Tancujúce častice v prstencoch Saturna

  • Marcel Škreka | 18 Január 2012
    Slnečná sústava
Zhluky častíc v prstencoch Saturna pri pohľade z blízkosti ich roviny. Žltohnedý Saturn je v pozadí. Častice sa zoskupujú a vytvárajú nestabilné podlhovasté zoskupenia. Priestor medzi zhlukmi je prevažne prázdny. Najväčšie častice majú priemer niekoľko metrov. Kredit: NASA/JPL/University of Colorado
Nový pohľad na správanie sa a zloženie častíc v prstencoch Saturna nám poskytli údaje z dvoch prístrojov na sonde Cassini. Merania UV spektrometrom ukázali, že za formovanie a rozklad dočasných zhlukov častíc zodpovedá gravitácia niekoľkých jeho malých mesiacov. Infračerveným spektrometrom a teoretickými modelmi určili zasa veľkosti, rýchlosti rotácie a povrchové hustoty častíc v rôznych častiach prstencov.

Storočia astronómovia premýšľali, ako vznikli prstence Saturna a z čoho sú zložené. To, že sa nejedná o pevné teleso, bolo dokázané v roku 1859. Prvý blízky pohľad na ne však umožnili až prelety sond Voyager I a II. Zistili, že prstence sa skladajú z ľadových častíc veľkostne siahajúc od mikrometrov po 10 metrové balvany. Sonda Cassini, ktorá k Saturnu priletela v r. 2004 potvrdila, že vodným ľadom je pokrytý prinajmenšom ich povrch.

Množstvo otázok ale ostávalo nezodpovedaných. Rozdrobujú sa tieto častice, alebo zlepujú? Je ich povrch drsný alebo hladký? Aký je vzťah prstencov Saturna s prstencami okolo iných planét, prípadne hviezd, (napr. okolo Slnka pred 4,5 miliardami rokov) a ako sa dokážu vyvinúť do väčších telies - planét?

Z údajov nameraných UV spektrometrom v kombinácii so zákrytmi sa vedci pokúsili zistiť, ako sú častice v prstencoch rozdistribuované. Zákryt nastáva vtedy, keď väčší objekt prechádza popred menší, v tomto prípade prstence popred vzdialenú hviezdu. Pri meraniach opakujúcich sa niekoľko 100 krát za sekundu je možné určiť hranice medzi prstencami a ich hrúbku podľa toho, ako cez ne prechádza svetlo hviezdy. Veľký počet zákrytových meraní umožní zhotoviť niečo ako CT prstencov. Preto usudzujú, že zoskupovanie častíc prstenca ovplyvňuje gravitácia niekoľkých ľadových mesiacov.

Takto boli objavené nepriehľadné zhluky, ktorými môžu byť trvalé alebo len dočasné zoskupenia vo vonkajšom prstenci F, ako aj vnútornom prstenci B. Poloha zhlukov v prstenci F sa dá predpovedať podľa pohybu mesiaca Prometeus. S prstencom B je situácia trochu komplikovanejšia. Zdá sa, že mesiac Mimas pri obehu okolo Saturna spôsobuje svojou gravitáciou vytváranie zhlukov 90° pred sebou a ich rozpad o niekoľko hodín neskôr 90° za sebou.

Matematické analýzy správania sa prstencov pod vplyvom mesiacov súhlasia so zákrytovými pozorovaniami. Gravitácia mesiacov, vytvárajúc v prstencoch hustotné vlny, narušuje rozloženie častíc tým, že ich nepatrne vychyľuje z pôvodne kruhových dráh. Tieto častice narážajú do pomalších kolegýň pred sebou, čím dochádza k ich dočasnému zhlukovaniu. Ako však častice do seba narážajú, urýchľujú iné častice, a tak dochádza k ich opätovnej pomalej fragmentácii.

Celý tento efekt sa podobá vzťahu korisť - predátor. Napr. v dobrom roku pre zajace sa zvýši ich populácia. To umožní rast počtu líšok. Ako však líšky zredukujú počty zajacov, začne sa pre nedostatok stravy ich populácia opäť znižovať. Nízky počet líšok umožní rast počtu zajacov, kým znova nenarastie populácia líšok a tak stále dookola. Rovnako sa správajú aj zhluky častíc v prstencoch ovplyvňovaných gravitáciou malých mesiacov. Tie najprv narastajú, no práve tento proces spôsobuje ich opätovný rozpad. Trvanie cyklu je viazané na obeh mesiaca pôsobiaceho na prstenec.

Občas môže niektorý zhluk pretrvať a pokračovať v raste za vzniku malého mesiačika. Nabaľovanie hmoty môže aj naďalej pokračovať, alebo môže byť zničený zrážkou s iným telesom.

PIA14585-br500.jpg

Prstence Saturna s mesiacmi Mimas a Prometeus. Väčší Mimas (priemer 396 km, vzdialenosť 1,4 milióna km) je vľavo hore a Prometeus (86 km, 1,2 milióna km) hneď pod prstencami, na ktoré sa pozeráme takmer z ich roviny. Kredit: NASA/JPL-Caltech/Space Science Institute

Bližší pohľad na povahu jednotlivých častíc umožnili teoretické modely a merania vykonané infračerveným spektrometrom. Takto boli zistené veľkosti, periódy rotácií a počty častíc v štyroch oblastiach rozsiahleho systému prstencov - v prstencoch A, B a C a Cassiniho delení nachádzajúceho sa medzi prstencami A a B.

Modely zahrňujú reakciu častíc na pokles teploty v dôsledku zmeny uhla, pod ktorým slnečné lúče dopadajú na rovinu prstencov. Sonda Cassini obieha Saturn už dosť dlho na to, aby tieto zmeny zaznamenala. Teplota prstencov začala výraznejšie klesať okolo augusta 2009 pri rovnodennosti, keď slnečné lúče dopadali na hranu prstencov. Modely brali do úvahy aj prechod častíc tieňom planéty. Vedci v nich menili veľkosti, rozvrstvenie, hustotu, pórovitosť, spôsob rotácie a tepelnú kapacitu častíc. Väčšie častice mali sklon rotovať pomalšie, takže rozdiely medzi osvetlenou a neosvetlenou stranou boli výraznejšie. Častice menšie ako 1 m rotovali rýchlo, preto bola ich teplota rozložená rovnomerne.

Nové modely zahrňujúce rádiové pozorovania poukázali na prítomnosť rýchlo rotujúcich častíc s väčšou tepelnou kapacitou, ktoré sa nachádzajú v celom systéme prstencov. Tieto častice majú pravdepodobne hladké povrchy, pretože rýchla rotácia spôsobí odtrhnutie prípadných nepravidelností na ich povrchoch. Rovnaký efekt sa zhodou okolností pozoruje pri asteroidoch, hoci mechanizmus je pravdepodobne iný.

Pozorovania ďalej prezrádzajú, že veľké počty malých častíc vznikajú prostredníctvom zrážok. Vo vonkajšej časti prstenca A dominujú práve malé častice, ktorých teploty poukazujú na rýchlu rotáciu a vznik zrážkami s väčšími časticami. Vedci si myslia, že ich je tu mnoho kvôli gravitačnému vplyvu blízkych mesiacov zvyšujúcich rotáciu a vzájomné nárazové rýchlosti. Malá tepelná kapacita častíc v Cassiniho delení súvisí s vrstvou prachových zrniečok pokrývajúcich ich povrch.

Vedci začínajú rozumieť správaniu sa jednotlivých častíc vo vzťahu k zmenám osvetlenia, ako aj ich zhlukov v prstencoch. Ďalej majú v pláne skúmať, ako sa bude toto správanie počas misie sondy Cassini meniť.

príbuzné články:

Saturnove prstence z iného uhla

Najväčší Saturnov prstenec

Novonájdený mesiačik ako možný zdroj Saturnovho prstenca