Кольцевая система Урана

Введение

Планетарная кольцевая система Урана

Кольца Урана занимают промежуточное положение по сложности между более обширной системой колец Сатурна и более простыми системами Юпитера и Нептуна. Кольца Урана были открыты 10 марта 1977 года Джеймсом Л. Эллиотом, Эдвардом В. Данхэмом и Джессикой Минк. Уильям Гершель также сообщал о наблюдениях колец в 1789 году; современные астрономы расходятся во мнениях относительно того, мог ли он их увидеть, поскольку они очень темные и слабые. К 1977 году было идентифицировано девять различных колец. Два дополнительных кольца были обнаружены в 1986 году на изображениях, полученных космическим аппаратом "Вояджер-2", а два внешних кольца были найдены в 2003–2005 годах на фотографиях, сделанных космическим телескопом "Хаббл". В порядке возрастания расстояния от планеты 13 известных колец обозначаются как 1986U2R/ζ, 6, 5, 4, α, β, η, γ, δ, λ, ε, ν и μ. Их радиусы варьируются от примерно 38 000 км для кольца 1986U2R/ζ до примерно 98 000 км для кольца μ. Между основными кольцами могут существовать дополнительные слабые пылевые полосы и неполные дуги. Кольца чрезвычайно темные — альбедо Бонда частиц колец не превышает 2%. Вероятно, они состоят из водяного льда с добавлением некоторого количества темной органики, подвергшейся воздействию радиации. Большинство колец Урана непрозрачны и имеют ширину всего в несколько километров. В кольцевой системе содержится мало пыли в целом; она состоит в основном из крупных тел диаметром от 20 см до 20 м. Некоторые кольца оптически тонкие: широкие и слабые кольца 1986U2R/ζ, μ и ν состоят из мелких частиц пыли, в то время как узкое и слабое кольцо λ также содержит более крупные тела. Относительное отсутствие пыли в кольцевой системе может быть связано с аэродинамическим сопротивлением расширенной экзосферы Урана. Считается, что кольца Урана относительно молоды и не старше 600 миллионов лет. Вероятно, кольцевая система Урана образовалась в результате столкновения и фрагментации нескольких спутников, которые когда-то существовали вокруг планеты. После столкновения спутники, вероятно, распались на множество частиц, которые сохранились в виде узких и оптически плотных колец только в строго ограниченных зонах максимальной стабильности. Механизм, ограничивающий узкие кольца, до конца не понятен. Первоначально предполагалось, что каждое узкое кольцо имеет пару близлежащих спутников-пастухов, удерживающих его форму. В 1986 году "Вояджер-2" обнаружил только одну такую пару пастухов (Корделию и Офелию) вокруг самого яркого кольца (ε), хотя позже было обнаружено, что слабое кольцо ν удерживается пастушьими спутниками Портией и Розалиндой.

The rings of Uranus are intermediate in complexity between the more extensive set around Saturn and the simpler systems around Jupiter and Neptune. The rings of Uranus were discovered on March 10, 1977, by James L. Elliot, Edward W. Dunham, and Jessica Mink. William Herschel had also reported observing rings in 1789; modern astronomers are divided on whether he could have seen them, as they are very dark and faint. By 1977, nine distinct rings were identified. Two additional rings were discovered in 1986 in images taken by the Voyager 2 spacecraft, and two outer rings were found in 2003–2005 in Hubble Space Telescope photos. In the order of increasing distance from the planet the 13 known rings are designated 1986U2R/ζ, 6, 5, 4, α, β, η, γ, δ, λ, ε, ν and μ. Their radii range from about 38,000 km for the 1986U2R/ζ ring to about 98,000 km for the μ ring. Additional faint dust bands and incomplete arcs may exist between the main rings. The rings are extremely dark—the Bond albedo of the rings' particles does not exceed 2%. They are probably composed of water ice with the addition of some dark radiation processed organics. The majority of Uranus' rings are opaque and only a few kilometres wide. The ring system contains little dust overall; it consists mostly of large bodies 20 cm to 20 m in diameter. Some rings are optically thin: the broad and faint 1986U2R/ζ, μ and ν rings are made of small dust particles, while the narrow and faint λ ring also contains larger bodies. The relative lack of dust in the ring system may be due to aerodynamic drag from the extended Uranian exosphere. The rings of Uranus are thought to be relatively young, and not more than 600 million years old. The Uranian ring system probably originated from the collisional fragmentation of several moons that once existed around the planet. After colliding, the moons probably broke up into many particles, which survived as narrow and optically dense rings only in strictly confined zones of maximum stability. The mechanism that confines the narrow rings is not well understood. Initially it was assumed that every narrow ring had a pair of nearby shepherd moons corralling it into shape. In 1986 Voyager 2 discovered only one such shepherd pair (Cordelia and Ophelia) around the brightest ring (ε), though the faint ν would later be discovered shepherded between Portia and Rosalind.

Открытие

Первое упоминание о системе колец Урана содержится в записях Уильяма Гершеля, подробно описывающих его наблюдения за Ураном в XVIII веке, включая следующий фрагмент: «22 февраля 1789 года: было высказано предположение о наличии кольца». Окончательное открытие колец Урана было сделано астрономами Джеймсом Л. Эллиотом, Эдвардом В. Данхэмом и Джессикой Минк 10 марта 1977 года с использованием Воздушной обсерватории Койпера, и произошло случайно. Они планировали использовать оккультацию звезды SAO 158687 Ураном для изучения атмосферы планеты. При анализе наблюдений они обнаружили, что звезда пять раз кратковременно исчезала из поля зрения как до, так и после того, как была закрыта планетой. Они пришли к выводу о существовании системы узких колец. Пять событий оккультации, которые они наблюдали, были обозначены греческими буквами α, β, γ, δ и ε в их публикациях. Эти обозначения с тех пор используются как названия колец. Позже они обнаружили четыре дополнительных кольца: одно между кольцами β и γ и три внутри кольца α. Первое было названо кольцом η. Последние получили названия кольца 4, кольца 5 и кольца 6 – в соответствии с нумерацией событий оккультации в одной из статей. Кольцевая система Урана была второй, открытой в Солнечной системе, после системы колец Сатурна. Кольца были получены в виде изображений непосредственно при пролете космического аппарата «Вояджер-2» через систему Урана в 1986 году.

Общие свойства

Как известно, кольцевая система Урана состоит из тринадцати отдельных колец. В порядке возрастания расстояния от планеты они следующие: 1986U2R/ζ, 6, 5, 4, α, β, η, γ, δ, λ, ε, ν, μ кольца. Несколько пылевых полос между кольцами были обнаружены аппаратом "Вояджер-2" в геометрии рассеяния вперед. Частицы колец демонстрируют резкий скачок яркости в оппозиции – увеличение альбедо при углах фазы, близких к нулю. Кольца слегка красноватые в ультрафиолетовой и видимой частях спектра и серые в ближней инфракрасной области. Они не проявляют выраженных спектральных особенностей. Химический состав частиц кольца неизвестен. Они не могут состоять из чистого водяного льда, как кольца Сатурна, поскольку они слишком темные, темнее, чем внутренние спутники Урана. Эксцентриситет кольца приводит к изменению его яркости на протяжении орбиты. Радиально интегрированная яркость ε-кольца максимальна вблизи апоапсиса и минимальна вблизи периапсиса. Геометрическая толщина ε-кольца точно не определена, однако известно, что кольцо чрезвычайно тонкое – по некоторым оценкам, его толщина составляет всего 150 м. Несмотря на такую незначительную толщину, оно состоит из нескольких слоев частиц. ε-кольцо – довольно плотное образование, с коэффициентом заполнения вблизи апоапсиса, оцениваемым различными источниками от 0,008 до 0,06. Сигнал проявлялся как сильное усиление рассеяния вперед на длине волны 3,6 см вблизи апоапсиса кольца. Такое сильное рассеяние требует наличия когерентной структуры. Наличие такой тонкой структуры в ε-кольце подтверждено многочисленными наблюдениями оккультации. Резкий внешний край δ-кольца находится в резонансе 23:22 с Корделией. Кольца α и β обладают значительным орбитальным эксцентриситетом и заметным наклоном.

Кольца 6, 5 и 4

Кольца 6, 5 и 4 — самые внутренние и тусклые из узких колец Урана. Кольцо λ чрезвычайно узкое — около 1–2 км — и имеет эквивалентную оптическую глубину 0,1–0,2 км при длине волны 2,2 мкм. Оптическая глубина кольца λ сильно зависит от длины волны, что нетипично для системы колец Урана. Эквивалентная глубина достигает 0,36 км в ультрафиолетовой части спектра, что объясняет, почему кольцо λ было первоначально обнаружено только в ходе ультрафиолетовых звездных оккультаций, зарегистрированных аппаратом «Вояджер-2». Кольцо располагалось на расстоянии от 37 000 до 39 500 км от центра Урана, или всего около 12 000 км над облаками. Оно не наблюдалось вновь до 2003–2004 годов, когда телескоп Кека обнаружил широкую и слабую полосу материала непосредственно внутри кольца 6. Это кольцо было названо кольцом ζ. Кольцо ζ было вновь зафиксировано во время пересечения плоскости колец в 2007 году, когда оно стало самым ярким элементом системы колец, затмив все остальные кольца вместе взятые. Кольцо μ является внешним из этой пары и находится в два раза дальше от планеты, чем яркое кольцо η. Это означает, что кольцо μ имеет голубой цвет, что, в свою очередь, указывает на преобладание в нем очень мелкой (субмикрометровой) пыли. В отличие от него, кольцо ν имеет слегка красноватый оттенок.

Динамика и происхождение

Выдающейся проблемой физики, определяющей поведение узких колец Урана, является их удержание. Без какого-либо механизма, удерживающего частицы вместе, кольца быстро рассеялись бы в радиальном направлении. Существующее объяснение заключается в том, что пара близлежащих спутников – внешний и внутренний «пастухи» – гравитационно взаимодействуют с кольцом, выступая в роли поглотителей и источников, соответственно, избыточного и недостаточного углового момента (или, эквивалентно, энергии). Таким образом, «пастухи» удерживают частицы кольца на месте, но сами постепенно удаляются от него. Поскольку кольца Урана кажутся молодыми, они должны постоянно возобновляться за счет столкновительного разрушения более крупных тел. (°)