Системи кілець Сатурна: Історія та відкриття

Кільця Сатурна — це унікальна система планетарних кілець, що оточують цю планету. Вперше їх спостерігав Галілео Галілей у липні 1610 року. Спочатку астроном вважав, що розмиті структури, які він бачив, є двома супутниками, що наближаються до Сатурна, через обмеженість своїх методів. Однак незабаром його думка змінилася. Ці «незвичайні апендикси» не змінювали своєї позиції від ночі до ночі, а в 1612 році вони зникли з поля зору. Це сталося через те, що кільця стали орієнтованими в площині, видимій з Землі, і тому стали дуже слабкими. Подібне явище спостерігалося 4 вересня 2009 року, коли кільця знову зникли. Астрономи-аматори попередили про це, а NASA пояснила причину. Геометрія апендиксів викликала подив у астрономів, які навіть припустили, що це можуть бути ручки, прикріплені до Сатурна, або кілька супутників, що обертаються тільки навколо задньої частини планети, тому ніколи не відкидали тінь на сам Сатурн.

У 1655 році Християн Гюйгенс запропонував, що ці апендикси є видимими ознаками тонкого та плоского диска матерії, відокремленого від планети та розташованого в екваторіальному плані. В залежності від позицій Сатурна та Землі в їхніх орбітах навколо Сонця, нахил диска щодо Землі змінювався, що призводило до варіацій у його зовнішньому вигляді — від тонкої лінії до широкої еліпси. Цикл кілець, як і орбіта Сатурна, триває 30 років.

Протягом наступних двох століть вважалося, що диск є безперервним шаром матерії. Однак вже у 1675 році Джованні Кассіні виявив темну смугу (яка отримала його ім'я), що розділяла диск на два концентричні кільця.

Наприкінці XVIII століття П'єр-Сімон Лаплас довів, що для розриву єдиного шару матерії достатньо комбінованих сил тяжіння планети Сатурн і обертання диска. Кожна частинка диска підтримує свою радіальну відстань від Сатурна завдяки двом силам, які врівноважують одна одну: сила тяжіння тягне частинку всередину, а центробіжна сила виштовхує її назовні. Оскільки центробіжна сила виникає від швидкості обертання, диск повинен бути в русі. Проте в разі жорстко обертового диска сили врівноважуються лише для певної радіальної відстані. Тому Лаплас висунув гіпотезу, що кільця Сатурна складаються з багатьох тонких кілець, кожне з яких здатне витримувати незначний дисбаланс сил, що виникає вздовж його радіальної ширини.

Останній крок до сучасного розуміння кілець відбувся в 1857 році, коли Джеймс Клерк математично довів, що тонкі кільця насправді складаються з багатьох малих мас, що підтримують незалежні орбіти. Експериментальне підтвердження цієї гіпотези стало можливим у 1895 році, коли американські астрономи Джеймс Е. Кілер і Вільям В. Кемпбелл виявили, що кільця обертаються навколо Сатурна з іншою швидкістю, ніж атмосфера планети. Крім того, внутрішні частини кілець оберталися швидше, ніж зовнішні, відповідно до фізичних законів для частинок на незалежних орбітах.

Основна частина системи кілець Сатурна включає яскраві кільця A та B, які мають низьку щільність. Між ними розташована смуга шириною 5000 км, відома як Розподіл Кассіні, регіон, що є відносно прозорим, хоча й не пустим. Основна система кілець Сатурна також містить кільце C, яке є більш слабким і менш щільним, розташованим всередині внутрішнього краю кільця B. Його щільність порівнянна з щільністю Розподілу Кассіні. Ще більш слабке кільце D розташоване всередині кільця C. Перед проходженням «Вояджерів» поблизу Сатурна вже було визнано структурну конфігурацію кілець A, B, C та D, які можна спостерігати з Землі, а також Розподіли Кассіні та Енке. У сукупності основні кільця Сатурна (A, B та C) мають ширину близько 275 000 км, що становить три чверті відстані між Землею та Місяцем. Кільце A розділене на дві частини Розподілом Енке.

Крім того, супутники Прометей та Пандора є пастушими супутниками, які формують кільце F Сатурна, ширина якого становить 80 км.

Більшість порожнин у кільцях Сатурна виникають через присутність пастуших супутників. Наприклад, Мімас відповідає за утворення найбільшої з них — Розподілу Кассіні.

В порівнянні з шириною, товщина кілець Сатурна є незначною. Верхній межа їх вертикального простору оцінюється приблизно в один кілометр. У відношенні до своєї ширини кільця є тисячі разів тоншими за лезо бритви.

Спостереження, проведені за допомогою інфрачервоного телескопа Спітцер, дозволили виявити існування ще одного, більш зовнішнього та слабкого кільця, що асиметрично простягається в радіусі від 6 до 12 мільйонів кілометрів, нахиленого на 27 градусів щодо екватора Сатурна. Його джерелом, можливо, є супутник Феба, і це кільце отримало назву кільце Феби.