Вчені пояснили появу кілець Сатурна

Планетологи представили нову комп'ютерну модель, що пояснює появу кілець Сатурна, Урана і Нептуна. Згідно з цією моделлю, кільця виникли в результаті зближення цих газових гігантів з великими небесними тілами з пояса Койпера приблизно чотири мільярди років тому. Про це розповідається в статті, опублікованій в журналі Icarus.

Кільця газових гігантів Сонячної системи несхожі один на одного. Спостереження показують, що кільця Сатурна більш ніж на 90-95 відсотків складаються з частинок водяного льоду, в той час як кільця Урана і Нептуна відрізняються темним кольором і можуть складатися переважно з каменю (їх точний хімічний склад на сьогоднішній день невідомий). Незважаючи на те, що «крижаний пояс» Сатурна вдалося вперше побачити ще в 1610 році, а після його неодноразово досліджували такі комічні апарати, як «Вояджер-1», «Вояджер-2» і «Кассіні», вчені досі не можуть однозначно пояснити причини його виникнення. Їм також незрозуміло, чому кільця Нептуна й Урана відрізняються від кілець Сатурна.

Автори нової роботи створили комп'ютерну симуляцію, яка пояснює появу кілець навколо Сатурна, Урана і Нептуна за допомогою моделі Ніцци. Згідно з цією моделлю, за часів Пізнього важкого бомбардування планети-гіганти змінювали положення своїх орбіт, в результаті чого зближувалися з небесними тілами з древнього пояса Койпера. Ці тіла були порівняні за розміром з Плутоном, і раніше могло існувати від тисячі до чотирьох тисяч подібних об'єктів. У своїй моделі вчені розглянули ймовірність зближення планет-гігантів з ними, а також те, яким чином на них могли діяти приливні сили планет.

Розрахунки дослідників показали, що всі газові гіганти могли пережити від двох до декількох десятків зближень з великими об'єктами з стародавнього поясу Койпера. При цьому планети мали буквально розірвати ці небесні тіла своїми приливними силами. Моделювання показало, що від 0,1 до 10 відсотків початкової маси об'єктів повинно було опинитися на орбітах планет, що узгоджується з сучасними спостережними даними. Дослідники також побудували симуляцію, що показує еволюцію тих, хто залишився на орбіті навколо Сатурна, Урана і Нептуна уламків. Виявилося, що спочатку фрагменти небесних тіл могли бути великими (до 100 кілометрів в діаметрі) і рухатися по сильно витягнутих орбітах, однак після частих зіткнень один з одним їх розмір значно зменшився, а орбіта стала більш круглою.

Модель також пояснює відмінність кілець Сатурна від кілець Урана і Нептуна. Справа в тому, що Уран і Нептун мають значно більшу щільність порівняно з Сатурном (1,27, 1,64 і 0,69 грама на кубічний сантиметр відповідно). Це означає, що відстань між поверхнею цих планет і межею Роша (лінією орбіти, нижче якої супутник руйнується приливними силами) повинно було бути більше, ніж у Сатурна. Відповідно, це призводило до того, що об'єкти з поясу Койпера, імовірно складалися з крижаної мантії і силікатного ядра, могли проходити нижче межі Роша і при цьому не стикатися з планетою. В результаті, приливні сили Урана могли виявитися досить сильними, щоб і крижана мантія, і кам'янисті надра небесного тіла були зруйновані і ефективно захоплені гравітаційним полем планети. У випадку з Сатурном, за словами вчених, руйнуватися і захоплюватися могла тільки крижана мантія, оскільки при сильному зближенні з планетою (що робило б можливим захоплення кам'янистого ядра) об'єкт просто зіткнувся б з її поверхнею. Цим і пояснюється різний склад кілець Сатурна, Урана і Нептуна.

Робота показує, що кільця планет-гігантів могли виникнути в результаті природного процесу еволюції Сонячної системи. Дослідники припускають, що кільця навколо інших екзопланет-гігантів можуть формуватися подібним шляхом. Подальше відкриття кілець навколо інших екзопланет допоможе краще зрозуміти їх походження.

Нещодавно вчені виявили аномально високі температури в кільці A Сатурна. Дослідники припускають, що це може бути пов'язано зі скупченням великих об'єктів у кільці, що свідчить про його невеликий вік. Такий висновок було зроблено на основі комп'ютерного моделювання зіткнення двох тіл, що звертаються навколо Сатурна.