Из чего в основном состоят кольца сатурна. Почему вокруг сатурна кольца

21.07.2015

Сатурн, шестая по счёту планета от Солнца, является одним из наиболее легко наблюдаемых объектов для астрономов, во многом благодаря его обширной и весьма специфической системе колец. Кольца Сатурна восхищали астрономов-любителей на протяжении столетий, начиная с того времени, когда люди впервые начали вглядываться в небо через окуляр телескопа.

Когда Галилео Галилей впервые наблюдал Сатурн в 1610 г., он подумал, что эти кольца представляли собой гигантские спутники планеты, находившиеся по разные стороны от неё. Однако дальнейшие наблюдения, проводившиеся учёным в течение нескольких последующих лет, показали, что эти кольца меняли свою форму и даже исчезали полностью, по мере того как менялся их наклон по отношению к Земле.

В настоящее время мы знаем, что Галилео наблюдал «пересечение плоскости колец». Экватор Сатурна наклонён по отношению к орбите этой планеты вокруг Солнца под углом примерно в 27 градусов (аналогичный угол наклона для Земли составляет 23 градуса). Когда Сатурн обращается вокруг Солнца, то сначала одно, а затем и второе полушария по очереди освещаются Солнцем. Этот наклон отвечает за смену сезонов, так же как и в случае с Землёй, и когда на Сатурне наступает осеннее или весеннее равноденствие, то Солнце попадает в плоскость системы колец, в которой лежит также и экватор планеты. Солнечные лучи освещают кольца «с ребра», и тонкую полоску колец становится трудно различить при помощи телескопов. Кольца Сатурна очень широкие – они достигают 273600 километров в поперечнике – но толщина их составляет не более 10 метров.

В 1655 г. астроном Кристиан Гюйгенс предположил, что эти странные тела были твёрдыми, наклонёнными кольцами, и в 1660 г. другой астроном предположил, что эти кольца состояли из небольших спутников – догадка, которая не могла получить подтверждения в течение почти 200 последующих лет.

В эпоху освоения космоса зонд «Пионер-11» прошёл сквозь плоскость колец Сатурна в 1979 г. В 1980-е гг. космические аппараты «Вояджер-1» и «Вояджер-2» позволили взглянуть на систему колец гигантской планеты.

В 2004 г. миссия НАСА «Кассини-Гюйгенс» впервые в мире вышла на орбиту вокруг Сатурна и произвела подробные наблюдения не только самой планеты, но и её системы колец.

Состав и структура

Кольца Сатурна состоят из миллиардов частиц, размеры которых колеблются от нескольких миллиметров до десятка километров. Состоящие преимущественно из водяного льда, эти кольца также втягивают в свою систему каменистые метеороиды, движущиеся сквозь космическое пространство.

Хотя начинающему астроному-любителю может показаться, что Сатурн опоясан единым, твёрдым кольцом, но на самом деле система колец разделена на несколько частей. Эти кольца получили свои названия по алфавиту в соответствии с датами их открытия. Таким образом, главные кольца, если двигаться от периферии системы к центру, называются соответственно A, B и С. Щель шириной в 4700 километров, известная как Щель Кассини, разделяет между собой кольца A и B.

Другие, более тусклые кольца открывались по мере того, как совершенствовались технологии изготовления телескопов. «Вояджер-1» обнаружил самое близкое к центру системы кольцо D в 1980 г. Рядом с кольцом А, охватывая его снаружи, находится кольцо F, которое, в свою очередь, охватывается кольцами G и E, лежащими на значительном удалении от остальных колец системы.

Сами кольца содержат значительное число щелей и структур. Некоторые из них созданы многочисленными небольшими спутниками Сатурна, в то время как природа других из них до сих пор продолжает ставить в тупик астрономов.

Сатурн не единственная планета Солнечной системы, имеющая кольца – Юпитер, Уран и Нептун также располагают тусклыми системами колец – но со своими спутниками, система которых простирается на три четверти расстояния от Земли до Луны (282000 километров), он, без сомнения, формирует наиболее впечатляющую и доступную для наблюдения систему колец в Солнечной системе.

Властелин колец. Сатурн является второй по величине планетой Солнечной системы после Юпитера. Также как и Юпитер, он относится к газовым гигантам. Диаметр Сатурна 120 тысяч километров, что в 10 раз больше земного. При таких размерах плотность Сатурна в 8 раз меньше плотности Земли. Из этого следуют и удивительные свойства этого гиганта, впрочем, присущие всем газовым гигантам. Имея массу, в 95 раз превышающую массу Земли, по объему он больше в 760 раз! Атмосферу Сатурна составляют облака, состоящие из аммиака. На поверхности планеты (если так можно сказать про газового гиганта) бушуют сильнейшие ураганы. Сила ветра на экваторе достигает фантастических по нашим меркам 1800 километров в час!

Открытие колец. Впервые обнаружил кольца у планеты итальянский астроном Галилео Галилей. Вначале было высказано предположение, что планету окружают облака газа. Спустя несколько десятилетий Гюйгенс с помощью уже более совершенных инструментов определил, что это было кольцо. Конечно же, уровень развития астрономии тогда не позволял более детально рассмотреть строение кольца. Действительно, в то время кольцо казалось однородным. Лишь спустя два века выяснилось, что кольцо на самом деле состоит из миллионов мелких частиц. Впоследствии выяснилось, что вокруг планеты не одно, а несколько колец.

Наконец, в прошлом веке на орбите Сатурна побывали космические зонды «Пионер-2» (1979), «Вояджер-1» (1980) и «Вояджер-2» (1981) которые помогли вблизи рассмотреть таинственные кольца.

Строение колец. Из чего же состоят кольца? Само по себе строение колец явление уникальное. Как уже говорилось, колец у Сатурна несколько. Для удобства их обозначили буквами латинского алфавита. Внешнее кольцо А, среднее В, и мелкие кольца С, D, E. Среднее кольцо самое яркое. Можно отметить и промежуток, который находится между кольцами, А и В, так называемая «щель Кассини» шириной в 5000 километров. В свою очередь, кольца состоят из тысячи мелких колец. Оказалось, что кольца состоят из мелких кусков льда и камня. Размеры частиц колеблются в диапазоне от пылинок до нескольких сот метров.

Размеры колец различны. Ширина колец составляет тысячи километров, а толщина всего 12−120 м. Диаметр внешнего кольца, А составляет 275 тысяч километров, ширина около двух километров.

Гипотезы происхождения колец. Есть несколько гипотез происхождения колец. По одной из них сила тяготения планеты захватила и уничтожила пролетающую мимо комету гигантских размеров.

Согласно второй гипотезе кольца возникли вместе с Сатурном, около четырех миллиардов лет назад. Однако последние исследования опровергли эту теорию. Выяснилось, что возраст колец составляет несколько сот миллионов лет.

Есть также предположение, что кольца могли возникнуть от столкновения планеты с гигантским астероидом, обломки которого и составляют кольца.
Хотя, судя по размерам колец, одной кометы или астероида для формирования колец явно бы не хватило. Возможно, тут можно рассматривать и совокупность нескольких факторов.

Кольца не уникальны. В 1977 году было сделано открытие, развенчавшее миф об уникальности колец Сатурна. При наблюдении Урана обнаружилось, что он также имеет свою систему колец. Кольца Урана, в отличие от своего собрата, оказались состоящими из черных частиц, поэтому они менее заметны. Частицы колец Сатурна покрыты белым инеем. К тому же кольца Урана намного меньше. В 1979 году тонкие кольца были открыты также у Юпитера. Наконец в 1989 году были открыты кольца у Нептуна. Конечно же, открытые кольца у этих планет несравненно слабее мощной системы Сатурна. Тут впору призадуматься, почему нет колец у планет земной группы?

Судьба колец. Как ни печально, но Сатурну в будущем все же придется расстаться со своим украшением. Рано или поздно под воздействием сил тяготения им суждено быть поглощенными своим хозяином.

Сатурн, шестая по счету планета от Солнца. Кольца Сатурна, представляют из себя систему плоских концентрических образований изо льда и пыли, находящуюся в экваториальной плоскости планеты. Планета имеет семь основных (A, B, C, D, E, F, G) и множество мелких колец.

Открытие колец Сатурна

1610 год — Галилео Галилей был первым, кто смог увидеть кольца Сатурна в свой телескоп с 20-ти кратным увеличением, но не распознал их как кольца.

1655 год — ученый из Нидерландов Христиан Гюйгенс первый смог распознать кольцо в странных выступах, сопровождавших Сатурн. Но только через 4 года, убедившись в своей правоте, он рассказал со страниц книги «Система Сатурна», что Сатурн «кольцом окружен тонким, плоским, нигде не прикасающимся, к эклиптике наклоненным».

1675 год — директор Парижской обсерватории Джованни Доменико Кассини обнаружил внутри кольца черную полосу (поздней ее назовут «делением Кассини»). Она рассекала его на две части – их начали называть кольцами А и В. Он же первым сделал предположение, что кольца состоят из отдельных частиц.

Происхождение колец

Теперь гипотезы начали появляться одна за другой. В течении нескольких веков загадочные кольца Сатурна неизменно привлекали внимание астрономов. Чем совершенней становились телескопы, тем сложней казалась структура колец. В наши дни – с помощью межпланетных зондов, побывавшим близ Сатурна, – мы знаем о них очень многое. Кроме основных, астрономы насчитали уже больше 100 тыс. отдельных колец, окружающих планету. Они различны по своему химическому составу и окраске. Происхождение колец как и прежде вызывает немало вопросов. Исследователи не перестают выдвигать все новые гипотезы, объясняющие природу колец.

Гипотезы

В XIX столетии астроном из Франции Эдуард Альбер Рош выдвинул гипотезу, что один из спутников Сатурна до такой степени сблизился с планетой, что был разорван приливными силами, и из его обломков образовались кольца, окружающие теперь Сатурн. Ни один спутник, который преодолел так называемый «предел Роша», не может уцелеть; рано или поздно он распадется, образуя очередное кольцо, которое в последствии осядет на планету. Как бы там ни было, кольца, считают сторонники этой гипотезы, явление временное. Нам повезло жить в то время, когда сразу несколько крупных планет окружены ими.

Согласно другой гипотезе, кольца могли образоваться после столкновения одного из спутников Сатурна с крупным метеоритом. Множество осколков, усеявших окрестности планеты после коллизии, и стали материалом, из которого сформировались кольца. Расчеты показали, что их возраст не более 100 миллионов лет.

Из чего состоят кольца

Теперь мы знаем, что кольца Сатурна на 90–95% состоят из водяного льда. А вот небесные тела, которые могли бы послужить материалом для них, хотя бы наполовину состоят из разных силикатов и металлов. Потому кольца Сатурна также должны были бы содержать хотя бы несколько десятков процентов этих материалов. Разрешить это противоречие могут лишь новые гипотезы.

А что если кольца Сатурна, как и ближние к нему спутники, образовались из за одной и той же катастрофы? Такая версия была выдвинута в 2010 г. американским астрофизиком Робином Канупом. Он предположил что, в далеком прошлом вокруг Сатурна обращался еще один такой же крупный спутник, как Титан. Его ядро состояло из силикатов и железа, его покрывал мощный ледяной панцирь. Приблизившись к планете на расстояние, равное пределу Роша, он под воздействием приливных сил сбросил с себя эту ледяную оболочку, и та, постепенно распадаясь на все более мелкие части, начала кружить возле Сатурна, образовав многочисленные кольца. Что же до железокаменного ядра спутника, оно рухнуло на Сатурн.

Согласно расчетам, кольца Сатурна некогда весили в тысячи раз больше, чем сейчас. Однако астероиды и кометы, временами врезавшиеся в них, выбивали часть материала. Из него могли быть сформированы внутренние спутники Сатурна – к примеру, Тефия. Тем временем силикаты и металлы, содержавшиеся в астероидах, пополняли материал колец – так появились те 5-10% примесей, которые там обнаружили.

Когда сформировались кольца?

Впрочем, у этой гипотезы, как и у других, о которых упоминалось, имеются одни и те же недостатки. К примеру, после разрушения спутника появляются обломки самых различных размеров – от кубиков льда до ледяных гор, тянущихся десятки километров. На деле же ни одна из льдин, образовавших кольца, в длину не больше 10 метров. Другое дело, если кольца Сатурна появились вместе с планетой! Тогда – из-за мощного противодействия гравитации – мелкие льдинки не смогли бы сбиться даже в комья размером с дом. Кроме этого, разрушение спутника, – это все-же случайность, а кольцами окружены все планеты-гиганты, потому в случайность не очень-то верится. Многие астрономы считают, что кольца вокруг планет сформировались одновременно с ними.

Значит, эти кольца состоят из вещества, которое сохранилось со времен возникновения Солнечной системы? В то время вокруг Солнца обращался огромный газопылевой диск, из материала которого одна за другой рождались планеты. Остатки же космических заготовок – все эти ледышки и пылинки – теперь вращались среди новоиспеченных планет, со временем скатываясь в комья спутников. Но те могут возникнуть только в некотором отдалении от планеты, иначе быстро разрушатся. Потому поблизости планет-гигантов какое-то время сохранялись фрагменты газопылевого диска, образовавшие в последствии отдельные кольца.

Из-за частых столкновений друг с другом, а также воздействия мощных приливных сил все эти крупицы и комья так и не составили один-единственный спутник. В случае если эта версия верна, материал колец все время пополняется веществом с поверхности спутников Сатурна – иначе бы кольца могли испариться за несколько сотен миллионов лет.

Обнаружение новых колец

Астрономы, между тем обнаруживают все новые кольца Сатурна. Так, некоторое время назад было замечено неизвестное ранее громадное кольцо. В принципе, системы колец планет-гигантов довольно малы по сравнению с самими планетами. По оценкам астрономов, их радиус не превышает 5-10 радиусов планеты. Так, радиус самого большого из известных до недавнего времени колец Сатурна – кольца E – не превышал 10 радиусов Сатурна (его экваториальный радиус – 60 тыс. км).

Как показали наблюдения, внешние кольца Сатурна все время подпитываются пылью, вылетающей с поверхности его спутников после столкновений с микрометеоритами. Именно из нее и состоит кольцо, обнаруженное лишь в 2009 г. Его радиус составляет от 100 до 200 радиусов Сатурна, и сформировано оно из пыли, выброшенной с поверхности Фебы, самого отдаленного и темного спутника планеты. Обнаружить новое кольцо смогли благодаря инфракрасному излучению, исходящему от него. В отличие от других колец Сатурна оно расположено не в экваториальной плоскости планеты, а в плоскости орбиты, по которой та обращается вокруг Солнца. Угол между двумя плоскостями составляет около 27 °.

Плотность этого кольца – только 20 частиц на кубический километр (!). По словам астронома Энн Вербискер из Виргинского университета, руководившей исследованиями, «частицы кольца расположены так далеко друг от друга, что, если оказаться внутри него, сразу даже не заметишь этого». Тем более, что размер частиц часто не превышает нескольких микрометров.

Похоже, что пылинки, которые вылетают из этого кольца, оседают на обращенную к нему поверхность еще одного спутника Сатурна, Япета. Это объясняет странный облик этой луны. Она отчетливо делится на две половины, светлую и темную. По оценке специалистов, высота слоя пыли, покрывающего одну из ее сторон, составляет от 20 сантиметров до нескольких метров.

Вот как они выглядят:

Кольца Сатурна необычайно тонки: хотя их диаметр около 250,000 км, их толщина не превышает 1.5 километров. Сатурн окружают три кольца (А, B и C), которые, как и экватор планеты, наклонены к плоскости ее орбиты под углом 26°45’. Есть и более слабые кольца – D, E, F. При ближайшем рассмотрении колец оказывается еще больше.

Внутренние части колец вращаются быстрее внешних.

Внешнее кольцо отделено от среднего темным промежутком - щелью Кассини. Среднее кольцо - самое яркое. От внутреннего кольца оно тоже отделено темным промежутком. Внутреннее темное и полупрозрачное кольцо называется креповым. Край его размыт, кольцо постепенно сходит на нет.

Эти кольца состоят из пыли, кусков льда и камней. Их размеры колеблются от сантиметра до нескольких метров.

Почему кольца плоские? Их форма - это результат действия двух сил: гравитационной (притяжения) и центробежной. Гравитационное притяжение стремится сжать их со всех сторон. Вращение колец препятствует сжатию поперек оси вращения, но не может помешать ее сплющиванию вдоль оси.

Откуда они появились? На этот счет существует две гипотезы.

Согласно первой теории, кольца появились в результате крушения неосторожного спутника, кометы или астероида, приблизившегося к Сатурну. Разрушение «чужеродного» тела могло произойти из-за влияния приливных сил гигантского Сатурна, буквально разорвавшего его "на клочки" своим мощным притяжением. Расчеты показали, что если бы спутник и образовался на таком расстоянии, на котором находятся кольца, то он был бы разорван под действием приливной силы на мелкие осколки.

По другой гипотезе, кольца Сатурна - это остатки огромного околопланетного облака. Из внешних областей этого облака сформировались спутники, а внутренние все еще пребывают в раздробленном состоянии, то есть в виде колец. Они не смогли сформировать спутники из-за непостоянного притяжения Сатурна, слишком беспорядочно вращались и соударялись, и из-за этого постоянно дробились, так что дошли до такого рыхлого состояния, что рассыпаются от малейшего толчка.

А знаете ли вы...

Первым кольца Сатурна обнаружил Галилео Галилей в 1610 году. Он увидел в свой телескоп очень расплывчатое изображение: Сатурн имел как бы два уха, или придатка: кольца Сатурна выглядели двумя туманными пятнами по бокам планеты. Галилей подумал, что это могут быть большие спутники: «Отдалённейшую из планет наблюдал тройною». По образному выражению Галилея, придатки напоминали «двух слуг, которые поддерживают старика Сатурна (бога времени у древних римлян) в его утомительном пути по небу».

Кроме колец Сатурн имеет 62 спутника. Самый известный и крупный – Титан. Это единственный спутник в Солнечной системе, на котором обнаружена атмосфера.

01.02.2018 21:37 1407

Почему у Сатурна есть кольца?

Планета Сатурн является второй по величине планетой в нашей солнечной системе и шестой по удалённости от Солнца. Вам ребята наверняка знакома эта планета из-за загадочных колец, которые окружают Сатурн.

А что представляют эти кольца и зачем они нужны?

Сейчас мы это узнаем.

Кольца Сатурна окружают планету в районе экватора – то есть посередине планеты. Их диаметр составляет приблизительно 250000 км. При этом толщина колец всего лишь 1.5 км.

Впервые кольца Сатурна увидел в телескопе итальянский астроном Галилео Галилей в 1610. Но он предположил, что видит не известные выпуклости по бокам планеты. То, что у Сатурна есть кольца, предположил нидерландский астроном Христиан Гюгенс, рассматривая планету в более мощный телескоп .

Самые большие по размеру кольца учёные обозначили буквами A,B и C. После них были обнаружены ещё три кольца. Их астрономы назвали D, E и F. На сегодняшний день учёные изучают Сатурн с помощью искусственного спутника Кассини. Им удалось открыть ещё много колец у этой необычной планеты!

Кольца Сатурна состоят из кусочков льда и камней. Их размеры могут быть с футбольный мяч, а могут с двухэтажный дом! Солнечные лучи попадая на ледяные камешки отражаются и в космосе образуется необычное сияние. Поэтому кольца Сатурна такие яркие, что их можно увидеть в телескопе.

Нет точного ответа на вопрос, как эти кольца образовались. Учёные предполагают, что когда-то Сатурна столкнулся с большим космическим телом. Возможно одним из своих спутников. При ударе Сатурн не пострадал, а вот другое космическое тело разлетелось на множество осколков. Теперь эти осколки вращаются вокруг планеты благодаря силе притяжения Сатурна. Есть предположение, что кольца Сатурна – это осколки его бывшего спутника. Из-за воздействия сил притяжения Сатурна спутник разрушился, а его осколки стали вращаться вокруг планеты. Некоторые учёные предполагают, что окружающие Сатурн астероиды и кусочки льда – это остатки околопланетного облака (космическая пыль). Из его внешних частей получились спутники Сатурна, а внутренние части остались в виде колец.

Кстати, а вы знали, ребята, что кроме Сатурна кольца есть ещё у Юпитера, Урана и Нептуна. Но они не такие большие и не такие яркие. Увидеть их можно только в очень мощный телескоп.