Астрономы Юго-Западного исследовательского института в Техасе составили сборное изображение по данным аппарата «Кассини», основанное на 41 событии затмения Солнца (покрытиях Солнца Сатурном во время очередного витка аппарата по орбите). Компиляция позволяет оценить распределение частиц в кольцах по размерам, исследовать их состав, а значит — лучше понять их образование и эволюцию.
Зонд «Кассини» почти два десятилетия наблюдал за Сатурном, его ледяными спутниками и, разумеется, кольцами. Он закончил свой жизненный цикл в 2017 году путём контролируемого падения на поверхность планеты, и до последней секунды передавал на Землю информацию о строении внутренних слоёв облаков планеты. Мы знаем, что кольца Сатурна — очень молодое образование — им около ста миллионов лет. Об их происхождении есть много гипотез; например, одна из недавних предполагает, что они образовались в результате разрушения его крупного спутника, которому стало тесно на орбите (то есть близость других лун привела к гравитационной неустойчивости его орбиты, он приблизился к гиганту слишком близко и был разорван приливными силами; подробнее про эту теорию можно прочитать в недавней статье). Но для подтверждения или опровержения любой гипотезы необходимо узнать структуру колец, в частности, распределение по размерам их составляющих частиц пыли, камней и более крупных структур.
Ультрафиолетовый спектрограф «Кассини» UVIS (Ultraviolet Imaging Spectrograph) — прибор, особо чувствительный к маленьким частицам материала, составляющего кольца. Лучше всего он работает при наблюдениях в дальнем ультрафиолетовом диапазоне. Для наблюдения за кольцами Сатурна использовался его канал, работающий на длинах волн 56—118 нм (диапазон видимого света — примерно 300—700 нм). Таких условий освещения можно добиться при «солнечных затмениях» на Сатурне, то есть при расположении аппарата так, что снимки Сатурна выполняются в контровом свете Солнца (в астрономии для таких «затмений» используется термин покрытие, или occultation). Для определения размера частичек, составляющих кольца, прибор UVIS как раз нацеливали по направлению к Солнцу, фиксируя его излучение сквозь кольцевые структуры планеты. Частички вещества колец блокируют часть света, тем самым можно определить оптическую глубину — ключевой параметр для определения состава и распределения их по размеру.
Поскольку ультрафиолетовая часть спектра имеет длины волн, меньшие, чем видимый диапазон, такие наблюдения как раз позволяют исследовать самые мелкие частицы колец. Таким образом, UVIS может обнаружить частицы пыли размером порядка микрона. Знание их распределения в кольцах позволяет изучать взаимодействие вещества колец, столкновения между собой их частиц, а также процессы разрушения вещества в этой динамической системе.
Во время покрытия Солнца контровой свет, проходя сквозь кольца, рассеивается на их частицах, и часть его, следовательно, не доходит до приёмника. Мерой такого поглощения и служит параметр оптической длины — он говорит о том, насколько прозрачна среда на пути светового луча. Изменения оптической длины от точки к точке позволяют судить о неоднородности частиц по размерам. В процессе облёта Сатурна аппарат оказывается под разными углами к системе колец и Солнцу. Таким образом, изучая снимки под разными углами, можно составить трёхмерную картину структуры колец, так же, как это делается в томографии. Астрономы использовали 41 пролёт «Кассини» возле Сатурна, когда аппарат как раз находился в нужном положении по отношению к планете и Солнцу. Статья астрофизиков техасского Юго-Западного исследовательского института (SouthWest Research Institute, SWRI) по компиляции контровых снимков колец с зонда вышла в октябре 2022 года в Icarus.
Системы колец возле планет-гигантов — это испытательный полигон для проверки различных теорий, описывающих фундаментальные физические свойства и процессы в Солнечной системе. Предполагается, что материал колец — результат столкновения между собой и разрушения более крупных объектов, вращавщихся на орбите колец вокруг Сатурна. Поэтому объяснение формирования колец даёт ключ к пониманию и того, как сформировалась наша планетная система в целом.
Автор — Сергей Шапиро, XX2 ВЕК.
Источники: https://www.swri.org/press-release/swri-scientists-compile-cassinis-unique-observations-of-saturns-rings, https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S001910352200330X, https://pds-atmospheres.nmsu.edu/data_and_services/atmospheres_data/Cassini/inst-uvis.html.