение Максвелла было доказано в 1895 году благодаря спектроскопическим наблюдениям колец, выполненными Аристархом Белопольским в Пулково и Джеймсом Эдуардом Килером в обсерватории Аллегейни .

В XX веке были обнаружены свидетельства возможного существования кольца D (Пьер Герен, 1967). Также в 1967 году Уолтер Фейбельман на фотографиях, сделанных в обсерватории Аллегейни годом раньше, обнаружил кольцо E. В 1977 году Стивен Джеймс О'Меара первый описал тёмные радиальные образования («спицы») в кольце B .

С начала космической эры (середина XX века) в районе колец Сатурна пролетало четыре АМС . Так, в 1979 году АМС « Пионер-11 » приблизилась к облачному покрову Сатурна на расстояние 20 900 км . По данным, переданным «Пионером-11», было подтверждено существование кольца E , открыто кольцо F . Была измерена температура колец: −203 °C на Солнце и −210 °C в тени Сатурна . В 1980 году АМС « Вояджер-1 » приблизилась к облачному покрову Сатурна на расстояние 64 200 км . По снимкам «Вояджера-1» было установлено, что кольца Сатурна состоят из сотен узеньких колечек . С внешней и внутренней стороны кольца F открыты два спутника-«пастуха», позднее названные Прометей и Пандора ) . Открыто кольцо G . В 1981 году АМС «Вояджер-2» приблизилась к Сатурну на расстояние 161 000 км от его центра . С помощью , который не сработал на «Вояджере-1», АМС «Вояджер-2» была способна наблюдать кольца с намного бо́льшим разрешением и открыть много новых колечек . Данные аппаратов «Вояджер» позволили подтвердить существование «спиц» в кольце B, кольца D и трёх делений в нём (получивших временные обозначения D 68, D 72 и D 73). Также было открыто «плетение» в кольце F .

Затем в 2004 году АМС « Кассини » приблизилась к облачному покрову Сатурна на расстояние в 18 000 км и стала искусственным спутником Сатурна . Снимки «Кассини» являются пока самыми детальными из всех полученных, по ним открыты новые колечки . Так, в 2006 году они были обнаружены на орбитах спутников Паллены (R/2006 S 2) и Януса и Эпиметея . В числе открытий «Кассини» — обнаружение тусклых маленьких колец, получивших обозначения R/2004 S 1 и R/2004 S 2, открытие щели Коломбо в середине кольца C и маленького колечка внутри него, находящегося в орбитальном резонансе с Титаном, колечек в делении Кассини (R/2006 S 3, R/2006 S 4) .

В 2007 решением Международного астрономического союза была утверждена номенклатура, проводящая различие между делениями и щелями в кольцах: деления находятся между кольцами с собственными обозначениями, щели — внутри таких колец .

Лишь относительно недавно, в 2009 году, с помощью инфракрасного космического телескопа « Спитцер » было открыто самое большое кольцо — кольцо Фебы — диаметром более 10 миллионов километров .

Также учёные предполагали наличие системы колец у спутника Сатурна Реи , но эта догадка не подтвердилась .

Происхождение колец

Существует 2 основные гипотезы:

• Кольца сформировались из остатков околопланетного облака вещества, которые из-за непостоянства притяжения Сатурна не смогли, как у других планет, стать полноценным спутником. В спутники превратились лишь внешние области этого облака, тогда как частицы из внутренних, вращаясь слишком быстро и беспорядочно, претерпевали чрезмерно сильные соударения, постепенно измельчаясь и становясь всё более рыхлыми .
• Кольца появились в результате разрушения крупного спутника из-за столкновения с метеоритом, крупной кометой или астероидом. Разрушение могло произойти и из-за гравитационного влияния самого Сатурна , когда орбита спутника оказывалась ниже предела Роша .

Так, согласно одной из моделей, предложенной американкой Робин Кэнап , причиной образования колец стали несколько последовательных поглощений Сатурном его спутников. Практически все из нескольких крупных (в полтора раза больше Луны) сформировавшихся на заре Солнечной системы спутников постепенно из-за гравитационного воздействия падали в недра Сатурна. В процессе схода со своих орбит по спиральной траектории они разрушались. При этом лёгкая ледяная составляющая оставалась в космосе, тогда как тяжёлые минеральные компоненты поглощались планетой. Впоследствии лёд захватывался гравитацией следующего спутника Сатурна, и цикл повторялся. Когда произошёл захват Сатурном последнего из своих изначальных спутников, ставшего гигантским ледяным шаром с твёрдым минеральным ядром, вокруг планеты образовалось «облако» изо льда, фрагменты которого имели от 1 до 50 километров в диаметре и сформировали первичное кольцо Сатурна. По массе оно превышало современную систему колец в 1000 раз, однако в течение последующих 4,5 миллиарда лет соударения образующих его ледяных глыб привели к измельчению льда до размеров градин. При этом большая часть вещества была поглощена планетой, а также утрачена при взаимодействии с астероидами и кометами, многие из которых также были разрушены гравитацией Сатурна .

По другой теории, согласно расчётам группы японских и французских учёных, кольца сформировались при разрушении крупных небесных тел из пояса Койпера , сближение с которыми часто имело место во время Поздней тяжёлой бомбардировки 4 млрд лет назад .

Свойства и структура

Плоскость обращения системы колец совпадает с плоскостью экватора Сатурна , то есть наклонена относительно плоскости орбиты вокруг Солнца на 26,7°. Кольца представляют собой кеплеровский диск, то есть их частицы совершают дифференциальное вращение , из-за чего постоянно сталкиваются между собой. Эти столкновения становятся источником тепловой энергии и являются причиной расщепления на более тонкие колечки. Помимо данного фактора, несимметричность гравитации Сатурна, его магнитное поле и взаимодействие с его спутниками также вызывают колебания орбит частиц, составляющих кольца, их отклонения от круговой формы и прецессию .

Кольца состоят из водяного льда с примесями силикатной пыли и органических соединений. Доля и состав примесей определяют различия в цвете и яркости колец . Размер частиц материала в них — от сантиметров до десятков метров; бо́льшую часть массы составляют частицы размером порядка метра . В некоторых частях колец мелкие частицы состоят из снега . Толщина колец чрезвычайно мала по сравнению с их шириной (в основном от 5 до 30 м), при этом собственно вещество занимает всего порядка 3 % объёма (всё остальное — пустое пространство) . Общая масса обломочного материала в системе колец оценивается в 3×10 ¹⁹ килограммов .

Основные элементы структуры колец Сатурна

Название	Расстояние до центра Сатурна, км	Ширина, км	Толщина, м	Особенности
Кольцо D	67 000—74 500	7500		Не имеет резкой внутренней границы, она плавно переходит в верхние слои атмосферы Сатурна ; содержит мелкие кристаллики из водяного и метанового льда .
Кольцо C	74 500—92 000	17 500	5	Называется также внутренним, состоит из частиц размером до 2 м , в нём сосредоточено около 1/3000 всей массы осколочного материала колец .
Щель Коломбо	77 800	около 150		Содержит внутри небольшое кольцо, находящееся в орбитальном резонансе с Титаном .
Щель Максвелла	87 490	270
Щель Бонда	88 690—88 720	30
Щель Дейвса	90 200—90 220	20
Кольцо B	92 000—117 580	25 500	5—10	Наиболее яркое из всех колец ; содержит внутри себя спутник S/2009 S 1 ; отличительные особенности: вертикальные образования на внешней кромке высотой более 2,5 километра , а также возмущения, вызываемые взаимодействием со спутником Мимасом ; радиальные детали (так называемые «спицы», англ. spokes ), природа которых пока точно не ясна .
Деление Кассини	117 580—122 170	~4500	20	Содержит внутри себя материал, напоминающий собой по цвету и оптической толщине материал кольца C (частицы размером в среднем 8 м ), а также «настоящие» щели ; находится в орбитальном резонансе 2:1 с Мимасом .
Щель Гюйгенса	117 680	300
Щель Гершеля	118 183—118 285	102
Щель Рассела	118 597—118 630	33
Щель Джефриса	118 931—118 969	38
Щель Койпера	119 403—119 406	3
Щель Лапласа	119 848—120 086	238
Щель Бесселя	120 236—120 246	10
Щель Барнарда	120 305—120 318	13
Кольцо A	122 170—136 775	14 600	10—30	Называется также внешним, состоит из частиц размером до 10 м , считается одним из самых молодых, содержит внутри себя спутники Пан , Дафнис , Атлас и крупные щели ; на внутренней границе присутствуют возмущения, вызванные взаимодействием со спутником Янусом .
Щель Энке	133 590	325		Совпадает с орбитой спутника Пана . Изначально называлось «Деление Энке», было охарактеризовано как щель в 2008 году .
Щель Килера	136 530	32—47
Деление Роша	136 800—139 380	2580		Первоначально называлось «Деление Пионера», в 2007 году переименовано по предложению команды обработки изображения аппарата «Кассини» .
R/2004 S1	137 630	300
R/2004 S2	138 900	300
Кольцо F	~140 130—140 180	30—500		Гравитационно удерживается лунами-«пастухами» Прометеем и Пандорой ; орбита слегка вытянута: e = 0,0026
Кольцо Януса — Эпиметея (R/2006 S 1)	~151 500	5000		Состоит из частиц, выбитых с поверхности спутников Януса и Эпиметея столкновениями с различными телами
Кольцо G	166 000—175 000	~9000		Вблизи внешнего края располагается спутник Эгеон , собравший вокруг себя небольшую плотную арку из материала кольца, простирающуюся на 1/6 окружности .
Кольцо Паллены (R/2006 S 2)	~212 000	2500		Состоит из частиц, выбитых с поверхности спутника Паллены столкновениями с различными телами .
Кольцо E	181 000—483 000	300 000		Основным источником материала служат гейзеры Энцелада
Кольцо Фебы	~ &&&&&&&&06000000.&&&&&0 6 000 000– &&&&&&&016300000.&&&&&0 16 300 000	~ &&&&&&&&06000000.&&&&&0 6 000 000		Состоит в основном из небольших частиц диаметром до 10 см, источником материала является пыль, сдуваемая с Фебы , поэтому, как и её орбита, наклонено на 27° по отношению к другим кольцам .

Наблюдения колец с Земли

Поскольку плоскость колец совпадает с плоскостью экватора Сатурна, а он, в свою очередь, сильно наклонён к плоскости орбиты Сатурна — почти на 27 градусов, вид колец с Земли сильно зависит от расположения Сатурна на орбите вокруг Солнца и в значительно меньшей степени — от положения Земли на своей орбите (из-за того, что орбита Сатурна наклонена к плоскости эклиптики на 2,5 градуса). Год на Сатурне длится 29,5 земных лет, на протяжении этого периода:

• примерно в равноденствие на Сатурне его кольца при наблюдении с Земли исчезают совсем — они становятся видны «с ребра», затем примерно 7 лет раскрытие колец увеличивается, и становится всё больше видна их плоскость с одной стороны;
• вблизи солнцестояния на Сатурне раскрытие его колец достигает максимума, и следующие 7 лет раскрытие колец Сатурна уменьшается;
• вблизи следующего равноденствия на Сатурне его кольца исчезают, после чего раскрытие колец примерно 7 лет увеличивается, становится всё больше видна вторая сторона плоскости колец;
• вблизи следующего солнцестояния на Сатурне раскрытие колец достигает максимума, потом примерно 7 лет уменьшается, и кольца исчезают.

В каждый следующий год на Сатурне для земных наблюдателей с его кольцами происходит то же самое. На 2022 год последние максимальные раскрытия были в 1988, 2002 и 2016 гг., исчезновения — в 1995 и 2009 гг. Каждые 14 лет раскрытие колец увеличивается, виден северный полюс Сатурна и обращённая к нему сторона его колец .

Примечания

Литература

• Силкин Б. И. В мире множества лун. — М. : Наука , 1982. — 208 с. — 150 000 экз.
• С. А. Язев. Глава 12. Планета Сатурн // Астрономия. Солнечная система : учеб. пособие для вузов / под науч. ред. В. Г. Сурдина. — 3. — М. : Юрайт, 2018. — 336 с. — (Специалист). — ISBN 978-5-334-08244-9 .

Ссылки

• // Газета.Ru , 13.12.2010.
• Константин Холшевников. (неопр.) // Galspace.spb.ru. Дата обращения: 29 декабря 2010.
• // 7 октября 2009 / /
• // Популярная механика , 18 декабря 2018.