Кольца Сатурна являются одними из самых великолепных, потрясающих и хорошо изученных объектов Солнечной системы. Однако их возраст установить было сложно. Образовались ли они миллиарды лет назад, когда планета и Солнечная система были молоды? Или они образовались за последние несколько сотен миллионов лет?
Последние новые исследования показывают, что культовые кольца на самом деле очень старые.
Впервые мы узнали о роскошных кольцах Сатурна сотни лет назад. Галилей был первым, кто их увидел, хотя в свой ранний телескоп он не смог определить, что это кольца. Очевидно, никто никогда раньше не видел ничего подобного, и он подумал, что это спутники. Когда он наблюдал за планетой два года спустя, «спутники» исчезли, что привело его в замешательство. Прошло еще два года, и когда он снова наблюдал Сатурн, они вернулись. Однако угол обзора изменился, и то, что он когда-то считал спутниками, оказалось своего рода «руками».
Десятилетия спустя Кристиан Гюйгенс имел гораздо лучший телескоп и пришел к выводу, что эти детали на самом деле представляют собой кольца. Он описал их как «тонкое плоское кольцо, нигде не касающееся планеты, наклоненное к плоскости эклиптики и окружающее планету, не касаясь ее».
Перенесемся в современную эпоху освоения космоса, и ученые теперь гораздо лучше рассмотрели Сатурн и его кольца. «Вояджер-1» и «Вояджер-2» открыли нам глаза на уникальные кольца Сатурна, когда они пролетали мимо планеты в 1980 и 1981 годах. Эти изображения начали раскрывать некоторую сложность колец, в том числе необычную форму «спиц». Тайна стала глубже.
Когда был запущен космический телескоп «Хаббл», он оживил кольца Сатурна своими потрясающими изображениями. Оно подтвердило, что кольца неоднородны и содержат множество более слабых внутренних колец и колечек. Было также обнаружено, что ледяные частицы из колец падают на Сатурн и помогают нагревать его атмосферу.
Однако больше всего о кольцах Сатурна раскрыл космический корабль Кассини. Он потратил 13 лет на исследование Сатурна, его спутников и колец.
Данные Кассини изменили наше представление о газовом гиганте. Учёные больше не были ограничены изображениями телескопа или мимолетными пролётами космического корабля «Вояджер». Кассини сделал беспрецедентные снимки Сатурна и его колец крупным планом и провел подробные измерения.
Кассини выявил сложную динамику колец и сложные детали, включая изломы и комки. Оно показало нам, как кольца меняются со временем из-за гравитации Сатурна и всех его спутников. Одним из крупнейших открытий является то, что кольца в основном состоят из водяного льда.
Однако ученые до сих пор не уверены, сколько именно лет этим кольцам. Разные исследователи приходят к разным результатам. Некоторые говорят, что им миллиарды лет, а другие говорят, что им всего 100 миллионов лет.
Новое исследование Nature Geoscience предполагает, что возраст колец не может составлять всего несколько сотен миллионов лет. Он называется «Сопротивление загрязнению частиц кольца Сатурна во время удара микрометеороида». Ведущий автор — Рюки Хёдо, планетолог, связанный с JAXA и несколькими университетами и космическими агентствами.
Молодые оценки возраста колец Сатурна основаны на их цвете. Они кажутся чистыми, несмотря на ожидаемую бомбардировку микрометеороидами. Модели, которые пришли к молодым оценкам, были основаны на высоких темпах аккреции микрометеороидов. Логика подсказывает, что если микрометеороиды бомбардируют частицы колец и эффективно срастаются, кольца должны быть намного темнее, чем кажутся. Следовательно, они должны быть молодыми. По оценкам, основанным на этом, возраст колец Сатурна составляет от 100 до 400 миллионов лет.
Однако эти модели основаны на высокоэффективной скорости аккреции микрометеороидов на ледяные частицы в кольцах.
В новом исследовании Хёдо и его коллеги-исследователи смоделировали сверхскоростное воздействие микрометеороидов на ледяные частицы. Они обнаружили, что прирост может быть не таким эффективным, как предполагали предыдущие исследования. Вместо этого неледяные микрометеориты могут испаряться, расширяться, а затем образовывать заряженные частицы и ионы.
Затем эти частицы покидают кольцевую систему посредством трех основных процессов. Они либо сталкиваются с Сатурном, либо покидают гравитационное поле планеты, либо электромагнитным путем втягиваются в атмосферу Сатурна.
Этот рисунок исследования суммирует результаты моделирования. а) Столкновение микрометеороида с Сатурном кольца возникают при скоростях удара ~30 км?с–1. б) Материалы ударника подвергаются сильным ударам (> 100 ГПа) и образуют горячий расширяющийся пар (> 10 000 К). Лишь небольшая часть частиц кольца (по массе сравнимая с ударником) испаряется. в) Образующийся при ударе пар расширяется с высокой скоростью (в среднем >14 км?с–1), образуя атомы/молекулы и образуя наночастицы в виде конденсата. Пары силиката более склонны к конденсации, чем пары воды. г) Атомы или молекулы ионизируются, наночастицы заряжаются в магнитосфере Сатурна, а материалы ударника удаляются из плоскости кольца в результате прямого столкновения с Сатурном, выхода из гравитационного поля Сатурна или втягивания в Сатурн в результате взаимодействия с электромагнитным полем. Изображение предоставлено: Hyodo et al. 2024. Фото: d, Центр космических полетов имени Годдарда НАСА.Важнейшая часть исследования и то, чем оно отличается от предыдущих исследований, касается эффективности аккреции микрометеоритов. Предыдущие модели использовали эффективность аккреции, превышающую или равную 10%. Однако это исследование показывает, что фактическая эффективность аккреции может быть намного ниже, больше или равна всего 1%. Это означает, что кольца могут быть намного старше и только кажутся чистыми, потому что микрометеороиды не аккрецируют так эффективно, как предполагалось, и не «пачкают» внешний вид колец.
«Таким образом, мы предполагаем, что очевидная молодость колец Сатурна может быть связана с устойчивостью к загрязнению, а не с указанием возраста молодого образования», — пишут авторы.
Это не последнее слово о кольцах Сатурна и их возрасте. У всех моделей есть ограничения, и Хёдо и его коллеги признают некоторые ограничения в своей модели. Их модель не учитывает пористость, прочность и зернистость кольцевых частиц.
Тем не менее, в исследовании подчеркивается, что действуют динамические силы, которые необходимо учитывать при эволюции планетных тел, и что некоторые из наших давних предположений необходимо подвергнуть сомнению.
