Уран с кольцами

Кольца Урана

Кольца Урана представлены окружающей планету системой, находящейся в промежуточном положении между кольцами Сатурна, Юпитера, Нептуна. Открытие первых девяти элементов произошло 10 марта 1977 г. силами Джеймса Эллиота, Дугласа Минка, Эдварда Данхэма. Впоследствии случилось открытие ещё четырёх элементов. Для этого использовалось космическое устройство «Вояджер-2» (1986 г.) и телескоп «Хаббл» (2003-2005 гг.).

Краткая историческая справка

За 200 лет до этих значимых событий кольца Урана не раз упоминались в астрономической науке. Например, Уильям Гершель предоставлял информацию о проводимых наблюдениях. Однако астрономы современности имеют сомнения в вероятности такого открытия в связи со слабостью и тусклостью колец. Ведь они просто не могли быть обнаружены с использованием оборудования того времени.

Первое полученное изображение кольца 1986U2R/ζ

В 2008 г. земному миру было открыто 13 колец. Есть вероятность нахождения между основными элементами более слабых дуг и скоплений. Все известные человечеству кольца являются тёмными и имеют уровень альбедо, не превышающий 2%. Есть предположение, что в их составе присутствует водяной лёд, а также органические вещества.

Самое первое упоминание о рассматриваемой системе приходится на 22 февраля 1789 года. В примечаниях к наблюдениям Уильям Гершель отметил, что, возможно, кольца существуют у Урана. Предположительно они имеют красный цвет. Эти записи впоследствии оказались в журнале Королевского общества в 1797 году. Однако на протяжении следующих двух столетий эти кольца вовсе не упоминались. Это дало основания для подозрения того факта, что Гершелем была допущена колоссальная ошибка. Тем не менее, наблюдения со счетов не сброшены, а их результаты имеют вес в астрономическом обществе.

Окончательное подтверждение факта присутствия в системе Урана колец приходится на 10 марта 1977 года. Это было сделано тремя учёными, которые и признаны как первооткрыватели. Данное открытие произошло совершенно случайно, когда эти люди планировали вести наблюдения за состоянием атмосферы планеты Уран (при наблюдении за звездой). Но в процессе ими было обнаружено сокращение блеска звезды несколько раз. Это явление привело к открытию 9-ти новых колец Урана.

После этого к поверхности планеты было отправлено специальное космическое устройство «Вояджер-2», это позволило совершить открытие ещё двух колец. В 2005 г. с использованием телескопа «Хаббл» случилось открытие ещё двух колец, которые не были известны ранее. В 2006 г. появилась возможность различения цветов этих колец. Выяснилось, что один объект синий, второй – красный.

μ и ν — кольца Урана (R/2003 U1 и U2), обнаруженные телескопом «Хаббл» в 2005

Описательные характеристики

Кольца Урана представлены 13-ю единицами. Условно они могут быть разделены на три категории. Девять объектов являются узкими, два – пылевыми, два – внешними. В их составе преобладают небольшие частицы, а также пыль. Наряду с ними, вероятно, существуют неразличимые полосы пыли с тонкими колечками. Есть мнение, что их существование является временным, а в составе имеется несколько отдельных дужек, которые обнаруживаются при покрытии звезды планетного типа.

Все элементы состоят из тёмного вещества. Их альбедо не превышает 5-6%. Наряду с этим представители учёного мира обнаружили существенный оппозиционный эффект, в рамках которого увеличивается отображающая способность и уменьшение размера угла. Внешне кольца кажутся красноватыми по цвету, никаких спектральных нюансов они не имеют.

Химический состав, которым наделены кольца Урана, в настоящее время неизвестен. Однако тот факт, что чистого водяного льда в них не имеется, доказан. Ведь они являются чрезмерно тёмными. Сама природа вещества до сих пор неизвестна, но скорее всего она является органической. По ещё одной версии элементы состоят из чрезмерно преобразованного вещества, которое схоже с составом внутренних урановых спутников.

В целом элементы данной системы не имеют сходств ни с тусклыми пылевыми кольцами, принадлежащими Юпитеру, ни с широкими сложными элементами, относящимися к Сатурну. Некоторые из них обладают чрезмерной яркостью, чему способствуют частички водяного льда. А пылевые скопления, образованные между ними, могут быть схожи с элементами Юпитера.

Схема колец и орбит спутников Урана

Группа узких колец

Узкие кольца Урана представлены следующими элементами (с описанием):

  • эпсилон (он является наиболее ярким и обладает максимальной во всей системе плотностью, это вытянутый объект, ширина которого меняется в зависимости от конкретной области, среднее значение – 150 м);
  • дельта (кольцо является круглым и обладает незначительным уровнем наклонения, имеются азимутальные перемены глубины, ширины, определить эти показатели с помощью «Вояджера-2» пока не удалось);
  • гамма (этот элемент является узким и достаточно плотным, значение его эксцентриситета невелико, а орбитальное наклонение близится к нулю, показатель ширины варьирует от 3,6 до 4,7 км);
  • эта (уровень наклонения и значение эксцентриситета приближается к нулю, в составе имеется 2 компонента – узкий и широкий, определить ширину удалось за счёт полученных из космоса изображений);
  • альфа и бета (это самые яркие объекты во всей системе, однако данный показатель является вариабельный в неодинаковых участках, с геометрической точки зрения они являются тонкими, а пыль на них отсутствует);
  • 4, 5, 6 (эти объекты являются наиболее тусклыми и максимально приближёнными к планете, они обладают максимальным уровнем наклонения и орбитальных эксцентриситетов).

Группа пылевых колец

Пылевые кольца Урана представлены следующими разновидностями:

  • лямбда (открытие произошло в 1986 году, элемент является узким и тусклым, периодически на нем происходят азимутальные изменения);
  • дзета (оно является широким и в то же время слабым по светимости, обнаружение произошло с использованием «Вояджера-2»);
  • прочие пылевые полосы (они являются слабыми и во время покрытий незаметны, значение оптической глубины незначительное).

Кольца крупным планом (сверху вниз: δ, γ, η, β и α). У кольца η видно широкий оптически тонкий компонент

Группа внешних колец

Внешние объекты представлены элементами с названиями R/2003 U1 и U2 (Мю и Ню соответственно), они были обнаружены в 2003-2005 гг. Кольцо Мю в рамках данной пары относится к внешней группе и располагается вдвое дальше от планеты. Есть вероятность, что в его составе присутствует исключительно пыль, а крупных частиц не имеется.

Динамика и версия (теория) происхождения

Кольца Урана, а точнее их границы, обладают уникальным и интересным механизмом удержания. Если бы этой системы не было, происходило бы постепенное размывание, и кольцевая система не смогла бы просуществовать более миллиона лет. Однако нынешний её возраст является крайне молодым, поэтому происходит непрерывное пополнение элементами столкновения между более крупными объектами. Что касается происхождения пылевых полос, оно является более ясным. Пыль существует в течение непродолжительного отрезка времени и регулярно пополняется вследствие столкновения между большими частицами и некрупными спутниками.

Таким образом, кольцевая система планеты Уран является насыщенной и имеет несколько версий происхождения.

Внутренние 9 колец, снимок Вояджера-2

Планета Уран имеет систему колец. Они занимают промежуточное положение между более широкими кольцами Сатурна и совсем простым вокруг Юпитера и Нептуна. Они были открыты 10 марта 1977 года Джеймсом Эллиотом, Эдвардом Данхэмом и другими.
Два дополнительных кольца были обнаружены в 1986 году на снимках переданных межпланетным зондом Вояджером-2. Еще 2 внешних были найдены в 2003-2005 годах с помощью космического телескопа Хаббла.

В настоящее время известны 13 колец

Они находятся в промежутке от 38000 км до 98000 км. Также вероятно существование дополнительных слабых полос пыли и неполных дуг между основными. Они состоят из очень темных частиц, альбедо которых не превышает 2%. Они, вероятно, состоят из водяного льда с примесью темных органических веществ.

Большинство колец Урана непрозрачны и размером только несколько километров в ширину. Система в общем содержит мало пыли и состоит из крупных тел диаметром 0,2-20 м.

Некоторые тонкие кольца Урана состоят из мелких частиц пыли, в то время как другие могут содержать более крупные тела.

Отсутствие пыли связано с аэродинамическим сопротивлением экзосферы Урана. Они относительно молодые, их возраст не более 600 миллионов лет. Система колец, вероятно, образовалась из остатков спутников, которые когда-то существовали на орбите планете. После столкновения, луны распались на множество частиц, которые сохранились в виде узких и оптически плотных колец только в ограниченных зонах максимальной стабильности.

Cпутники Корделия и Офелия, снимок Вояджера-2

Механизм, формирующий узкую форму кольца, не совсем понятен. Изначально предполагалось, что каждое узкое кольцо имеет пару спутников «пастухов» поддерживающих их форму. Тем не менее, в 1986 году Вояджер-2 обнаружил только одну такую ​​пару спутников (Корделия и Офелия) вокруг яркого кольца ε.

Они разделены на три группы

Девять узких основных колец, два пылевых и два внешних. Слабые кольца и полосы пыли могут существовать только временно или состоять из нескольких отдельных дуг, которые иногда выявляются в ходе покрытий Ураном какой нибудь звезды.

Кольца Урана в прямом и рассеянном свете, снимок Вояджера-2

Частицы в оппозиции демонстрируют увеличение яркости. Это означает, что их альбедо намного ниже, когда они наблюдаются не в рассеянном свете. Они имеют красноватый цвет в ультрафиолетовой и видимой частях спектра и серый в ближнем инфракрасном диапазоне.

Химический состав частиц неизвестен. Тем не менее, они не могут состоять из чистого водяного льда, как у Сатурна, потому что слишком темные, темнее, чем внутренние спутники.

Это означает, что они, вероятно, состоят из смеси льда и темного материала. Природа этого материала не ясна, но это может быть органическим соединением значительно почерневшим от заряженных частиц магнитосферы Урана.

Новое кольцо Урана

Пунктирная линия показывает положение внутреннего нового кольца, обнаруженного с помощью космического телескопа Хаббл и подтвержденного наземными наблюдениями с помощью телескопа Кек II на Гавайях. На фото сверху показана ранее известная система колец, а в нижней части фото показан расширенный вид слабых колец снятых в инфракрасном диапазоне телескопом Кек. Также, Хабблом было найдено еще одно новое внешнее кольцо, но оно не было обнаружено телескопом Кек. Это говорит о том, что оно содержит меньше пыли, чем внутреннее, и его труднее обнаружить. Новые открытия сделаны в видимом свете с помощью усовершенствованной камеры Хаббла. Слабые, пыльные кольца на орбите Урана, лежат далеко за пределами ранее известных 11.

Галерея снимков

Кольцо Эпсилон

Изменение видимого положения колец Урана со временем

Изменение положения с годами

Изменение положения с годами

Изменение положения с годами

Снимок в рассеянном свете

Изображение в искусственных цветах
Источник

Возникновение колец Урана и сколько у него спутников

Уран является необычной планетой солнечной системы, а система его спутников и колец совсем не походит на другие планетные системы. Развитие космической техники и мощности телескопов в конце 20 века позволили установить большое количество спутников планеты и сложность состава ее колец. Природа вещества, составляющего кольца, до сих пор не установлена даже предположительно. Астрономы определились только с одним: льда в кольцах планеты крайне мало, что нельзя считать обычным космическим явлением.

Кольца по космическим меркам молоды, но различные группы ученых расходятся на 200 тысяч лет в определении момента их возникновения.

Спутники

Небесные тела, двигающиеся вокруг Урана, отличаются от спутников других планет солнечной системы тем, что в отличие от них названы не в честь героев древнегреческого эпоса, а в честь литературных персонажей английских писателей. Такие названия им присвоили первооткрыватели отец и сын Гершель.

Всего спутников у планеты обнаружено на данный момент 27. Четыре из них были открыты в 18 веке, а пятый спутник, Миранду, открыли в 1948 году.

В 1986 году при помощи аппарата «Вояджер-2», пролетавшего мимо Урана, было открыто еще 10 маленьких спутников, наименьший из которых имеет диаметр всего 26 км. Крошечные спутники были обнаружены телескопом «Хаббл», несмотря на их интенсивно черный цвет. Все спутники, принадлежащие ледяному гиганту, вращаются вокруг планеты в плоскости ее экватора.

Список названий спутников Урана

Расположены в списке по степени удалённости от планеты

СПУТНИКИ

Номер Название

(жирным шрифтом отмечены сфероидальные спутники)

Средний диаметр (км) Большая полуось (км)

Открытие

Внутренние спутники:

1 Уран VI Корделия 42 ± 6 49 751 20 января 1986, «Вояджер-2»
2 Уран VII Офелия 46 ± 8 53 764 20 января 1986, «Вояджер-2»
3 Уран VIII Бианка 54 ± 4 59 165 23 января 1986, «Вояджер-2»
4 Уран IX Крессида 82 ± 4 61766 9 января 1986, «Вояджер-2»
5 Уран X Дездемона 68 ± 8 62 658 13 января 1986, «Вояджер-2»
6 Уран XI Джульетта 106 ± 8 64 360 3 января 1986, «Вояджер-2»
7 Уран XII Порция 140 ± 8 66 097 3 января 1986, «Вояджер-2»
8 Уран XIII Розалинда 72 ± 12 69 927 13 января 1986,»Вояджер-2″
9 Уран XXVII Купидон 18 74 800 25 августа 2003, «Хаббл»
10 Уран XIV Белинда 90 ± 16 75 255 13 января 1986, «Вояджер-2»
11 Уран XXV Пердита 30 ± 6 76 420 18 мая 1999 (по снимкам от 18 января 1986), «Вояджер-2»
12 Уран XV Пак 162 ± 4 86 004 30 декабря 1985, «Вояджер-2»
13 Уран XXVI Маб 25 97 734 25 августа 2003, «Хаббл»

Крупные спутники:

14 Уран V Миранда 471,6 ± 1,4 129 390 16 февраля 1948, обсерватория Макдональд, Техас
15 Уран I Ариэль 1157,8 ± 1,2 191 020 24 октября 1851, (по снимкам от 18 января 1986), «Вояджер-2»
16 Уран II Умбриэль 1169,4 ± 5,6 266 300 24 октября 1851, (по снимкам от 18 января 1986), «Вояджер-2».

Самый темный спутник

17 Уран III Титания 1577,8 ± 3,6 435 910 11 января 1787, Уильям Гершель.

Один из самых больших спутников планет солнечной системы, имеет атмосферу из углекислого газа

18 Уран IV Оберон 1522,8 ± 5,2 583 520 11 января 1787, Уильям Гершель.

Второй по величине темный спутник с четко выраженной ледяной мантией вокруг ядра

Нерегулярные спутники:

19 Уран XXII Франциско 22 4 276 000 13 августа 2001
20 Уран XVI Калибан 98 7 231 000 6 сентября 1997, обсерватория Паломар (Калифорния, США)
21 Уран XX Стефано 20 8 004 000 18 июля 1999
22 Уран XXI Тринкуло 10 8 504 000 13 августа 2001, обсерватория Серро-Тололо
23 Уран XVII Сикоракса 190 12 179 000 6 сентября 1997, Обсерватория Паломар (Калифорния, США)
24 Уран XXIII Маргарита 11 14 345 000 29 августа 2003, обсерватория Мауна-Кеа
25 Уран XVIII Просперо 30 16 256 000 18 июля 1999, обсерватория Мауна-Кеа
26 Уран XIX Сетебос 30 17 418 000 18 июля 1999, обсерватория Мауна-Кеа
27 Уран XXIV Фердинанд 12 20 901 000 13 августа 2001

Внутренние

Внутренними спутниками считаются те из них, которые летают между Мирандой и самой планетой. Их 13, они все маленького размера. Самый маленький Купидон имеет диаметр в 18 километров. Самый большой Пак обладает диаметром в 162 километра. Эти небесные тела представляют собой темные глыбы.

Массы спутников сильно разнятся: 40% от общей массы имеет Титания, масса Оберона, Умбриэля и Ариэля вместе составляет 23%, все остальные спутники составляют 0,8% от общей массы.

Нерегулярные

Нерегулярными спутниками называют 9 самых удаленных небесных тел. У них эллиптические вытянутые орбиты, по которым они обращаются в направлении, обратном движению планеты. Тогда как остальные 18 небесных тел вращаются в направлении, аналогичном направлению вращения планеты.

Состав спутников

Спутники внутри орбиты Оберона, имеют каменный состав с вкраплениями кусков льда. Состав спутников, вращающихся вне этой орбиты до сих пор неизвестен, но предполагается, что это астероиды, захваченные полем тяготения планеты.

Оберон

В состав массивного Оберона входят соединения метана. По предположениям ученых он имеет горячее ядро и мантию. Поверхность Оберона отличается каньонами и кратерами, возникшими как от бомбардировки астероидами, так и в результате вулканической деятельности.

Титания

Титания представляет собой самое большое небесное тело, вращающееся вокруг планеты, состоящее изо льда с различными соединениями кремния и углерода с азотом. Атмосферы на ней не замечено.

Ариэель

Третий из больших спутников Ариэль содержит большое количество льда, который двигается по поверхности небесного тела, оставляя за собой огромные рифтовые долины.

В целом, состав спутников не сильно отличается от состава небесных тел других планетных систем.

Космическая скорость спутников

Орбитальные скорости урановых небесных тел сильно разнятся. Самая большая скорость у Корделии, она составляет 10,8 км в секунду. Эта величина почти в 2 раза выше скорости движения самой планеты. Самая маленькая скорость у большого Оберона, она равна 3,1 км в секунду.

Неизвестны скорости движения маленьких недавно открытых Пердиты, Калибана, Стефании, Сикораксы, Проспера и Сетебе.

Рассчитать первую космическую скорость для спутника Урана можно, зная радиус и массу спутника, а также гравитационную постоянную. Однако у плохо видимых небесных тел, недавно обнаруженных вокруг планеты, скорость пока рассчитать невозможно из-за отсутствия точных данных по массе и диаметру этих маленьких небесных образований.

Сложность наблюдения за ними не дает надежды на возможность определить их скорости в ближайшие годы.

Кольца планеты

Эти небесные образования были открыты астрономами Эллиотом и Данхэмом в 1977 году. 9 колец были открыты случайно во время наблюдения за затмением планеты с телескопа, установленного на самолете. До этого астрономы о существовании колец Урана не подозревали, они исследовали атмосферу планеты. Хотя первооткрыватель планеты Уильям Гершель предполагал, что ему удалось наблюдать кольца планеты, но астрономическое сообщество тех времен ему не поверило.

Обнаружение колец у еще одной планеты, кроме Сатурна, повысило внимание астрономов в конце 20 века к Урану. Уникальность планетной системы Сатурна была опровергнута. Кольцевые образования этих планет не похожи друг на друга. Общая масса урановых колец небольшая, масса колец Сатурна в тысячу раз больше.

Затем «Вояджер-2» в 1986 году обнаружил еще 2 кольца, а в 2003 году телескоп Хаббл выявил еще пару колец. На данный момент известно 13 данных образований этой планеты. Они представляют собой непрозрачную субстанцию и достаточно узкие, ширина большинства из них составляет всего несколько километров. Астрономы не понимают, почему такие узкие плоскости не разрушаются.

Астрономы делят кольца на три группы:

  • 9 основных
  • 2 пылевидных
  • 2 внешних

Возникновение

Система колец Урана образовалась 800 миллионов лет назад, предположительно, из остаточных элементов спутников, которые после столкновения разрушились. Однако многие астрономы полагают, что кольцевые плоскости еще моложе, они образовались 600 миллионов лет назад. Это разногласие специалистов не позволяет установить точное время возникновения колец. Есть астрономы, считающие, что возраст этих плоскостей всего 100 миллионов лет

9 основных колец похожи на образования, полученные в результате столкновения мелких небесных тел. А пылевидные и внешние кольцевые плоскости на данный момент считаются образованиями загадочной природы. Механизм, удерживающий узкие кольца в их границах астрономам неизвестен. Кольца узкие и плотные находятся на значительном расстоянии друг от друга.

Состав

Тонкие кольцевые образования состоят из частиц пыли. Широкие содержат крупные тела диаметром до 20 метров. Химический состав колец неизвестен. Считается, что они состоят изо льда и темного вещества непонятной пока природы. Это темное вещество очень трудно исследовать даже сверхмощными телескопами. Никаких гипотез о составе колец астрономическое сообщество до сих пор не выдвинуло. Это дело будущих исследований. Имеется предположение нескольких специалистов, что темное вещество состоит из модифицированной органики.

Звук колец

Пролетая мимо, «Вояджер-2» передал звуки, которые издают кольца планеты. Аппарат записал 12 мелодий. Ионизированные звуковые волны возникают в результате взаимодействия солнечного ветра и ионосферы колец планеты.

Звуки космоса оказались похожи на земные звуки и вызывают ассоциации со звуками земной природы. Считается, что звуки колец Урана усиливают медитативные практики.

Небесные образования вокруг Урана, недавно обнаруженные, из-за трудностей наблюдения за ними, пока представляют собой загадочные явления и материалы, но даже на этом незаурядном фоне созвучность земным природным мелодиям звуков колец данной планеты является поразительным феноменом.

Кольца Урана

Схема спутников и колец Урана

Кольца Урана — система планетных колец, окружающих Уран. Среди других систем колец она занимает промежуточное положение по сложности строения между более развитой системой колец Сатурна и простыми системами колец Юпитера и Нептуна.

Кольца Урана были открыты 10 марта 1977 года Джеймсом Эллиот, Эдвардом Данхема и Дугласом Минка. За 200 лет до этого Уильям Гершель сообщал о наблюдениях колец у Урана, однако современные астрономы сомневаются в возможности такого открытия, т.к. кольца очень слабые и темные и не могли быть обнаружены с помощью астрономического оборудования того времени. Два новых кольца системы Урана были обнаружены «Вояджером- 2 «в 1986 году, еще два внешних кольца были обнаружены телескопом» Хаббл «в 2003 — 2005 годах.

По состоянию на 2008 год известно 13 отдельных колец. В порядке увеличения расстояния от планеты они расположены так: 1986U2R / ζ, 6, 5, 4, α, β, η, γ, δ, λ, ε, ν и μ. Минимальный радиус имеет кольцо 1986U2R / ζ (38 000 км), максимальный — кольцо μ (приблизительно 98 000 км). Между основными кольцами могут находится слабые пылевые кольцевые скопления и незамкнутые арки. Кольца чрезвычайно темные, альбедо Бонда для входящих в них частиц не превышает 2%. Вероятно, они состоят из водяного льда с включениями органики.

Большинство колец Урана непрозрачны, их ширина не более нескольких километров. В целом, кольцевая система содержит не много пыли, она состоит в основном из крупных объектов диаметром от 20 сантиметров до 20 метров. Однако некоторые кольца оптически тонкие: широкое тусклое 1986U2R / ζ, μ и ν состоят из мелких частиц пыли, тогда как узкое тусклое λ содержит крупные тела. Относительно небольшое количество пыли в кольцевой системе объясняется аэродинамическим лобовым сопротивлением протяженной экзосферы — короны Урана.

Считается, что кольца Урана относительно молоды, их возраст не превышает 600 миллионов лет. Кольцевая система Урана, вероятно, происходит от столкновений спутников, ранее обращались по орбите вокруг планеты. В результате столкновений спутники, вероятно, постепенно разбивались на более мелкие частицы, которые теперь существуют как кольца в строго определенных зонах максимальной гравитационной стабильности.

До сих пор не ясен механизм, удерживающий узкие кольца в их пределах. Первоначально считалось, что у каждого узкого кольца есть пара спутников-пастухов», которые и поддерживают его форму, но в 1986 году Вояджер-2 обнаружил только одну пару таких спутников (Корделия и Офелию) вокруг самого яркого кольца — ε.


1. История

В работах первооткрывателя Урана, Уильяма Гершеля, первое упоминание о кольцо встречается в его записи от 22 февраля 1789 года. В своих примечаниях к наблюдениям он отметил, что предполагает наличие у колец Урана. Гершель предположил, что они красного цвета (что было подтверждено в 2006 году наблюдениями обсерватории Кек в случае предпоследнего кольца).

Записи Гершеля попали в журнал Королевского общества в 1797 году. Однако впоследствии, в течение почти два века с 1797 по 1979 год, кольца в научной литературе не упоминаются вовсе, что, конечно, дает право подозревать ошибку ученого. Однако достаточно точные описания увиденного Гершелем не дают повода просто так сбрасывать со счетов его наблюдения.

Наличие кольцевой системы у Урана официально подтверждено лишь 10 марта 1977 американскими учеными Джеймсом Элиотом ( англ. {{{1}}} James L. Elliot), Эдвардом Данхема ( англ. {{{1}}} Edward W. Dunham) и Дугласом Минко ( англ. {{{1}}} Douglas J. Mink), использовавшие бортовой обсерваторию Койпера ( англ. {{{1}}} Gerard P. Kuiper Airborne Observatory, KAO).

Открытие было сделано случайно — группа ученых планировала провести наблюдения атмосферы Урана при покрытии им звезды SAO 158687. Однако, анализируя полученную после проведенных наблюдений информацию, они обнаружили покрытие звезды еще до ее покрытия Ураном, причем произошло это несколько раз подряд. В результате исследований было открыто 9 колец Урана.

Когда в окрестности Урана прибыл космический аппарат «Вояджер-2», с помощью бортовой оптики было открыто еще 2 кольца, и общее число известных колец возросло до 11. В декабре 2005 года космический телескоп «Хаббл» зарегистрировал еще 2 ранее неизвестных кольца. Они были удалены от планеты на расстояние в два раза больше, чем ранее открытые кольца — и поэтому их часто называют «внешней системой колец Урана». Помимо колец, «Хаббл» помог открыть два ранее неизвестных небольших спутника, один из которых (МАБ) имеет ту же орбиту, что и само внешнее кольцо. Последние два кольца доводят общее количество известных колец Урана до 13. В апреле 2006 года изображения новых колец, полученные обсерваторией Кек на Гавайских островах, позволили различить их цвет. Одно из них было красным, а другое (внешнее) — синий. Предполагают, что синий цвет внешнего кольца обусловлен тем, что оно в дополнение к пыли обладает некоторой примесью мелких частиц водяного льда с поверхности маба. Внутренние кольца планеты выглядят серыми.

При наблюдении с Земли можно заметить, что иногда кольца Урана своей плоскостью повернуты в сторону наблюдателя. В 2007 — 2008 годах кольца были обращены к наблюдателю ребром.


2. Основные сведения

Система колец Урана включает в себя 13 четко различимых колец. На расстоянии от планеты они расположены в таком порядке: 1986U2R / ζ, 6, 5, 4, α, β, η, γ, δ, λ, ε, ν и μ кольца. Их можно разделить на 3 группы: 9 узких главных колец (6, 5, 4, α, β, η, γ, δ, ε), два пылевых кольца (1986U2R / ζ, λ) и два внешних кольца (μ, ν) .

Главным образом, кольца Урана состоят из макрочастиц и небольшого количества пыли. Пылевые частицы, как известно, присутствуют в 1986U2R / ζ, η, δ, λ, ν и μ кольцах. В дополнение к известным колец, скорее всего, существуют почти неразличимы пылевые полосы и очень слабые и тонкие кольца между ними. Эти слабые кольца и пылевые полосы могут существовать лишь временно или состоять из нескольких отдельных скобок, которые иногда могут проявляться во время покрытия планетой звезды. Некоторые из них становились заметными во время серии пересечений Землей плоскости колец в 2007 году. Многие из пылевых полос между кольцами наблюдались при прямом рассеянии света еще Вояджером-2. Все кольца Урана показывают азимутальные изменения яркости.

Кольца состоят из чрезвычайно темного вещества. Геометрическое альбедо частиц составляющих кольца не превышает 5-6%, а альбедо Бонда и того меньше — около 2%. Частицы колец демонстрируют повышение альбедо при прямом освещении так как частицы составляющие собой кольца — отбрасывают тени. Кольца кажутся немного красноватыми в ультрафиолетовой и видимой части спектра и серыми в ближней инфракрасной. Каких-либо идентифицированных спектральных особенностей у колец не наблюдается.

Химический состав частиц колец неизвестен. Однако они не могут состоять из чистого водяного льда — как, например кольца Сатурна, потому что очень темные, даже более темные, чем внутренние спутники Урана. Это указывает на то, что они собой смесь льда и темного вещества. Природа этого вещества неизвестно, но это может быть органика, значительно затемнена заряженными частицами из магнитосферы Урана. Возможно, кольца — это остатки от одного из внутренних спутников Урана, так как материал колец и внутренних спутников приблизительно похож.

В целом система колец Урана не похожа на слабые, пыльные кольца Юпитера или широкие и сложные кольца Сатурна, некоторые из которых состоят из имеющих очень высокую отражательную способность частиц водяного льда. Однако с последней упомянутой системой колец в колец Урана есть и общее: Кольцо F Сатурна и кольцо ε Урана являются узкими, по темным и оба «пасутся» парой спутников. Недавно открытые наружные кольца Урана подобные внешних колец G и E Сатурна. Небольшие колечки между широкими кольцами Сатурна также напоминают узкие кольца Урана. Кроме этого — пылевые скопления между кольцами Урана могут быть схожи с пылевыми кольцами Юпитера. Кольцевая система Нептуна, наоборот, похожа на кольцевую систему Урана, но менее сложная, более темная и содержит больше пыли; кольца Нептуна расположены от планеты дальше, чем у Урана.


3. Узкие главные кольца

3.1. ε (эпсилон)

Кольцо ε (эпсилон) — яркое и самое плотное из колец Урана и ответственно примерно за две трети света, отражаемого кольцами. У этого кольца высокий эксцентриситет из всех, оно также имеет незначительный орбитальный наклон. Эксцентриситет является причиной изменений яркости этого кольца. Если создать для него «круговую карту яркости», то можно было бы отметить, что яркость достигает наивысшего значения вблизи перицентра (самой удаленной точки орбиты) и уменьшается вблизи апоцентр (ближайшей к планете точке орбиты).

Максимальный / минимальный яркостный контраст кольца — около 2,5-3,0. Эта разница связана с изменением ширины кольца составляет 19,7 км в апоцентр и 96,4 км в перицентра. По мере того, как кольцо становится шире, уменьшается количество взаимных «затенения» частицами друг друга и можно наблюдать большее их количество, что приводит к более высокой интегральной яркости. Вариации ширины кольца были измерены непосредственно из снимков, полученных «Вояджером-2», так как кольцо ε было одним из двух колец, чья ширина заметна на камерах «Вояджера». Это указывает на то, что кольцо является оптически глубоким. Действительно, наблюдения покрытия звезд этим кольцом, проводимых с Земли и «Вояджера-2» показали, что его нормальная «оптическая глубина» варьируется от 0,5 до 2,5, и максимальная вблизи апоцентр орбиты кольца. «Эквивалентная глубина» кольца ε — около 47 километров. Она не меняется на протяжении всей его орбиты.

Геометрическая толщина кольца ε доподлинно неизвестна, хотя, по некоторым оценкам, составляет примерно 150 метров. Несмотря на столь малую толщину, кольцо состоит из нескольких слоев частиц. Кольцо ε — достаточно «переполнено место» с коэффициентом заполнения оценивается разными источниками от 0,008 до 0,06 вблизи перицентра. Средний размер частиц в этом кольце 0,2-20 метров, расстояние между ними составляет в среднем 4,5 их средних радиусов. Из-за своей исключительной тонкости кольцо ε исчезает при наблюдении с ребра. Такое произошло в 2007 году, во время серии пересечений Землей плоскости колец. Низкое содержание космической пыли в кольце можно объяснить аэродинамическим лобовым сопротивлением расширенной атмосферной короны Урана.

«Вояджер-2» получил странные сигналы от этого кольца во время проведения эксперимента «радиопокрытия». Сигнал был похож на сильное повышение прямого рассеяния на длине волны в 3,6 см вблизи перицентра кольца. Такое сильное рассеяние требует наличия когерентной структуры. Такая структура кольца ε была подтверждена многими последующими наблюдениями покрытий.

Кольцо ε выглядит состоящий из множества узких и оптически плотных колечек. У него есть два «спутника-пастуха» — Корделия (внутренний) и Офелия (внешний). Внутренний край кольца находится в орбитальном резонансе 24: 25 с Корделия, а внешний край в 14:13 с Офелией. Чтобы эффективно «пасти» (удерживать в существующих рамках) кольцо, масса каждого спутника должна быть как минимум в три раза больше массы кольца. Масса кольца ε оценивается около 1016 кг.


3.2. δ (дельта)

Кольцо δ круглое и имеет небольшой наклон. В кольца отмечены значительные необъяснимые азимутальные изменения нормальной оптической глубины и ширины. Возможное объяснение состоит в том, что у кольца есть волнообразная азимутальная структура, создаваемая небольшим спутником прямо внутри него. Внешний край кольца находится в орбитальном резонансе 23:22 с Корделия.

Кільце δ складається з двох компонентів: вузького, оптично щільного і широкого компонента з низькою оптичною глибиною. Ширина вузького компоненти — 4,1-6,1 км, його еквівалентна глибина — 2,2 км, що відповідає нормальній оптичної глибині близько 0,3-0,6. Широкий компонент кільця δ приблизно 10-12 км завширшки, і його еквівалентна глибина близька до 0,3 км, що відповідає нормальній оптичної глибині в 3 10-2.

Всі ці дані отримані зі спостережень покриттів, так як на знімках «Вояджера-2» ширина кільця не видно. Коли кільце спостерігалося з Вояджера-2 при прямому розсіянні, воно здавалося щодо яскравим, що є сумісним з присутністю космічного пилу в його широкому компоненті. Геометрично широкий компонент кільця є більш тьмяним, ніж вузький компонент. Це підтверджується спостереженнями під час перетинів площині кілець Землею в 2007 році, коли яскравість кільця δ збільшилася, що збігається з поведінкою геометрично товстого, але оптично тонкого кільця.


3.3. γ (гамма)

Кільце γ вузьке, оптично щільне і має невеликий ексцентриситет. Його орбітальний спосіб майже дорівнює нулю. Ширина кільця змінюється від 3,6 до 4,7 км, хоча еквівалентна глибина незмінна і дорівнює 3,3 км. Нормальна оптична глибина цього кільця — 0,7-0,9. Під час перетину площини кілець в 2007 році з’ясувалося, що кільце γ таке ж геометрично тонке, як і кільце ε і практично позбавлене пилу. Ширина і нормальна оптична глибина цього кільця свідчать про значні азимутальні варіаціях. Невідомо, що дозволяє цьому кільцю залишатися таким вузьким, але було відмічено, що його внутрішній край перебуває в резонансі 6:5 з Офелією.


3.4. η (ета)

Кільце η володіє нульовим ексцентриситетом і нахилом. Подібно кільцю δ, воно складається з двох компонентів: вузького оптично щільного компонента і широкого зовнішнього компонента з низькою оптичною глибиною. Ширина вузького компонента становить 1,9-2,7 км, а еквівалентна глибина близько 0,42 км, що відповідає нормальній оптичної глибині приблизно в 0,16-0,25. Широкий компонент приблизно 40 км завширшки і його еквівалентна глибина близька до 0,85 км, що, у свою чергу, говорить про нормальну оптичної глибині в 2×10-2.

Ширина кільця видно на фотографіях з «Вояджера-2». У прямо розсіяному світлі кільце η виглядає яскравим, що вказує на присутність в ньому значної кількості пилу, цілком ймовірно, в широкому компоненті. Геометрично широкий компонент набагато товщі ніж вузький. Це підтверджується спостереженнями під час перетину площини кілець у 2007 році, коли кільце η продемонструвало збільшення яскравості, ставши другим за яскравістю кільцем Урана. Це збігається з поведінкою геометрично товстого, але оптично тонкого кільця. Як і більшість кілець, кільце η демонструє азимутальні істотні зміни в нормальній оптичній глибині і ширині, в деяких місцях кільце настільки вузько, що навіть «пропадає».


3.5. α і β (альфа і бета)

α і β найяскравіші після кільця ε в кільцевій системі Урана. Як і кільце ε, вони демонструють регулярні зміни своїй яскравості і ширині. Найбільших яскравості і ширини вони досягають у 30 поблизу Перицентр, а найменших — у 30 від Апоцентр. Кільця α та β мають значний орбітальний ексцентриситет і незначне спосіб. Ширина цих кілець складає 4,8-10 км і 6,1-11,4 км відповідно. Еквівалентні оптичні глибини становлять 3,29 і 2,14 км, що говорить про нормальну оптичної глибині в 0,3-0,7 та 0,2-0,35 відповідно.

Під час перетину Землею площині кілець у 2007 році ці кільця на деякий час зникли. Це означає, що вони так само, як і кільце ε, геометрично тонкі і позбавлені пилу. Однак під час перетину виявили геометрично товсту, але оптично тонку смугу пилу відразу за зовнішньою стороною кільця β, яку раніше так само спостерігав і «Вояджер-2». Маси кожного з кілець α та β приблизно оцінюються як 5×1015 кг, що приблизно дорівнює половині маси кільця ε .


3.6. Кільця 6, 5 і 4

Кільця 6, 5 і 4 самі тьмяні і майже самі близькі до планети в кільцевій системі Урана. Нахил цих кілець найбільше, і їх орбітальні ексцентриситет — найбільші, за винятком кільця ε. Більш того, їх способу (0,06 , 0,05 і 0,03 відповідно) були досить великими, щоб «Вояджер-2» спостерігав їх ельовациі вище екваторіальній площині Урана, які становили 24-46 км. Кільця 6, 5 і 4 також і самі вузькі кільця Урана — оціночно 1,6-2,2 км; 1,9-4,9 км і 2,4-4,4 км відповідно. Їх еквівалентні глибини становлять 0,41 км; 0,91 км і 0,71 км, що говорить про нормальну оптичної глибині 0,18-0,25; 0,18-0,48 і 0,16-0,3 відповідно. Вони не були видні під час перетину площини кілець в 2007 році через надзвичайну вузькість і мізерної кількості пилу.


4. Пилові кільця

4.1. λ (лямбда)

Кільце λ було одним з двох кілець, відкритих «Вояджером-2» 1986 року. Це вузьке і тьмяне кільце, розташоване між кільцем ε і його «супутником-пастухом» Корделія, який створює своєю гравітацією темну смугу в кільці . Під час спостережень у зворотньо-розсіяному світлі кільце λ надзвичайно вузьке — близько 1-2 км і має еквівалентну оптичну глибину 0,1-0,2 км на довжині хвилі 2,2 мкм . Його нормальна оптична глибина — 0,1-0,2. Оптична глибина кільця λ сильно залежить від довжини хвилі, що нетипово для кільцевої системи Урана. В ультрафіолетовій частині спектру еквівалентна глибина сягає 0,36 км, що пояснює, чому його було виявлено тільки під час спостережень покриття зірок в ультрафіолетовому діапазоні. Про виявлення кільця у спостереженнях на довжині хвилі в 2,2 мкм було повідомлено лише 1996 року.

Зовнішній вигляд кільця λ різко змінився під час спостережень у прямому розсіяному світлі 1986 року. При такому розташуванні воно стало найяскравішим об’єктом системи кілець Урана, перевершивши навіть кільце ε. Ці спостереження разом із залежністю оптичної глибини від довжини хвилі, вказують на те, що кільце λ містить істотну кількість пилу розміром в мікрометр. Нормальна оптична глибина цього пилу 10 -4 -10 -3. Спостереження телескопом обсерваторії Кек 2007 року під час перетину Землею площини кілець Урана лише підтвердили це припущення, тому що кільце λ стало одним з найяскравіших елементів кільцевої системи Урана.

Детальний аналіз знімків з «Вояджера-2» дозволив виявити азимутальні зміни в яскравості кільця λ. Зміни, здається, є періодичними, нагадуючи «стоячу хвилю». Походження цієї примітної структури в кільці λ залишається невідомим.


4.2. 1986U2R / ζ (дзета)

В 1986 році «Вояджер-2» виявив широке слабке колечко, розташоване ближче кільця 6 . Йому дали тимчасове позначення 1986U2R. Воно мало нормальну оптичну глибину 10-3 або менше і було надзвичайно слабким. Його можна було побачити тільки на одному зображенні, зробленому «Вояджером-2». Кільце розташоване між 37 000 і 39 500 км від центру Урана, або на 12 000 км вище рівня хмар. Кільце не спостерігалося аж до 2003 — 2004, поки телескопи обсерваторії Кек (Гаваї) знову не знайшли широке слабке кільце всередині кільця 6. Кільце назвали ζ. Однак положення кільця значно відрізнялося від спостерігався в 1986 году. Зараз воно розташоване між 37 850 і 41 350 км від центру планети і, поступово слабея, тягнеться всередину по крайней мере до 32 600 км. Це кільце знову спостерігалося обсерваторією Кек лише в 2007 під час перетину площини кілець Урана. Еквівалентна оптична глибина цього кільця близько 1 км (0,6 для розширеної частини кільця), у той час як нормальна оптична глибина така ж — 10-3 або менше.

Різниця між спостереженнями в 1986 і 2003 кільця ζ може бути викликана різними розглядаються геометричними конфігураціями: Геометрією зворотного розсіювання в 2003-2007 і геометрією бокового розсіювання в 1986 році. Однак і зміни розподілу пилу (яка, як вважають, переважає в кільці) протягом тих 20 років могли стати причиною різниці результатів дослідження.


4.3. Інші пилові смуги

На додаток до кілець 1986U2R / ζ і λ в системі є досить слабкі пилові смуги. Їх не видно під час покриттів, тому що володіють незначною оптичної глибиною, хоча прямо в розсіяному світлі вони досить яскраві. Зображення з «Вояджера-2» у прямо розсіяному світлі показали існування яскравих пилових смуг між кільцями λ і δ, між кільцями η і β, і між кільцями α та 4. Багато хто з спостерігалися в 1986 році пилових смуг в 2003-2004 році були знов зафіксовані телескопами обсерваторії Кек. Вони також спостерігалися при перетині площині кілець в 2007 році в зворотно-розсіяному світлі, але їх точне місце розташування і яскравість відрізнялися від результатів спостережень з Вояджера-2. Нормальна оптична глибина цих груп пилу близько 10-5 або менше. Розподіл розміру пилових частинок, як вважають, підпорядковується експоненціальним закону з показником ступеня p = 2,5 0,5.


5. Внешняя система колец

В 2003 — 2005 гг. телескоп «Хаббл» обнаружил несколько ранее неизвестных колец, теперь считаются внешней частью кольцевой системы Урана, что довело количество известных колец до 13. Впоследствии эти кольца были названы μ и ν (мю и ню). Кольцо μ в этой паре является внешним. Оно находится в два раза дальше от планеты, чем яркое кольцо η (эта). Наружные кольца во многих отношениях отличаются от узких внутренних колец. Они широкие, 17,000 и 3,800 км в ширину и очень тусклые. Максимальная нормальная оптическая глубина — 8,5 10-6 и 5,4 10-6. Эквивалентные оптические глубины — 0,14 км и 0,012 км. Профили радиальной яркости колец треугольной формы.

Область пиковой яркости кольца μ практически совпадает с орбитой спутника Урана — маба, который вероятно, и является источником частиц кольца. Кольцо ν расположен между спутниками Порция и Розалинда и не содержит в себе никаких спутников. Повторный анализ изображений в прямом рассеянном свете, полученных Вояджером, позволяет ясно различить кольца μ и ν. В этой геометрии кольца намного более яркие, что указывает на высокое содержание в них пылевых частиц размером порядка микрометра. Наружные кольца Урана напоминают кольца G и E в кольцевой системе Сатурна. В кольце G не известно ни одного наблюдаемого объекта — источника частиц, в то время как кольцо E чрезвычайно широкое и пополняется пылью с поверхности Энцелада.

Возможно, кольцо μ состоит целиком из пыли, без каких-либо крупных частиц. Эта гипотеза поддерживается наблюдениями обсерватории Кек, которая так и не обнаружила кольцо μ в близком инфракрасном диапазоне на длине волны 2,2 мкм, однако кольцо ν она обнаружила. Неудачная попытка выявить кольцо μ означает, что оно синего цвета. Это, в свою очередь, указывает, что оно в основном состоит из маленьких (субмикронными) пыли. Возможно, пыль состоит из водяного льда. Кольцо ν, наоборот, имеет красноватый оттенок.


6. Динамика колец и их происхождение

Важным и пока физической нерешенной проблемой остается разрешение загадки механизма, удерживающего границы колец. Если бы такой механизм отсутствовал, то частицы кольца бы разлетелись в разные стороны. Без него кольца Урана не просуществовали бы дольше миллионы лет. Наиболее часто упоминаемая модель механизма сдерживания была предложена Питером Голдрейчем и Скоттом Тремейном: Это пара соседних спутников, внешние и внутренние «пастухи», которые с помощью гравитационного взаимодействия отбирают у кольца чрезмерный или придают ему недостаточной угловой момент (или, что эквивалентно, энергию). «Пастухи» таким образом удерживают частицы, из которых состоят кольца, хотя постепенно удаляются от них. Для этого эффекта массы спутников-пастухов должны превышать массу кольца, по крайней мере, в 2-3 раза. Такой механизм работает для кольца ε, которое, как известно, «пасут» Корделия и Офелия. Корделия также внешним «пастухом» для кольца δ, а Офелия — для γ кольца. Однако не известно ни одного спутника более 10 километров вблизи других колец. Текущее расстояние Корделии и Офелии от кольца ε может использоваться для определения возраста кольца. Вычисления показывают, что это кольцо не может быть старше 6 108 лет.

Так как кольца Урана, вероятно, молодые, они должны непрерывно пополняться фрагментами столкновений между более крупными телами. По некоторым оценкам, время разрушения спутника размером с Пак может составить несколько миллиардов лет. Соответственно, спутник меньших размеров разрушится гораздо быстрее. Таким образом, возможно, что все внутренние и внешние кольца Урана является продуктом разрушения спутников размером менее Пака течение последних четырех с половиной миллиардов лет. Каждое такое разрушение дало бы начало целого каскада столкновений, размололи бы почти все крупные тела в гораздо меньшие доли, включая пыль. Наконец, большая часть массы была бы потеряна, и доли сохранились бы только в областях, которые были стабилизированы взаимными резонансами и «выпасом». Конечным продуктом такой разрушительной эволюции» стала бы система из узких колец, однако некоторые маленькие спутники должны были сохраниться в пределах колец. Их размер в настоящее время предусматривается около 10 километров.

Происхождение пылевых полос более ясно. Время существования пыли очень короткий, от ста до тысячи лет, и, видимо, она непрерывно пополняется в результате столкновений между крупными долями в кольцах, маленькими спутниками и метеороидами, попавших в систему Урана извне. Пояса порождают пыль спутников и частиц невидимые из-за их низкой оптической глубины, в то время как пыль хорошо видно в прямом рассеянном свете. Предполагается, что узкие главные кольца и пояса из пылевых полос и мелких спутников различаются распределением размеров частиц. В главных кольцах больше частиц с размерами от сантиметра до метра. Такое распределение увеличивает площадь поверхности материала колец, что приводит к высокой оптической плотности в возвратно-рассеянном свете. В пылевых полосах, наоборот, количество крупных частиц относительно невелика, что приводит к низкой оптической глубине.


7. Исследование колец

Кольца Урана были тщательно исследованы во время пролета «Вояджера-2» мимо Урана в январе 1986 года. Было обнаружено 2 новых кольца — λ и 1986U2R, которые увеличили общее количество известных колец Урана до 11. Физические свойства колец были изучены при анализе результатов радио-, ультрафиолетовых и оптических покрытий. «Вояджер-2» наблюдал кольца в различных положениях относительно Солнца, делал фотографии в прямом, обратном и рассеянном свете. Анализ этих изображений позволил установить полную фазовую функцию, геометрическое альбедо и альбедо Бонда частиц в кольцах. На изображениях двух колец — ε и η — можно разглядеть их сложную микроструктуру. Анализ изображений также разрешил открыть 10 внутренних спутников Урана, включая два «спутника-пастуха» кольца ε — Корделия и Офелию.


> 8. Сноски

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *