КО́ЛЬЦА ПЛАНЕ́Т

КО́ЛЬЦА ПЛАНЕ́Т, об­ра­зо­ва­ния, об­ра­щаю­щие­ся во­круг пла­не­ты в её эк­ва­то­ри­аль­ной плос­ко­сти и имею­щие вид дис­ка. К. п. рас­по­ло­же­ны на оп­ре­де­лён­ном рас­стоя­нии от пла­не­ты и со­сто­ят из со­во­куп­но­сти твёр­дых час­тиц не­боль­шо­го раз­ме­ра, пред­став­ляю­щих со­бой прак­ти­че­ски бес­ко­неч­ное чис­ло мел­ких спут­ни­ков пла­не­ты. В Сол­неч­ной сис­те­ме коль­ца­ми об­ла­да­ют все пла­не­ты-ги­ган­ты, у пла­нет зем­ной груп­пы ко­лец нет. Наи­бо­лее из­вест­на сис­те­ма ко­лец Са­тур­на (впер­вые на­блю­дал Г. Га­ли­лей в 1610; Х. Гюй­генс в 1655 ус­та­но­вил, что это сис­те­ма ко­лец). У др. пла­нет-ги­ган­тов коль­ца от­кры­ты лишь в 1970–80-х гг. (у Ура­на – при по­кры­тии им звез­ды, у Юпи­те­ра и Неп­ту­на – при про­лё­те вбли­зи пла­нет КА «Во­яд­жер»).

Структура колец

Коль­цо Юпи­те­ра рас­по­ло­же­но на рас­стоя­нии 50 тыс. км от ус­лов­ной гра­ни­цы в ат­мо­сфе­ре пла­не­ты (с дав­ле­ни­ем ок. 1 атм) и име­ет ши­ри­ну ок. 1000 км. Коль­цо пред­став­ля­ет со­бой об­ласть от­но­си­тель­но ма­лой плот­но­сти, за­пол­нен­ную пре­им. си­ли­кат­ны­ми час­ти­ца­ми ма­ло­го раз­ме­ра (ме­нее 10^–5 м), при­даю­щи­ми об­лас­ти оран­же­ва­тый цвет. По на­прав­ле­нию к Юпи­те­ру и от не­го эту об­ласть про­дол­жа­ет диф­фуз­ная ту­ман­ность бо­лее или ме­нее од­но­род­ной струк­ту­ры.

Рис. 1. Сатурн (с кольцами и спутниками) в контрастных искусственных цветах. Снимок космического телескопа «Хаббл».

Коль­ца Са­тур­на об­ла­да­ют зна­чи­тель­но бо­лее слож­ной струк­ту­рой. В них вы­де­ля­ют семь об­лас­тей (зон). Три осн. кон­цен­трич. зо­ны: внеш­нее коль­цо А, наи­бо­лее яр­кое сред­нее коль­цо В (эти коль­ца мож­но на­блю­дать да­же в обыч­ный би­нокль) и до­воль­но про­зрач­ное «кре­по­вое» внутр. коль­цо С, не имею­щее рез­кой гра­ни­цы (рис. 1). Коль­ца A и B раз­де­ле­ны т. н. ще­лью Кас­си­ни ши­ри­ной ок. 4700 км, коль­ца B и C – т. н. ще­лью Мак­свел­ла ши­ри­ной ок. 270 км. Наи­более близ­кую к пла­не­те внутр. об­ласть коль­ца С вы­де­ля­ют как коль­цо D. У внеш­ней гра­ни­цы коль­ца А на­хо­дит­ся очень уз­кое коль­цо F не­ре­гу­ляр­ной фор­мы, за ко­то­рым рас­по­ло­же­но коль­цо G и са­мое внеш­нее, прак­ти­че­ски про­зрач­ное коль­цо Е. Внеш­няя гра­ни­ца коль­ца А на­хо­дит­ся на рас­стоя­нии ок. 75 тыс. км от ус­лов­ной гра­ни­цы в ат­мо­сфе­ре пла­не­ты (с дав­ле­ни­ем 1 атм), внутр. гра­ни­ца коль­ца С – на рас­стоя­нии ок. 20 тыс. км. Т. о., про­тя­жён­ность чёт­ко раз­ли­чи­мых ко­лец Са­тур­на – ок. 55 тыс. км, в то вре­мя как их тол­щи­на не пре­вы­ша­ет 3,5 км. Пре­об­ла­даю­щий раз­мер час­тиц ко­лец – неск. сан­ти­мет­ров, но встре­ча­ют­ся так­же час­ти­цы с ха­рак­тер­ным раз­ме­ром неск. мик­ро­мет­ров и круп­ные фраг­мен­ты раз­ме­ром в еди­ни­цы и де­сят­ки мет­ров. Мел­кие час­ти­цы уча­ст­ву­ют в об­ра­зо­ва­нии пы­ле­вой плаз­мы, на­хо­дя­щей­ся над плос­ко­стью коль­ца B. Пы­ле­вая плаз­ма об­ра­зу­ет ра­ди­аль­ные тём­ные по­ло­сы (т. н. спи­цы – dark spokes), кон­тро­ли­руе­мые маг­нит­ным по­лем пла­не­ты. Уг­ло­вая ско­рость «спиц» (в от­ли­чие от ке­п­ле­ро­вой ско­ро­сти час­тиц ко­лец) сов­па­да­ет с уг­ло­вой ско­ро­стью соб­ст­вен­но­го вра­ще­ния пла­не­ты. Плот­ность ко­лец не ве­ли­ка – сквозь них про­све­чи­ва­ют звёз­ды. По дан­ным ИК-спек­тро­мет­рии, час­ти­цы ко­лец Са­тур­на, ве­ро­ят­но, со­сто­ят из во­дя­но­го льда или по­кры­тых льдом час­тиц др. хи­мич. со­ста­ва. Сум­мар­ная мас­са час­тиц ко­лец при­мер­но со­от­вет­ст­ву­ет спут­ни­ку диа­мет­ром ок. 200 км. В со­от­вет­ст­вии с за­ко­на­ми Ке­п­ле­ра, ско­рость дви­же­ния час­тиц во внутр. зо­не коль­ца боль­ше, чем во внеш­ней.

Рис. 2. Уран (с кольцами и спутниками) в контрастных искусственных цветах. Снимок космического телескопа «Хаббл».

Эк­ва­тор Са­тур­на на­кло­нён к плос­ко­сти эк­лип­ти­ки под уг­лом 27°, по­это­му в раз­ных точ­ках ор­би­ты пла­не­ты коль­ца при на­блю­де­нии с Зем­ли вид­ны под раз­ны­ми уг­ла­ми. При наи­бо­лее бла­го­при­ят­ной кон­фи­гу­ра­ции вид­на вся их ши­ри­на – на­блю­да­ет­ся т. н. рас­кры­тие ко­лец. В др. пре­дель­ном слу­чае коль­ца вы­гля­дят как очень тон­кая по­лос­ка, ви­ди­мая лишь в круп­ные те­ле­ско­пы. Это про­ис­хо­дит, ко­гда плос­кость ко­лец про­хо­дит точ­но че­рез центр Солн­ца и их бо­ко­вая по­верх­ность ока­зы­ва­ет­ся не­ос­ве­щён­ной ли­бо ко­гда коль­ца об­ра­ще­ны к на­блю­да­те­лю на Зем­ле «реб­ром». Пе­ри­од об­ра­ще­ния Са­тур­на во­круг Солн­ца и, со­от­вет­ст­вен­но, пол­ный цикл из­ме­не­ния фаз ко­лец со­став­ля­ет ок. 29,5 лет.

Коль­ца Ура­на (рис. 2) очень тём­ные и уз­кие, со­сто­ят из час­тиц, не имею­щих ле­дя­ной обо­лоч­ки. К кон. 2008 у Ура­на от­кры­то 13 ко­лец, обо­зна­чае­мых бу­к­ва­ми греч. ал­фа­ви­та (α, β, γ,…). Са­мое круп­ное из этих ко­лец (ε) име­ет не­рав­но­мер­ную ши­ри­ну и фор­му. Плоскость колец Урана почти перпендикулярна плоскости эклиптики.

Коль­ца Неп­ту­на об­ра­зо­ва­ны тём­ны­ми час­ти­ца­ми и со­сто­ят из че­ты­рёх уз­ких зон. Они от­ли­ча­ют­ся ещё бо­лее не­ре­гу­ляр­ной фор­мой и пе­ре­мен­ной плот­но­стью, по­это­му вы­гля­дят со­стоя­щи­ми из отд. «арок». Два наи­бо­лее ха­рак­тер­ных коль­ца с ар­ка­ми на­зва­ны в честь учёных Дж. К. Адам­са и У. Ле­ве­рье, пред­ска­зав­ших су­ще­ст­во­ва­ние Не­п­ту­на пу­тём рас­чё­та его ор­би­ты.

Формирование колец

Об­ра­зо­ва­ние сис­тем ко­лец во­круг пла­нет-ги­ган­тов яв­ля­ет­ся пря­мым след­ст­ви­ем за­ко­нов ме­ха­ни­ки и на­по­ми­на­ет про­цесс фор­ми­рова­ния пла­нет. Все коль­ца на­хо­дят­ся внут­ри т. н. Ро­ша пре­де­ла – об­лас­ти, в ко­то­рой спут­ник пла­не­ты мо­жет быть ра­зо­рван на час­ти за счёт при­лив­ных сил. Этот эф­фект пре­пят­ст­ву­ет кон­со­ли­да­ции час­тиц, на­хо­дя­щих­ся вбли­зи пла­не­ты, и, со­от­вет­ст­вен­но, об­ра­зо­ва­нию круп­ных спут­ни­ков. Совр. кон­фи­гу­ра­ция ко­лец обя­за­на сво­им про­ис­хо­ж­де­ни­ем влия­нию гра­ви­тац. при­тя­же­ния спут­ни­ков пла­не­ты, на­хо­дя­щих­ся в бли­жай­ших ок­ре­ст­но­стях (или да­же внут­ри) струк­ту­ры ко­лец и на­зы­вае­мых по этой при­чи­не «пас­ту­ха­ми». Час­ти­цы ко­лец, са­ми пред­став­ляю­щие со­бой ма­лень­кие спут­ни­ки, ока­зы­ва­ют­ся в ре­зо­нан­сах с бо­лее круп­ны­ми спут­ни­ка­ми пла­не­ты (т. е. от­но­ше­ние пе­рио­да их об­ра­ще­ния к пе­рио­ду об­ра­ще­ния спут­ни­ка вы­ра­жа­ет­ся про­стой дро­бью – ¹/₂, ²/₃ и т. п.). Это при­во­дит к на­ру­ше­нию од­но­род­ной струк­ту­ры ко­лец, в ча­ст­но­сти к об­ра­зо­ва­нию внут­ри них ще­лей (напр., ще­ли Кас­си­ни в коль­цах Са­тур­на), по сво­ей при­ро­де ана­ло­гич­ных «пус­тым» об­лас­тям (т. н. лю­кам Кир­кву­да) в Глав­ном поя­се ас­те­рои­дов (см. Ас­те­рои­ды). Те же при­чи­ны вы­зы­ва­ют ге­не­ра­цию волн плот­но­сти, фор­ми­ро­ва­ние ие­рар­хич. струк­ту­ры ко­лец и их рас­слое­ние на ты­ся­чи тон­ких спи­раль­ных ко­ле­чек (ringlets), на­блю­дае­мых в струк­ту­ре осн. ко­лец Са­тур­на (рис. 3).

Рис. 3. Кольца Сатурна. Снимок космического аппарата «Вояджер-2».

На­ли­чие спут­ни­ков с очень близ­ки­ми ор­би­та­ми при­во­дит так­же к эф­фек­ту гра­ви­тац. фо­ку­си­ров­ки и кон­цен­тра­ции час­тиц в тон­ких коль­цах Ура­на и к об­ра­зова­нию сгу­ст­ков час­тиц (арок), дрей­фую­щих в ази­му­таль­ном на­прав­ле­нии у ко­лец Неп­ту­на. Ме­ха­низм об­ра­зо­ва­ния арок до кон­ца не по­нят, хо­тя од­ним из объ­яс­не­ний слу­жит на­ли­чие ре­зо­нан­сов час­тиц ко­лец со спут­ни­ком Неп­ту­на Га­ла­те­ей, по­сколь­ку экс­цен­три­си­те­ты и на­кло­не­ния ор­бит час­тиц и спут­ни­ка прак­ти­че­ски од­ни и те же. Ре­зо­нан­сы пре­пят­ст­ву­ют рав­но­мер­но­му рас­пре­де­ле­нию час­тиц вдоль ор­би­ты. Т. о., К. п. пред­став­ля­ют со­бой слож­ную от­кры­тую сис­те­му час­тиц, на­хо­дя­щих­ся в ор­би­таль­ном дви­же­нии и од­но­вре­мен­но ис­пы­ты­ваю­щих хао­тич. взаи­мо­дей­ст­вия. В ре­зуль­та­те в сис­те­ме воз­ни­ка­ет эф­фект са­мо­ор­га­ни­за­ции, соз­даю­щий упо­ря­до­чен­ность в кон­фи­гу­ра­ци­ях ко­лец (в пер­вую оче­редь за счёт воз­ник­но­ве­ния кол­лек­тив­ных про­цес­сов и на­ли­чия в дис­ко­вой сис­те­ме не­уп­ру­гих столк­но­ве­ний мак­ро­час­тиц). Ме­ха­низм са­мо­ор­га­ни­за­ции за­ло­жен в са­мой сис­те­ме; близ­кие спут­ники пла­не­ты ока­зы­ва­ют на про­цесс до­пол­нит. «сти­му­ли­рую­щее» влия­ние.

Су­ще­ст­ву­ют две осн. ги­по­те­зы про­ис­хо­ж­де­ния К. п.: 1) об­ра­зо­ва­ние ко­лец из час­тиц про­то­пла­нет­но­го об­ла­ка (из ко­то­рых сфор­ми­ро­ва­лись спут­ни­ки вне пре­де­ла Ро­ша); 2) воз­ник­но­ве­ние К. п. в ре­зуль­та­те рас­па­да ас­те­рои­да или ко­ме­ты, по­пав­ших внутрь пре­де­ла Ро­ша. Ха­рак­тер­ным при­ме­ром по­след­не­го со­бы­тия слу­жит коль­цо Юпи­те­ра. В поль­зу вто­рой ги­по­те­зы го­во­рит так­же оцен­ка вре­ме­ни су­ще­ст­во­ва­ния ко­лец – ок. 0,5 млрд. лет, что су­ще­ст­вен­но мень­ше воз­рас­та Сол­неч­ной сис­те­мы (ок. 4,5 млрд. лет). В рам­ках этой ги­по­те­зы нуж­но счи­тать, что К. п. пе­рио­ди­че­ски воз­ни­ка­ют и ис­че­за­ют в ре­зуль­та­те гра­ви­тац. за­хва­та пла­не­той ма­ло­го те­ла и его по­сле­дую­ще­го раз­ру­ше­ния. Дру­гим ар­гу­мен­том, под­твер­ждаю­щим ги­по­те­зу рас­па­да, мо­гут слу­жить, напр., пре­иму­ще­ст­вен­но ле­дяные час­ти­цы ко­лец Са­тур­на. Эти час­ти­цы об­ла­да­ют вы­со­ким аль­бе­до, т. е. не по­кры­ты тём­ным мик­ро­ме­те­ор­ным ве­ще­ст­вом, как это про­изош­ло бы с ре­лик­то­вы­ми коль­ца­ми за вре­мя су­ще­ст­во­ва­ния Сол­неч­ной сис­те­мы.