Interested Article - Кольца Урана

amity
  • 2021-06-22
  • 1

Схема колец и орбит спутников Урана
Уран и его кольца, снимок JWST (февраль 2023)
Уран и его кольца вместе с 9 из 27 спутников планеты, самый чёткий в истории снимок колец Урана, снимок JWST (декабрь 2023)

Ко́льца Ура́на — система колец , окружающих планету Уран . Она занимает промежуточное по сложности положение между более развитой системой колец Сатурна и простыми системами колец Юпитера и Нептуна . Первые девять колец Урана были открыты 10 марта 1977 года Джеймсом Эллиотом , Эдвардом Данхэмом и Дугласом Минком . После этого были открыты ещё четыре: два — « Вояджером-2 » в 1986 году , ещё два — телескопом «Хаббл» в 2003—2005 годах.

За 200 лет до этого Уильям Гершель сообщал о наблюдениях колец у Урана, однако современные астрономы сомневаются в возможности такого открытия, так как эти кольца очень слабые и тусклые и не могли быть обнаружены с помощью астрономического оборудования того времени.

По состоянию на 2008 год известно 13 колец. В порядке увеличения расстояния от планеты они расположены так: 1986U2R/ ζ , 6, 5, 4, α , β , η , γ , δ , λ , ε , ν и μ . Минимальный радиус имеет кольцо 1986U2R/ζ (38 000 км ), максимальный — кольцо μ (приблизительно 98 000 км ). Между основными кольцами могут находиться слабые пылевые кольцевые скопления и незамкнутые дуги. Кольца чрезвычайно тёмные, альбедо Бонда для входящих в них частиц не превышает 2 %. Вероятно, они состоят из водяного льда с включениями органики .

Большинство колец Урана непрозрачны. Их ширина не больше нескольких километров. Кольцевая система содержит в целом немного пыли, она состоит в основном из крупных объектов диаметром от 20 сантиметров до 20 метров. Однако некоторые кольца оптически тонкие: широкое тусклое 1986U2R/ζ, μ и ν состоят из мелких частиц пыли, тогда как узкое тусклое λ содержит крупные тела. Относительно небольшое количество пыли в кольцевой системе объясняется аэродинамическим сопротивлением протяжённой экзосферы — короны Урана .

Считается, что кольца Урана относительно молоды, их возраст не превышает 600 миллионов лет. Кольцевая система Урана, вероятно, образовалась от столкновений спутников, ранее обращавшихся вокруг планеты. В результате столкновений спутники разбивались на всё более мелкие частицы, которые теперь образуют кольца в строго ограниченных зонах максимальной гравитационной стабильности.

До сих пор не ясен механизм, удерживающий узкие кольца в их границах. Первоначально считалось, что у каждого узкого кольца есть пара «спутников-пастухов», которые и поддерживают его форму, но в 1986 году Вояджер-2 обнаружил только одну пару таких спутников ( Корделию и Офелию ) вокруг самого яркого кольца — ε.

История наблюдений

В работах первооткрывателя Урана, Уильяма Гершеля, первое упоминание о кольцах встречается в записи от 22 февраля 1789 года . В примечаниях к наблюдениям он отметил, что предполагает наличие колец у Урана . 4 марта 1787 года он отметил, что наблюдал большое кольцо R и малое r с использованием 20-футового рефлектора и указал, что «немного кажутся похожими на имеющие красный цвет». Он описал звёздную величину и яркость колец и заключил, что их временная невидимость оставляет желать лучших инструментов. Записи Гершеля попали в журнал Королевского общества в 1797 году . Однако впоследствии на протяжении почти двух столетий — с 1797 по 1979 год — кольца в научной литературе не упоминаются вовсе, что даёт основание подозревать ошибку учёного . Тем не менее, достаточно точные описания увиденного Гершелем не дают повода просто так сбрасывать со счетов его наблюдения . В частности, красный цвет для предпоследнего кольца в 2006 году был подтвержден наблюдениями обсерватории Кека . Коррелируют с последующими наблюдениями и записи Гершеля о размере, яркости колец и их временной невидимости .

Анимация о покрытии (нажмите на картинку)

Наличие кольцевой системы у Урана было подтверждено лишь 10 марта 1977 года американскими учёными Джеймсом Эллиотом , Эдвардом Данхэмом ( англ. Edward W. Dunham ) и ( англ. ), использовавшими воздушную обсерваторию Койпера . Открытие было сделано случайно — группа учёных планировала провести наблюдения атмосферы Урана при покрытии им звезды SAO 158687 . Однако, анализируя наблюдательные данные, они обнаружили уменьшение блеска звезды ещё до её покрытия Ураном, причём произошло это несколько раз подряд. В результате было открыто 9 колец Урана . После этого, покрытия Ураном различных звёзд неоднократно наблюдались с Земли, что позволило получить довольно много данных о физических свойствах колец .

Когда в окрестности Урана прибыл космический аппарат « Вояджер-2 », при помощи бортовой оптики было открыто ещё 2 кольца, и общее число известных колец возросло до 11. Обнаруженным объектам присвоили временные обозначения 1986 U 1R и 1986 U 2R. Это были одни из самых тёмных из когда-либо наблюдавшихся объектов. Существование кольца 1986 U 1R было подтверждено наземными наблюдениями покрытий звёзд, что позволило более точно определить его свойства: оно находится между кольцами δ и ε, очень близко к орбите Корделии . Ему было присвоено обозначение λ. Существование второго кольца долгое время оставалось неподтверждённым .

В декабре 2005 года космический телескоп «Хаббл» зарегистрировал ещё 2 ранее неизвестных кольца, существование которых было подтверждено при помощи анализа обработанных фотографий «Вояджера». Они удалены от планеты на расстояние в два раза большее, чем ранее открытые кольца. Первоначально им были присвоены временные обозначения R/2003 U1 и R/2003 U2, а в октябре 2006 года постоянные — μ и ν. Помимо колец, «Хаббл» помог открыть два ранее неизвестных небольших спутника, один из которых ( Маб ) имеет ту же орбиту, что и самое внешнее кольцо. и Джек Лиссауэр , ставшие первооткрывателями этих колец и спутников, назвали их «второй системой колец и спутников Урана» . Последние два кольца доводят количество известных колец Урана до 13 .

В апреле 2006 года изображения новых колец, полученные обсерваторией Кека на Гавайских островах , позволили различить их цвет. Одно из них было красным, а другое (самое внешнее) — синим . Фотоны с длиной волны, соответствующей синему цвету, рассеиваются и отражаются в основном очень мелкими частицами, имеющими размеры меньше 1/10 микрона . Предполагают, что синий цвет внешнего кольца обусловлен тем, что оно содержит, кроме пыли, некоторое количество мелких частиц водяного льда с поверхности Маб . Внутренние кольца планеты выглядят серыми .

Когда Земля пересекает плоскость колец Урана, они видны с ребра. Такое было, например, в 2007 — 2008 годах . Благодаря возможности наблюдать неосвещённую сторону колец, группа исследователей во главе с Имке де Патером смогла установить, что система колец Урана сильно изменилась по сравнению с предыдущими изображениями. Согласно их выводам, «систему пронизывает широкое облако тусклого материала, но его местоположение не коррелирует с хорошо известными узкими кольцами или со внутренними пылевыми кольцами». Учёные заявили, что несмотря на отличия в угле обзора, всё же можно сделать вывод о том, что «распределение пыли в системе существенно изменилось после встречи с «Вояджером» в 1986 году и что изменения происходят в гораздо больших масштабах, чем в других планетных системах» . Этим было объяснено, в частности, несоответствие между параметрами кольца 1986 U 2R, наблюдавшегося «Вояджером», и последующими наблюдениями кольца ζ, с которым это кольцо отождествляется .

Основные сведения

Внутренние кольца Урана: самое яркое — кольцо ε, также видны 8 других внутренних колец

Система колец Урана включает в себя 13 отчётливо различимых колец. По расстоянию от планеты они расположены в следующем порядке: 1986U2R/ζ, 6, 5, 4, α, β, η, γ, δ, λ, ε, ν, μ . Их можно разделить на 3 группы: 9 узких главных колец (6, 5, 4, α, β, η, γ, δ, ε) , два пылевых кольца (1986U2R/ζ, λ) и два внешних кольца (μ, ν) .

Состоят кольца Урана в основном из макрочастиц и небольшого количества пыли . Пылевые частицы, как известно, присутствуют в кольцах 1986U2R/ζ, η, δ, λ, ν и μ . Кроме известных колец, скорее всего, существуют почти неразличимые пылевые полосы и весьма слабые и тонкие колечки между ними . Эти слабые кольца и пылевые полосы могут существовать лишь временно или состоять из нескольких отдельных дужек, которые могут иногда обнаруживаться во время покрытия планетой звезды . Некоторые из них становились заметными во время пересечения Землёй плоскости колец в 2007 году . Многие из пылевых полос между кольцами наблюдались в прямо рассеянном свете ещё Вояджером-2 . Все кольца Урана показывают азимутальные изменения яркости .

Кольца состоят из чрезвычайно тёмного вещества. Геометрическое альбедо частиц, составляющих кольца, не превышает 5—6 %, а альбедо Бонда — около 2 % . Кольца демонстрируют сильный оппозиционный эффект — увеличение отражательной способности с уменьшением фазового угла (другими словами, больше всего света отражается в сторону его источника) . Кольца кажутся немного красноватыми по наблюдениям в ультрафиолетовой и видимой части спектра и серыми — по наблюдениям в ближней инфракрасной . Каких-либо идентифицируемых спектральных особенностей у колец не наблюдается.

Химический состав частиц колец неизвестен. Однако они не могут состоять из чистого водяного льда, как, например, кольца Сатурна , потому что они слишком тёмные, даже более тёмные, чем внутренние спутники Урана . Это указывает на то, что они состоят из смеси льда и тёмного вещества. Природа этого вещества неизвестна, но это может быть органика , значительно затемнённая облучением заряженными частицами из магнитосферы Урана. Возможно, кольца состоят из сильно преобразованного вещества, изначально сходного с тем, из которого состоят внутренние спутники Урана .

В целом система колец Урана не похожа ни на тусклые пылевые кольца Юпитера , ни на широкие и сложные кольца Сатурна , некоторые из которых очень яркие за счёт частичек водяного льда . Однако у колец Урана и Сатурна есть и кое-что общее: кольцо F Сатурна и кольцо ε Урана оба узкие, относительно тёмные и «пасутся» парой спутников . Недавно открытые внешние кольца Урана сходны с внешними кольцам G и E Сатурна . Небольшие колечки между широкими кольцами Сатурна также напоминают узкие кольца Урана . Помимо этого, пылевые скопления между кольцами Урана могут быть схожи с пылевыми кольцами Юпитера . Кольцевая система Нептуна больше похожа на кольцевую систему Урана, но сложнее, темнее и содержит больше пыли; кольца Нептуна расположены дальше от планеты, чем у Урана .

Узкие главные кольца

ε (эпсилон)

Фрагмент кольца ε (снимок «Вояджера-2»)

Кольцо ε (эпсилон) — самое яркое и самое плотное из колец Урана и ответственно примерно за две трети света, отражаемого кольцами . У этого кольца самый большой эксцентриситет из всех, оно также обладает незначительным орбитальным наклонением .

Вытянутость кольца является причиной того, что его яркость в разных местах неодинакова: самая большая вблизи апоцентра (самой удалённой от планеты точки), а самая малая — вблизи перицентра (самой близкой) . Это различие достигает 2,5—3,0 раз и связано с изменением ширины кольца, которая составляет 19,7 км в перицентре и 96,4 км в апоцентре . По мере того, как кольцо становится шире, уменьшается количество «затенений» частицами друг друга, и можно наблюдать большее их количество, что приводит к более высокой интегральной яркости . Вариации ширины кольца были измерены на снимках, полученных «Вояджером-2», так как кольцо ε было одним из двух, чья ширина на этих снимках различима . Это указывает на то, что кольцо является оптически глубоким . Действительно, наблюдения покрытия звёзд этим кольцом, проведённые с Земли и «Вояджера-2», показали, что его нормальная «оптическая глубина» варьируется от 0,5 до 2,5 и максимальна вблизи перицентра орбиты кольца. «Эквивалентная глубина» кольца ε — около 47 километров и не изменяется на протяжении всей его длины .

Кольца крупным планом (сверху вниз: δ, γ, η, β и α). У кольца η видно широкий оптически тонкий компонент

Геометрическая толщина кольца ε достоверно неизвестна, хотя, по некоторым оценкам, составляет примерно 150 метров . Несмотря на столь малую толщину, кольцо состоит из нескольких слоёв частиц. Апоцентр кольца ε — место с большой концентрацией частиц: они занимают, по разным оценкам, 0,8—6 % пространства, таким образом, среднее расстояние между ними может быть всего вдвое больше их диаметра. Средний размер частиц этого кольца — 0,2—20 метров . Из-за своей исключительной тонкости кольцо ε исчезает при наблюдении с ребра. Так случилось в 2007 году, во время пересечения Землёй плоскости колец . Низкое содержание пыли в кольце можно объяснить аэродинамическим сопротивлением протяжённой атмосферной короны Урана .

«Вояджер-2» наблюдал странный сигнал от этого кольца в эксперименте « » . Он заключался в значительном усилении прямого рассеяния радиоволн вблизи апоцентра кольца на длине волны 3,6 см. Это требует наличия упорядоченной структуры кольца ε. Такая структура была подтверждена многими наблюдениями покрытий . Видимо, кольцо ε состоит из множества узких оптически плотных колечек , некоторые из которых могут быть незамкнутыми.

У него есть два «спутника-пастуха» — Корделия (внутренний) и Офелия (внешний) . Внутренний край кольца находится в орбитальном резонансе 24:25 с Корделией, а внешний край — в резонансе 14:13 с Офелией . Чтобы эффективно «пасти» (удерживать в существующих границах) кольцо, масса каждого спутника должна быть как минимум втрое больше массы кольца . Масса кольца ε оценивается примерно в 10 16 кг .

δ (дельта)

Сравнение колец Урана в прямом и обратном рассеянном свете (изображения получены Вояджером-2 в 1986)

Кольцо δ круглое и имеет небольшое наклонение . У кольца отмечены значительные необъяснённые азимутальные изменения нормальной оптической глубины и ширины . Возможное объяснение состоит в том, что у кольца имеется волнообразная азимутальная структура, создаваемая небольшим спутником прямо внутри него . Внешний край кольца находится в орбитальном резонансе 23:22 с Корделией .

Кольцо δ состоит из двух компонентов: узкого, оптически плотного, и широкого с низкой оптической глубиной . Ширина узкого компонента — 4,1—6,1 км, его эквивалентная глубина — 2,2 км, что соответствует нормальной оптической глубине около 0,3—0,6 . Широкий компонент кольца δ имеет ширину приблизительно 10—12 км, и его эквивалентная глубина близка к 0,3 км, что соответствует нормальной оптической глубине в 3 × 10 −2 .

Все эти данные получены из наблюдений покрытий, так как на снимках «Вояджера-2» ширина кольца не видна . Когда кольцо наблюдалось с Вояджера-2 при прямом рассеянии, оно казалось относительно ярким, что совместимо с присутствием космической пыли в его широком компоненте . Геометрически широкий компонент кольца является более тусклым, чем узкий компонент. Это подтверждается наблюдениями во время пересечения плоскости колец Землёй в 2007 году, когда яркость кольца δ увеличилась, что совпадает с поведением геометрически толстого, но оптически тонкого кольца .

γ (гамма)

Кольцо γ узкое, оптически плотное и имеет небольшой эксцентриситет. Его орбитальное наклонение почти равно нулю . Ширина кольца меняется от 3,6 до 4,7 км, хотя эквивалентная глубина неизменна и равна 3,3 км . Нормальная оптическая глубина этого кольца — 0,7—0,9. Во время пересечения плоскости колец в 2007 году выяснилось, что кольцо γ такое же геометрически тонкое, как и кольцо ε , и практически лишено пыли . Ширина и нормальная оптическая глубина этого кольца свидетельствуют о значительных азимутальных вариациях . Неизвестно, что позволяет этому кольцу оставаться таким узким, но было замечено, что его внутренний край находится в резонансе 6:5 с Офелией .

η (эта)

Кольцо η имеет нулевой эксцентриситет и наклонение . Подобно кольцу δ, оно состоит из двух компонентов: узкого оптически плотного и широкого наружного с низкой оптической глубиной . Ширина узкого компонента составляет 1,9—2,7 км, а эквивалентная глубина — около 0,42 км, что соответствует нормальной оптической глубине приблизительно в 0,16—0,25 . Широкий компонент имеет ширину около 40 км и эквивалентную глубину около 0,85 км, что, в свою очередь, говорит о нормальной оптической глубине в 2⋅10 −2 .

Ширина кольца видна на фотографиях с «Вояджера-2» . В прямо рассеянном свете кольцо η выглядит ярким, что указывает на присутствие в нём значительного количества пыли, по всей вероятности, в широком компоненте . Геометрически широкий компонент намного толще, чем узкий. Это подтверждается наблюдениями во время пересечения Землёй плоскости колец в 2007 году, когда кольцо η продемонстрировало увеличение яркости, став вторым по яркости кольцом Урана . Это совпадает с поведением геометрически толстого, но оптически тонкого кольца . Как и большинство колец, кольцо η демонстрирует существенные азимутальные изменения в нормальной оптической глубине и ширине, в некоторых местах кольцо настолько узко, что даже «пропадает» .

α и β (альфа и бета)

α и β — самые яркие после ε кольца в системе Урана . Как и у кольца ε, их яркость и ширина отличаются в разных участках . Наибольшую яркость и ширину эти кольца имеют в 30° от апоцентра , а наименьшую — в 30° от перицентра . Кольца α и β имеют значительный орбитальный эксцентриситет и незначительное наклонение . Ширина этих колец составляет 4,8—10 км и 6,1—11,4 км соответственно . Эквивалентные оптические глубины равны 3,29 и 2,14 км, что говорит о нормальной оптической глубине в 0,3—0,7 и 0,2—0,35 соответственно .

Во время пересечения Землёй плоскости колец в 2007 году эти кольца на некоторое время пропали. Это означает, что они, так же как и кольцо ε, геометрически тонкие и лишены пыли . Однако во время пересечения обнаружили геометрически толстую, но оптически тонкую полосу пыли сразу за внешней стороной кольца β, которую ранее наблюдал и «Вояджер-2» . Массы каждого из колец α и β приблизительно оцениваются как 5⋅10 15 кг, что примерно равно половине массы кольца ε .

Кольца 6, 5 и 4

Кольца 6, 5 и 4 — это самые тусклые и почти самые близкие к Урану кольца . Наклонение этих колец самое большое, и их орбитальные эксцентриситеты — наибольшие среди всех колец, кроме ε . Более того, их наклонения (0,06°, 0,05° и 0,03° соответственно) были достаточно большими, чтобы «Вояджер-2» наблюдал их элевации выше экваториальной плоскости Урана, которые составляли 24—46 км . Кольца 6, 5 и 4 — также и самые узкие кольца Урана — оценочно 1,6—2,2 км, 1,9—4,9 км и 2,4—4,4 км соответственно . Их эквивалентные глубины составляют 0,41 км, 0,91 км и 0,71 км, что говорит о нормальной оптической глубине 0,18—0,25, 0,18—0,48 и 0,16—0,3 соответственно . Они не были видны во время пересечения Землёй плоскости колец в 2007 году из-за чрезвычайной узости и мизерного количества пыли .

Пылевые кольца

λ (лямбда)

Внутренние кольца Урана. Снято «Вояджером-2» при большом фазовом угле: 172,5° (то есть со стороны, противоположной Солнцу). Видно кольца и полосы пыли, невидимые при меньших фазовых углах

Кольцо λ — одно из двух колец, открытых «Вояджером-2» в 1986 году . Это узкое и тусклое кольцо, расположенное между кольцом ε и его «спутником-пастухом» Корделией . При исследовании в обратно-рассеянном свете кольцо λ чрезвычайно узкое — около 1—2 км — и имеет эквивалентную оптическую глубину 0,1—0,2 км на длине волны 2,2 мкм . Его нормальная оптическая глубина — 0,1—0,2 . Оптическая глубина кольца λ демонстрирует сильную зависимость от длины волны, что нетипично для кольцевой системы Урана. В ультрафиолетовой части спектра эквивалентная глубина доходит до 0,36 км, что объясняет, почему оно было обнаружено только при наблюдении покрытий звёзд в ультрафиолетовом диапазоне «Вояджером-2» . Об обнаружении кольца при наблюдениях на длине волны в 2,2 мкм было сообщено лишь в 1996 году .

Внешний вид кольца λ резко изменился во время наблюдений в прямом рассеянном свете в 1986 году . При тогдашнем расположении оно наблюдалось как самый яркий объект системы Урана, превзойдя даже кольцо ε . Эти наблюдения вкупе с зависимостью длины волны от оптической глубины указывают на то, что кольцо λ содержит существенное количество пыли микрометровых размеров . Нормальная оптическая глубина этой пыли — 10 −4 —10 −3 . Наблюдения телескопом обсерватории Кека в 2007 году во время пересечения Землёй плоскости колец Урана подтвердили это предположение, так как кольцо λ стало одним из самых ярких элементов кольцевой системы Урана .

Детальный анализ снимков с «Вояджера-2» позволил выявить азимутальные изменения в яркости кольца λ . Изменения, кажется, являются периодическими, напоминая стоячую волну . Происхождение этой примечательной структуры в кольце λ остаётся неизвестным .

1986U2R / ζ (дзета)

Первое полученное изображение кольца 1986U2R/ζ

В 1986 году «Вояджер-2» обнаружил широкое слабое колечко, расположенное ближе кольца 6 . Ему дали временное обозначение 1986U2R. Оно имело нормальную оптическую глубину 10 −3 или меньше и было чрезвычайно слабым. Его было видно только на одном изображении, сделанном «Вояджером-2» . Кольцо расположено между 37 000 и 39 500 км от центра Урана, или на 12 000 к м выше уровня облаков . Кольцо не наблюдалось вплоть до 2003—2004 годов, пока телескопы обсерватории Кека (Гавайи) вновь не обнаружили широкое слабое кольцо внутри кольца 6. Кольцо назвали ζ . Однако положение кольца значительно отличалось от наблюдавшегося в 1986 году. Сейчас оно расположено между 37 850 и 41 350 км от центра планеты и, постепенно слабея, тянется внутрь по крайней мере до 32 600 км . Это кольцо вновь наблюдалось обсерваторией Кека лишь в 2007 году во время пересечения Землёй плоскости колец Урана . Эквивалентная оптическая глубина этого кольца — около 1 км (0,6 для расширенной части кольца), в то время как нормальная оптическая глубина, как и раньше, не превышает 10 −3 .

Разница между наблюдениями кольца ζ в 1986 и 2003 годах может быть вызвана разными геометрическими конфигурациями: геометрией обратного рассеяния в 2003—2007 годах и геометрией бокового рассеяния в 1986 году . Однако не исключены и изменения распределения пыли (которая, как полагают, преобладает в кольце) в течение тех 20 лет .

Другие пылевые полосы

В дополнение к кольцам 1986U2R/ζ и λ в системе есть весьма слабые пылевые полосы . Они не видны во время покрытий, потому что обладают незначительной оптической глубиной, хотя в прямо рассеянном свете они достаточно яркие . Изображения с «Вояджера-2» в прямо рассеянном свете показали существование ярких пылевых полос между кольцами λ и δ, между кольцами η и β, и между кольцами α и 4 . Многие из наблюдавшихся в 1986 году пылевых полос в 2003—2004 годах были вновь зафиксированы телескопами обсерватории Кека. Они также наблюдались при пересечении плоскости колец в 2007 году в обратно-рассеянном свете, но их точное местоположение и яркость отличались от результатов наблюдений с Вояджера-2 . Нормальная оптическая глубина этих пылевых полос — около 10 −5 или меньше. Распределение размера пылевых частиц, как полагают, является экспоненциальным с показателем степени p = 2,5 ± 0,5 .

Внешняя система колец

μ и ν — кольца Урана (R/2003 U1 и U2), обнаруженные телескопом «Хаббл» в 2005

В 2003—2005 гг. телескоп «Хаббл» обнаружил пару ранее неизвестных колец, теперь считающихся внешней частью кольцевой системы Урана, что довело количество известных колец до 13 . Впоследствии эти кольца были названы μ и ν (мю и ню) . Кольцо μ в этой паре является внешним. Оно находится в два раза дальше от планеты, чем яркое кольцо η (эта) . Внешние кольца во многих отношениях отличаются от узких внутренних колец. Они широкие, 17000 и 3800 км шириной, и очень тусклые. Максимальная нормальная оптическая глубина — 8,5 × 10 −6 и 5,4 × 10 −6 . Эквивалентные оптические глубины — 0,14 км и 0,012 км. Профили радиальной яркости колец имеют треугольную форму .

Область пиковой яркости кольца μ практически совпадает с орбитой спутника Урана — Маб , которая, вероятно, и является источником частиц кольца . Кольцо ν расположено между спутниками Порция и Розалинда и не содержит в себе никаких спутников . Повторный анализ изображений в прямом рассеянном свете, полученных Вояджером, позволяет ясно различить кольца μ и ν. В этой геометрии кольца намного более яркие, что указывает на высокое содержание в них пылевых частиц размером порядка микрометра . Внешние кольца Урана напоминают кольца G и E в кольцевой системе Сатурна. Для кольца G не известно никакого объекта — источника частиц, в то время как кольцо E чрезвычайно широкое и пополняется пылью с поверхности Энцелада .

Возможно, кольцо μ состоит целиком из пыли, без каких-либо крупных частиц. Эта гипотеза поддерживается наблюдениями обсерватории Кека, которая так и не обнаружила кольцо μ в близком инфракрасном диапазоне на длине волны 2,2 мкм, однако обнаружила кольцо ν . Неудачная попытка обнаружить кольцо μ означает, что оно синего цвета. Это, в свою очередь, указывает, что оно преимущественно состоит из мельчайшей (субмикронной) пыли . Возможно, пыль состоит из водяного льда . Кольцо ν, напротив, имеет красноватый оттенок .

Динамика колец и их происхождение

Схема внутренних колец Урана в усиленных цветах, составленная по снимкам «Вояджера-2»

Важной и пока нерешённой физической проблемой остаётся разрешение загадки механизма, удерживающего границы колец. Если бы такой механизм отсутствовал, то эти границы постепенно размывались бы, и кольца Урана не просуществовали бы дольше миллиона лет . Наиболее часто упоминаемая модель механизма сдерживания была предложена Петером Голдрайхом и Скоттом Тремэйном : это пара соседствующих спутников, внешний и внутренний «пастухи», которые посредством гравитационного взаимодействия отбирают у кольца чрезмерный или добавляют ему недостающий угловой момент (или, что эквивалентно, энергию). «Пастухи» таким образом удерживают частицы, из которых состоят кольца, хотя постепенно удаляются от них . Для этого массы спутников-пастухов должны превышать массу кольца как минимум в 2—3 раза. Такой механизм работает для кольца ε, которое, как известно, «пасут» Корделия и Офелия . Корделия также является внешним «пастухом» для кольца δ, а Офелия — для γ. Однако вблизи других колец не известно ни одного спутника крупнее 10 километров . Текущее расстояние Корделии и Офелии от кольца ε может использоваться для определения возраста кольца. Вычисления показывают, что это кольцо не может быть старше 6 × 10 8 лет .

Так как кольца Урана, вероятно, молоды, они должны непрерывно пополняться фрагментами столкновений между более крупными телами . По некоторым оценкам, время разрушения спутника размером с Пак может составлять несколько миллиардов лет. Соответственно, спутник меньших размеров разрушится гораздо быстрее . Таким образом, возможно, что все внутренние и внешние кольца Урана являются продуктом разрушения спутников размером меньше Пака в течение последних четырёх с половиной миллиардов лет . Каждое такое разрушение дало бы начало целому каскаду столкновений, которые размололи бы почти все большие тела в намного меньшие частицы, включая пыль . В конечном счёте большая часть массы была бы утеряна, и частицы сохранились бы только в тех областях, где их орбиты стабилизируются взаимными резонансами и «выпасом». Конечным продуктом такой «разрушительной эволюции» стала бы система из узких колец, однако в пределах колец должны были сохраниться и маленькие спутники. По современным оценкам, их максимальный размер — около 10 километров .

Происхождение пылевых полос более ясное. Время существования пыли очень короткое, от ста до тысячи лет, и, по-видимому, она непрерывно пополняется в результате столкновений между большими частицами в кольцах, маленькими спутниками и метеороидами , попавшими в систему Урана извне . Пояса порождающих пыль спутников и частиц невидимы из-за их низкой оптической глубины, в то время как пыль хорошо видна в прямом рассеянном свете . Предполагается, что узкие главные кольца и пояса из пылевых полос и мелких спутников отличаются распределением размеров частиц. В главных кольцах больше частиц с размерами от сантиметра до метра. Такое распределение увеличивает площадь поверхности материала колец, что приводит к высокой оптической плотности в обратно-рассеянном свете . В пылевых полосах, наоборот, количество крупных частиц относительно небольшое, что приводит к низкой оптической глубине .

Исследование колец

Кольца Урана были тщательно исследованы во время пролёта «Вояджера-2» мимо Урана в январе 1986 года . Было обнаружено 2 новых кольца — λ и 1986U2R, которые увеличили общее количество известных колец Урана до 11. Физические свойства колец были изучены при анализе результатов радио- , ультрафиолетовых и оптических покрытий . «Вояджер-2» наблюдал кольца в различных положениях относительно Солнца, делал фотографии в прямом и обратном рассеянном свете . Анализ этих изображений дал возможность установить полную фазовую функцию, геометрическое альбедо и альбедо Бонда частиц в кольцах . На изображениях двух колец — ε и η — можно разглядеть их сложную микроструктуру . Анализ изображений также позволил открыть 10 внутренних спутников Урана, включая два «спутника-пастуха» кольца ε — Корделию и Офелию .

Список колец

В таблице приведены основные характеристики кольцевой системы Урана.

Название кольца Радиус (км) Ширина (км) Эквив. глубина (км) Н. опт. глубина Толщина (м) Эксц. Наклонение (°) Примечания
ζ c 32 000—37 850 3500 0,6 ~ 10 −4 ? ? ? Внутреннее расширение кольца ζ
1986U2R 37 000—39 500 2500 ? < 10 −3 ? ? ? Слабое пылевое кольцо
ζ 37 850—41 350 3500 1 < 10 −3 ? ? ?
6 41 837 1,6—2,2 0,41 0,18—0,25 ? 1,0 × 10 −3 0,062
5 42 234 1,9—4,9 0,91 0,18—0,48 ? 1,9 × 10 −3 0,054
4 42 570 2,4—4,4 0,71 0,16—0,30 ? 1,1 × 10 −3 0,032
α 44 718 4,8—10,0 3,39 0,3—0,7 ? 0,8 × 10 −3 0,015
β 45 661 6,1—11,4 2,14 0,20—0,35 ? 0,4 × 10 −3 0,005
η 47 175 1,9—2,7 0,42 0,16—0,25 ? 0 0,001
η c 47 176 40 0,85 2 × 10 −2 ? 0 0,001 Широкий внешний компонент кольца η
γ 47 627 3,6—4,7 3,3 0,7—0,9 150? 0,1 × 10 −3 0,002
δ c 48 300 10—12 0,3 3 × 10 −2 ? 0 0,001 Внутренний широкий компонент кольца δ
δ 48 300 4,1—6,1 2,2 0,3—0,6 ? 0 0,001
λ 50 023 1—2 0,2 0,1—0,2 ? 0? 0? Слабое пылевое кольцо
ε 51 149 19,7—96,4 47 0,5—2,5 150? 7,9 × 10 −3 0 «Пасётся» Корделией и Офелией
ν 66 100—69 900 3800 0,012 5,4 × 10 −6 ? ? ? Между Порцией и Розалиндой
μ 86 000—103 000 17 000 0,14 8,5 × 10 −6 ? ? ? Вблизи от Маб

Примечания

Комментарии
  • Прямо (вперёд) рассеянный свет — свет, отклонённый от первоначального направления на угол, меньший 90° (соответственно, фазовый угол больше 90°).
  • Обратно рассеянный свет — свет, отклонённый на угол, больший 90° (другими словами, в сторону его источника). Фазовый угол меньше 90°.
  1. Радиусы колец 6,5,4, α, β, η, γ, δ, λ и ε взяты из Esposito et al., 2002.
  2. Ширины колец 6,5,4, α, β, η, γ, δ и ε взяты из Karkoshka et al., 2001.
  3. Радиус и ширина ζ и 1986U2R колец взяты из Pater et al., 2006.
  4. Ширина кольца λ из Holberg et al., 1987.
  5. Радиус и ширина колец μ и ν были найдены Showalter et al., 2006.
  6. Эквивалентная глубина (ЭГ) кольца определяется как интеграл нормальной оптической глубины по радиусу кольца. Другими словами, ED=∫τdr, где r радиус.
  7. Эквивалентная глубина кольца 1986U2R получена произведением его ширины и нормальной оптической глубины. Эквивалентные глубины колец 6,5,4, α, β, η, γ, δ и ε взяты из Karkoshka et al, 2001.
  8. Эквивалентные глубины колец λ и ζ, μ и ν получены при использовании μEW значений, полученных de Pater et al., 2006 и de Pater et al., 2006b соответственно.
  9. Значения μEW были умножены на 20, что соответствует предполагаемому альбедо частиц колец 5 %.
  10. Нормальная оптическая глубина (τ) кольца — это отношение полного геометрического поперечного сечения частиц, из которых состоит кольцо, к площади поверхности кольца. Может принимать значения от нуля до бесконечности. Луч света, проходящий через кольцо, будет ослаблен в e −τ раз.
  11. Нормальные оптические глубины всех колец, кроме 1986U2R, μ и ν, были вычислены как отношение эквивалентных глубин к ширинам. Нормальная оптическая глубина кольца 1986U2R взята из Smith et al., 1986.
  12. Нормальная оптическая глубина μ и ν колец — это максимальные величины по Showalter et al., 2006.
  13. Оценки толщины колец взяты из Lane et al., 1986.
  14. Эксцентриситет и наклонение приведены по Stone, 1986 и French et al., 1989.
Источники
  1. (англ.) . BBC . 2007-04-19. из оригинала 15 марта 2012 . Дата обращения: 19 апреля 2007 .
  2. (англ.) . Physorg.com (2007). Дата обращения: 20 июня 2007. 11 августа 2011 года.
  3. ↑ Imke dePater, Heidi B. Hammel, Seran G. Gibbard, Mark R. Showalter. (англ.) // Science. — 2006. — Vol. 312 . — P. 92—94 . — doi : . 11 октября 2007 года.
  4. (англ.) : Discovery and Mythology — Berlin, Heidelberg: Springer Science+Business Media , 2010. — P. 96—97. — 142 p. — ISBN 978-3-540-68852-5 —
  5. J. L. Elliot, E. Dunham, D. Mink. (англ.) . Cornell University (1977). Дата обращения: 9 июня 2007. 11 августа 2011 года.
  6. ↑ (англ.) : Discovery and Mythology — Berlin, Heidelberg: Springer Science+Business Media , 2010. — P. 92—95. — 142 p. — ISBN 978-3-540-68852-5 —
  7. (англ.) . Сайт телескопа Хаббл (2005). Дата обращения: 9 июня 2007. 11 августа 2011 года.
  8. Robert Sanders. (англ.) . UC Berkeley News (6 июня 2006). Дата обращения: 3 октября 2006. 11 августа 2011 года.
  9. Stephen Battersby. (англ.) . NewScientistSpace (2006). Дата обращения: 9 июня 2007. 11 августа 2011 года.
  10. Imke de Pater, H. B. Hammel, Mark R. Showalter, Marcos A. van Dam. (англ.) // Science (New York, N.Y.). — 2007-09-28. — Vol. 317 , iss. 5846 . — P. 1888–1890 . — ISSN . — doi : . 19 ноября 2022 года.
  11. ↑ Mark R. Showalter, Jack J. Lissauer. (англ.) // Science. — 2006. — P. 973—977 . 16 ноября 2018 года.
  12. ↑ Larry W. Esposito. // Reports On Progress In Physics. — 2002. — С. 1741—1783 .
  13. ↑ Burns, J.A.; Hamilton, D.P.; Showalter, M.R. (2001). (pdf) . In Grun, E.; Gustafson, B. A. S.; Dermott, S. T.; Fechtig H. (ed.). Interplanetary Dust . Berlin: Springer. pp. 641—725. {{ cite encyclopedia }} : Википедия:Обслуживание CS1 (множественные имена: editors list) ( ссылка ) . Дата обращения: 10 сентября 2008. Архивировано 3 июня 2016 года.
  14. ↑ Mark R. Showalter, J. J. Lissauer, R. G. French и др. . American Astronomical Society (2008). Дата обращения: 30 мая 2008. 20 августа 2011 года.
  15. ↑ M.E.Ockert,Cuzzin, J.N.; Porco, C.C.; and Johnson, T.V. // J.of Geophys. Res.. — 1987. — С. 14 969—14 978 . 2 января 2016 года.
  16. ↑ (англ.) // Science. — 1986. — P. 65—69 . 3 июня 2016 года.
  17. ↑ Imke de Pater, H. B. Hammel, Mark R. Showalter, Marcos A. Van Dam. (англ.) // Science . — 2007. — P. 1888—1890 . 3 июня 2016 года.
  18. ↑ B. A. Smith, L. A. Soderblom, A. Beebe и др. (англ.) // Science. — 1986. — P. 97—102 . 11 октября 2007 года.
  19. ↑ Erich Karkoshka. (англ.) // Icarus . — Elsevier , 1997. — P. 348—363 . — doi : . 3 июня 2016 года.
  20. ↑ Kevin H. Baines, Yanamandra-Fisher, Padmavati A., Larry A. Lebofsky и др. (англ.) // Icarus . — Elsevier , 1998. — P. 266—284 . 3 июня 2016 года.
  21. ↑ Imke dePater, Heidi B. Hammel, Seran G. Gibbard, Mark R. Showalter. (англ.) // Science. — 2006. — P. 92—94 . 11 октября 2007 года.
  22. ↑ E.C. Stone,Miner, E.D. (англ.) // Science. — 1986. — P. 39—43 . 3 июня 2016 года.
  23. ↑ Erich Karkoshka. (англ.) // Icarus . — Elsevier , 2001. — P. 78—83 . 3 июня 2016 года.
  24. ↑ J.L.Tyle,Sweetnam, D.N.; Anderson, J.D.; et.al. (англ.) // Science. — 1986. — P. 79—84 . 11 октября 2007 года.
  25. ↑ L.W.Esposito,Colwell, Joshua E. (англ.) // Nature. — 1989. — P. 605—607 . 3 июня 2016 года.
  26. L. J. Horn, A. L. Lane, P. A. Yanamandra-Fisher; L. W. Esposito. (англ.) // Icarus . — Elsevier , 1988. — P. 485—492 . 27 декабря 2015 года.
  27. ↑ (англ.) // The Astronomical Journal . — IOP Publishing , 1987. — P. 724—778 . 1 февраля 2016 года.
  28. ↑ J.B.Holberg,Nicholson, P. D.; French, R.G.; Elliot, J.L. (англ.) // The Astronomical Journal . — IOP Publishing , 1987. — P. 178—188 . 3 июня 2016 года.
  29. ↑ Richard D.French,Elliot, J.L.; French, Linda M. et al. (англ.) // Icarus . — Elsevier , 1988. — P. 349—478 . 3 июня 2016 года.
  30. S. G. Gibbard, I. De Pater, H. B. Hammel. (англ.) // Icarus . — Elsevier , 2005. — P. 253—262 . 3 июня 2016 года.
  31. Eugene I. Chiang, Cristopher J. Culter. (англ.) // The Astrophysical Journal . — IOP Publishing , 2003. — P. 675—685 . 3 июня 2016 года.
  32. Imke de Pater, Seran G. Gibbard, Hammel H. B. Lebofsky. (англ.) // Icarus . — Elsevier , 2006. — P. 186—200 . 4 декабря 2015 года.
  33. ↑ . Hubblesite (2005). Дата обращения: 9 июня 2007. 11 августа 2011 года.
  34. Stephen Battersby. . NewScientistSpace (2006). Дата обращения: 9 июня 2007. 11 августа 2011 года.
  35. Robert Sanders. . UC Berkeley News (6 апреля 2006). Дата обращения: 3 октября 2006. 11 августа 2011 года.
  36. Peter Goldreich , Scott Tremaine. (англ.) // Nature . — Nature Publishing Group, 1979. — Vol. 277 . — P. 97—99 . — doi : . 6 января 2009 года.

Ссылки

  • на solarsystem.nasa.gov (англ.)
Источник —

amity
  • 2021-06-22
  • 1
  • Tags:

Same as Кольца Урана

The title for the last searches