Planety z pierścieniami – ciała niebieskie i ich pierścienie

Planety z pierścieniami to jedne z najbardziej  fascynujących obiektów astronomicznych. Pierścienie stanowią przykład najbardziej spektakularnych obiektów, które możemy obserwować nawet przez proste teleskopy domowego użytku. Znajdziemy je wokół dużych planet, ale także dookoła innych obiektów znajdujących się w przestrzeni kosmicznej, takich jak planety karłowate, księżyce czy brązowe karły. Przypuszcza się także, że egzoplanety (czyli te znajdujące się poza Układem Słonecznym) mogą mieć własne systemy pierścieni, zważając na to, że wszystkie duże planety z naszego otoczenia takie mają.

Obecnie o ich posiadanie podejrzewana jest planeta Fomalhaut b, odległa od nas o 25 lat świetlnych. Jednakże, do dziś nie udało nam się jednoznacznie potwierdzić ich istnienia. Czym w istocie jest tytułowy obiekt? Jest to system, złożony z dysku lub pierścienia, zbudowany z niewielkich księżyców lub pyłów kosmicznych. Rozmiar tych ostatnich ściśle zależy od sił, które działają na pierścień, na przykład związanych z jego promieniem oraz wytrzymałości materiału, z którego jest stworzona cząstka.

Planety z pierścieniami – geneza pierścieni planetarnych

Jak powstały pierścienie? Obecnie na ten temat przyjmujemy trzy teorie. Po pierwsze, mogły one powstać z dysku protoplanetarnego, który znalazł się wewnątrz promienia Roche’a. Jak sama nazwa mówi, jest to pewnego rodzaju struktura, składająca się z gazów i pyłów, które tworzą wokół gwiazdy dysk. W przybliżeniu, z tegoż dysku po wielu milionach lat wyłoni się nowa planeta. A czym jest wyżej wspomniany promień? Istnieje on między dwoma ciałami, z których jedno jest znacząco cięższe od drugiego. Kiedy na jego obwodzie znajdzie się to lżejsze ciało, powstanie w nim znacząca różnica sił. Ostatecznie, po przekroczeniu tej granicy mniejszy obiekt się rozpadnie. Dlatego też materiał z dysku protoplanetarnego, zamiast uformować satelitę, pozostanie rozproszony w postaci pierścienia.

Innym sposobem na powstanie tej formacji jest rozpad księżyca macierzystego ciała niebieskiego. Może się to stać w wyniku zderzenia satelity z jakimś potężnym obiektem lub też wskutek działania sił we wcześniej opisanej granicy Roche’a. To drugie może w ciągu najbliższych 50 milionów lat stać się z Fobosem, księżycem Marsa. Jego orbita nieustannie się zmniejsza, konkretnie o wartość rzędu ok. 2 m na 100 lat. Gdy osiągnie wartość 8400 km, nieuchronnie zostanie rozerwany.

Wpływ pierścieni na orbitę planetarną

Jak obecność pierścieni wpływa na posiadającą je planetę? Po pierwsze, utrudniłyby one ewentualne wysyłanie satelitów na orbitę, zwłaszcza którąś z bliższych planecie. Wszakże pierścienie są zbudowane z drobin o różnych rozmiarach, a co za tym idzie, konstrukcje, które wysyłamy w kosmos, nieuchronnie by się z nimi zderzały. Wtedy jedyną możliwością wysłania sztucznego satelity na orbitę byłoby umieszczenie go na bardzo wysokiej orbicie, już poza pierścieniami. Tak zrobiliśmy w przypadku badania Saturna, gdy wysłaliśmy na niego sondę Cassini. Po pierwsze, jeśli pierścienie będą wystarczająco grube, zaczną one pochłaniać część promieniowania słonecznego. W rezultacie część globu może pozostawać stale nieoświetlona. A jakie to ma konsekwencje? Możemy je zaobserwować na Saturnie. Badania przeprowadzone przez szwedzkich oraz amerykańskich naukowców udowodniło, że w południowej części planety rozmieszczenie cząstek w jonosferze jest zgoła inne niż w tej północnej.

Planety z pierścieniami w Układzie Słonecznym

Przyjrzyjmy się teraz systemom pierścieni na pobliskich globach. Zacznijmy od Saturna, gdyż to właśnie jego pierścienie zostały odkryte jako pierwsze. Już w 1658 roku Christian Hyugens opisał geometrię tajemniczego dysku, który krążył wokół globu. Ciekawostką jest, że zauważył je także Galileusz, lecz zinterpretował ich widok jako po prostu dwa duże ciała obok planety. Możemy zauważyć bardzo wiele takich tworów, konkretnie 10 tysięcy. Jednak tak naprawdę Saturn ma ich znacznie mniej, gdyż dotąd zaobserwowaliśmy 9. Ich pozorna mnogość wynika z faktu, iż pojawiają się w miejscach, gdzie pierścień osiąga wysoką gęstość.

Cząstki spadające z nich w atmosferę planety i tam też wybuchające powodują powstanie charakterystycznych białych plam na jej powierzchni. Ich obecność oddziałuje również na temperatury na planecie bowiem jej najchłodniejszy obszar – równik, jest odgrodzony od światła słonecznego właśnie przez pierścienie. Wiele z nich jest oddzielona od siebie przerwami, powstałymi w wyniku oddziaływań grawitacyjnych planety i jej księżyców na materię tworzącą pierścień. Tylko jedną z przerw możemy zaobserwować poprzez proste teleskopy, konkretnie przerwę Cassiniego. Po raz pierwszy spostrzeżono ją już w XVII w., jako ciemną kreskę na pierścieniu. Pozostałe można zauważyć, tylko dysponując skomplikowaną aparaturą badawczą.

Pod koniec pierwszej dekady XXI w. dokonano fascynującego odkrycia – również jeden z księżyców Saturna, Febe posiada pierścienie! Są one bardzo szerokie i wypełnia je rozrzedzona materia, co czyni je praktycznie niewidocznymi. Zawartość pierścieni pochodzi najprawdopodobniej od zderzeń niewielkich meteorytów z tym satelitą. Przypuszcza się, że również jego drugi co do wielkości księżyc – Rea, posiada system pierścieni. Hipoteza ta została wysunięta po przelocie sondy Cassini, kiedy to wychwyciła specyficzne zachowanie elektronów w magnetosferze Saturna w pobliżu wspomnianego satelity, które mogłoby być wyjaśnione właśnie przez pochłonięcie poprzez cząsteczki zgrupowane w formie dysku, co idealnie pasuje do opisu typowego pierścienia. Jego istnienie nie zostało jednak zaobserwowane bezpośrednio.

Planety z pierścieniami  – Jowisz

Przejdźmy teraz największej planety krążącej wokół Słońca, czyli Jowisza. Dookoła niego krążą 4 pierścienie, złożone głównie z pyłów (wyjątkiem jest pierścień główny) i przybierające w podczerwieni czerwony kolor. Zostały one odkryte jako trzecie, a zaobserwowane z bliska przez sondę Voyager 1 w 1979 r. Dokładniej zbadały je orbiter Galileo w 1990 roku, a w nowym stuleciu także sonda New Horizons. Na razie nie potrafimy dokładnie oszacować ich masy (obecne pomiary wahają się między wartościami 1011 a 1015 kg) ani wieku. Przypuszcza się, że powstały w tym samym czasie, co Jowisz. Pokrótce opiszmy, jak wyglądają.

Zacznijmy od pierścienia głównego. Jest on zaskakująco cienki, gdyż, w zależności od metod obserwacji, jego szerokość waha się między jedynie 30 a 300 kilometrami. Największe ciała w nim obecne mają do 0,5 km średnicy. Jowisz ma także pierścień halo, który jest największy i najgrubszy spośród wszystkich, które posiada. Jego główną składową są bardzo małe cząsteczki pyłu – o średnicy rzędu 15 mikrometrów, ale są w nim również takie, które są mniejsze od jednego mikrometra! To powoduje, że przybiera on charakterystyczną barwę – jako jedyny oglądany w świetle podczerwonym jarzy się na niebiesko.

Możemy również obserwować pierścienie ażurowe – Amalteę i Tebe. Ten pierwszy rozciąga się od orbity księżyca Jowisza o tej samej nazwie na odległość 50000 kilometrów, z kolei drugi od księżyca Tebe na niecałe sto tysięcy kilometrów. Oba zawierają niewielkie cząsteczki pyłu, o średnicy rzędu dziesiątych części mikrometra. Skąd on pochodzi? Otóż, gdy coś zderzy się z jednym z wcześniej wymienionych księżyców, z ich powierzchni unosi się pył. To właśnie on zasila pierścienie ażurowe.

Planety z pierścieniami – Uran

Innym posiadaczem pierścieni w naszym otoczeniu jest Uran. Obecnie wiemy, że jest ich 13. Już William Herschel podejrzewał ich istnienie, niemniej jednak są one dość ciemne i prawie że niewidoczne z Ziemi. Większość z nich została oficjalnie odkryta pod koniec lat 70. XX w., dwa następne sfotografowała sonda Voyager 2, ostatnie 2 nam znane zaobserwowaliśmy dzięki teleskopowi Hubble’a. W kosmicznej skali są one dość młode – liczą sobie 600 milionów lat, a także dość wąskie – mają tylko kilka kilometrów szerokości. Prawdopodobnie powstały w wyniku zderzenia się i fragmentacji kilku księżyców Saturna.

Ciekawym zatem jest sposób, w jaki tak niewielkie pierścienie mogą się utrzymać dookoła planety. Niegdyś zakładano, że na każdy z nich oddziałuje para księżyców pasterskich, czyli takich, które swoim oddziaływaniem grawitacyjnym mogą modelować kształt pierścienia. Niemniej jednak teraz wiemy, że tylko jeden pierścień – epsilon, jest otoczony przez taką parę satelitów. Co jeszcze go wyróżnia? Zaobserwowaliśmy, iż jest on najjaśniejszym spośród wszystkich pierścieni tej planety, do tego stopnia, że odpowiada za dwie trzecie odbitego przez nie światła! Mimo swojej niewielkiej grubości, liczącej 150 m, jest bardzo ciężki. Jego masę szacujemy na 1016 kg. Dla porównania masę wszystkich pierścieni Jowisza szacujemy na co najmniej 10 razy mniejszą.

Planety z pierścieniami – Neptun

Również najodleglejsza planeta Układu Słonecznego – Neptun posiada pierścienie. Jest ich 5, a ich istnienie podejrzewano od XIX w., które zaobserwowano w 1984 r. w obserwatorium w Chile. Ostatecznie potwierdziły je zdjęcia wykonane przez sondę Voyager 2. Dlaczego stało się to tak późno? Wynika to z faktu, że materia je tworząca jest złożona z cząstek organicznych wystawionych na radiację, a takie bardzo słabo odbijają światło. Jak dotąd, najlepiej udało nam się poznać pierścień Adamsa. To on, a raczej jego łuki, zostały odkryte jako pierwsze. Czym one są? To obszary, które świecą intensywniej, a także mniej przepuszczają światło niż reszta systemu pierścieni.

Obecnie nie wiemy jednak, dlaczego te struktury istnieją, gdyż zgodnie z prawami fizyki powinny się rozpaść w niedługim czasie aniżeli utrzymywać się wokół planety. Przypuszcza się, że oddziaływania któregoś z księżyców Neptuna stabilizują ten układ. Niemniej jednak, podlega on dynamicznym zmianom. Na fotografiach wykonanych w odstępie niecałych 25 lat przez Voyagera 2 i teleskopy Kecka zauważono bardzo duże odchylenia w wyglądzie łuków, konkretnie w ich widoczności. Szczególnie duży ubytek dotknął łuku Liberté, który stał się prawie nie do dostrzeżenia. Z kolei łuki Fraternité i Égalité okresowo zmieniają swoją jasność, Przypuszczalnie wynika to z przemieszczania się pyłu między nimi. Mam nadzieję, że teraz już planety z pierścieniami nie mają dla Ciebie tajemnic. 🙂