Saturn: pán prstenců

Pozoruhodné prstence Saturnu

Biliony vířících částeček vodního ledu

Stroze krásné prstence Saturnu jsou tak velké a jasné, že je můžeme spatřit i malým dalekohledem. A protože jsou třpytivé prstence nakloněny vzhledem k ekliptice, rovině oběhu Země kolem Slunce, mění při pohledu ze Země svůj tvar. Prstence jsou postupně vidět na okraji, kdy mohou z místa v malém dalekohledu na chvíli zmizet, zespodu, když jsou doširoka rozevřené, opět na okraji a pak shora. Celý cyklus trvá 29,458 pozemského roku, což je oběžná doba Saturnu, takže prstence téměř zmizí z dohledu přibližně každých 15 let. Naposledy zmizely v roce 1995.

Tři hlavní Saturnovy prstence jsou pozorovány již po staletí. Jsou to vnější prstenec A a centrální prstenec B, oddělené tmavou Cassiniho divizí, a vnitřní prstenec C neboli krep, který je průhlednější než ostatní dva. Zůstávají zavěšeny v prostoru, nepřipojeny k Saturnu, protože se pohybují kolem planety rychlostí, která závisí na jejich vzdálenosti, a působí proti gravitační síle.

Vnitřní části prstenců se pohybují kolem Saturnu rychleji než vnější části, to vše v souladu s třetím Keplerovým zákonem pro malé objekty obíhající kolem masivního většího objektu. Kolem planety obíhají s periodami od 5,8 hodiny u vnitřního okraje prstence C až po 14,3 hodiny u vnějšího okraje vzdálenějšího prstence A. Oběžné dráhy se pohybují v rozmezí od 5,5 hodiny do 14,3 hodiny. Protože se Saturn otáčí kolem své osy s periodou 10,6562 hodiny, obíhají vnitřní části hlavních prstenců větší rychlostí, než rotuje planeta, a vnější části pomaleji.

Rozdíl v oběžném pohybu mezi vnitřními a vnějšími částmi prstenců znamená, že netvoří celistvý plát hmoty, protože by se vlivem rozdílného pohybu roztrhly. Prstence se místo toho skládají z obrovského množství částic, z nichž každá obíhá kolem Saturnu po své vlastní dráze, podobně jako malý měsíc. Kolem planety obíhají miliardy částic prstenců. V důsledku srážek mezi částicemi došlo k jejich zploštění a rozprostření do tenkého širokého disku.

Saturnovy prstence jsou ploché, široké a neuvěřitelně tenké. Měřeno od okraje k okraji mají tři hlavní prstence celkovou šířku 62,2 tisíce kilometrů, jsou tedy o něco širší než poloměr planety, který činí 60,3 tisíce kilometrů. Při pozorování z okraje Země nebo z její blízkosti prstence prakticky mizí z dohledu. Vypadají asi kilometr tlusté, ale to je iluze přisuzovaná deformaci, zvlnění, usazeným satelitům a tenkému, nakloněnému vnějšímu prstenci. Když přístroje na sondě Voyager 2 sledovaly světlo hvězd procházející prstenci, zjistily, že okraje prstenců se táhnou jen asi 10 metrů shora dolů. Pokud by tloušťku Saturnových prstenců představoval list papíru, pak by model v měřítku měl průměr dva kilometry.

Z čeho jsou složeny částice prstenců? Na viditelných vlnových délkách jsou prstence světlé a odrazivé, ale na infračervených vlnových délkách jsou tmavé a méně odrazivé. To naznačuje, že částice jsou chladné a vyrobené z ledu. Ve skutečnosti jsou složeny převážně a téměř výhradně z vodního ledu. Celková hmotnost význačných prstenců A, B a C se přibližně rovná hmotnosti Saturnovy družice Mimas, která váží 4,5 x 1019 kilogramů, a taková hmotnost odpovídá částicím složeným z vodního ledu.

Částice prstenců jsou příliš malé na to, aby je kamery kosmických sond mohly vidět jednotlivě, ale vědci mohou odvodit jejich velikost z rádiových měření. Vzhledem k tomu, že prstence jsou velmi odrazivé pro pozemní radarové vysílání, víme, že jejich částice jsou srovnatelné nebo větší než radarová vlnová délka přibližně 0,1 metru. Rozložení velikosti částic bylo určeno ze způsobu, jakým prstence blokovaly rádiové signály ze sond Voyager 1 a 2, když sondy prolétaly za prstenci. Tato metoda ukázala, že je pozoruhodně málo částic větších než 5 až 10 metrů nebo menších než 0,01 metru. V těchto mezích počet částic v hlavních prstencích klesá s rostoucí velikostí úměrně převrácenému čtverci jejich poloměru.

Čtyři další prstence, označené jako prstence D, E, F a G, se však skládají z mnohem menších, mikroskopických ledových krystalků. Všechny tyto prstence, objevené pomocí pozemních nebo kosmických pozorování, jsou velmi rozptýlené, řídké a téměř průhledné. Způsob, jakým jejich částice rozptylují světlo, naznačuje, že jsou ze všech nejmenší, zhruba mikronové velikosti – mikron je miliontina neboli 10-6 metrů.

Pioneer 11 objevil neuvěřitelně úzký prstenec F, který leží těsně za prstencem A, díky jeho pohlcování energetických částic; zatímco snímky ze sondy Voyager ukázaly prstenec F velmi podrobně a prokázaly, že jeho šířka se pohybuje od několika tisíc do desítek tisíc metrů. Navíc se nejedná o jediný prstenec, Voyager 1 spatřil spletenec úzkých pramenů, který se v době příletu Voyageru 2 o 9 měsíců později vyhladil. Protože částice prstence F jsou jasnější, když jsou osvětleny Sluncem, a slabší v odraženém slunečním světle, víme, že částice jsou také mikronové velikosti, mnohem menší než sněhové vločky a srovnatelné s velikostí prachu ve vašem pokoji.

Jak je ale možné, že si tento prstenec zachovává tak úzké hranice? Pokud by neexistovaly jiné síly, srážky mezi částicemi prstence by je měly rozprostřít, což by způsobilo, že částice budou padat dovnitř směrem k Saturnu a rozšiřovat se směrem ven od něj, čímž by vznikl širší a rozptýlenější prstenec. Dva malé měsíce, pojmenované Pandora a Prometheus, obklopují prstenec F a uzavírají jej mezi sebou, čímž zabraňují částicím prstence F vybočit z jeho úzkých hranic.

Prstenec, vlny, mezery a paprsky

Z dálky vypadají hlavní prstence Saturnu jako hladké, souvislé struktury. Zblízka, při pohledu ze sond Voyager 1 a 2, je však ledový materiál zformován do tisíců jednotlivých prstenců. Některé prstence jsou dokonale kruhové, jiné mají oválný tvar a několik se jich spirálovitě stáčí směrem k planetě jako drážky na staromódní gramofonové desce. Na některých místech je plochá rovina prstenců mírně zvlněná a prstence jsou vidět na hřebenech a prohlubních zvlnění, podobně jako vlnky na hladině rybníka.

Přinejmenším některé ze složitých struktur prstenců vytvarovala vnější ruka působením gravitace. Kombinovaná gravitační síla Saturnu a nahromaděná přitažlivost blízkých měsíců může přerozdělit částice prstence a soustředit je do mnoha pozorovaných tvarů. Přestože malé blízké měsíce působí na částice v prstencích jen slabým gravitačním tahem, v určitých rezonančních místech se tento tah opakuje stále dokola. Stejně jako můžeme dítě na houpačce přimět k oblouku vysoko nad zemí jemným, opakovaným postrčením ve stejném místě houpačky, tak může opakovaná gravitační přitažlivost malého vnějšího měsíce během každého oběhu vyvolat nečekaně velkou perturbaci. Souhra tohoto efektu a vnitřní gravitační přitažlivosti Saturnu může odpuzovat a přitahovat částice prstence, tlačit je a přitahovat do lokalizovaných koncentrací, jako jsou prstence.

Prostá interakce se známými měsíci však nebyla zcela úspěšná při vysvětlování všech složitých detailů, které se na Saturnových prstencích nacházejí. Zdánlivé mezery v systému nejsou zcela prázdné. Například Cassiniho oddíl obsahuje možná 100 prstenců s částicemi stejně velkými jako v sousedním prstenci. Některé mezery se dokonce nevyskytují ve známých rezonančních polohách nebo obsahují detekované měsíce, které jsou do nich vloženy. Neviditelné měsíce by mohly ovlivňovat shlukování a odstraňování materiálu v těchto místech.

Snad nejbizarnějším objevem Voyageru byly dlouhé tmavé pruhy, přezdívané špice, které se táhnou radiálně napříč prstenci a udržují si tvar jako špice kola. Tyto efemérní útvary jsou krátkodobé, ale často se obnovují. Nacházejí se v blízkosti nejhustší části prstence B, který rotuje společně s planetou s periodou 10,6562 hodiny. S touto periodou však kolem planety víří i vnitřní a vnější části temných paprsků Saturnu, a to konstantní rychlostí, což je ve zjevném rozporu s třetím Keplerovým zákonem a Newtonovou gravitační teorií. Pokud by se paprsky skládaly z tmavých částic usazených v prstencích, pohybovaly by se rychlostí, která by klesala s rostoucí vzdáleností od Saturnu, a paprsky by se rychle roztáhly a zmizely.

Podle jedné hypotézy se malé prachové částice mohou nabít, možná v důsledku srážek s energetickými elektrony. Elektromagnetické síly pak zvedají nebo levitují drobné nabité částice od větších těles prstence a paprsky jsou obtékány kolem Saturnu jeho rotujícím magnetickým polem. Zní to bizarně, ale k překonání gravitace jsou zapotřebí jemné síly.

Proč mají planety prstence?

Dalo by se očekávat, že částice prstence se již dávno nahromadily do větších satelitů. Zajímavým rysem prstenců – a vodítkem k jejich původu – však je, že neexistují společně s velkými měsíci. Prstence planet jsou vždy blíže k planetám než jejich velké satelity.

Prstenec je omezen na vnitřní zónu, kde by slapové síly planety natahovaly velký satelit, dokud by se nerozlomil a nerozštěpil, a zároveň brání malým tělesům, aby se spojila a vytvořila větší měsíc. Vnější poloměr této zóny, v níž se prstence nacházejí, se nazývá Rocheova mez podle francouzského matematika Eduarda A. Rocheho (1820-1883), který ji popsal v roce 1848. Pro družici, která nemá žádnou vnitřní pevnost a jejíž hustota je stejná jako hustota planety, je Rocheova mez 2,456násobkem poloměru planety, což je v případě Saturnu asi 147 tisíc kilometrů.

A kde se vzaly Saturnovy prstence? Existují dvě možná vysvětlení jejich vzniku. Podle prvního vysvětlení se prstence skládají z materiálu, který zůstal po zrodu Saturnu před přibližně 4,6 miliardami let. Tato hypotéza předpokládá, že prstence a měsíce vznikly současně ve zploštělém disku plynu a prachu s velkým, nově zrozeným Saturnem v centru. Podle druhého vysvětlení se bývalý měsíc nebo jiné těleso přiblížilo příliš blízko k Saturnu a bylo slapovými silami obří planety roztrháno na kusy, čímž vznikly prstence. V tomto případě mohly prstence vzniknout až po Saturnu, jeho satelitech a velké části zbytku sluneční soustavy.

Astronomové nyní odhadují, že Saturnovy prstence jsou staré méně než 100 milionů let, tedy méně než dvě procenta života Saturnu. Důkazem tohoto mládí je oslnivý, jiskřivý jas Saturnových prstenců. Třpytí se čistými částečkami čistého vodního ledu, neznečištěnými neustálými nánosy kosmického prachu. Prstence by vypadaly mnohem tmavší, kdyby byly velmi staré, stejně jako se časem zašpiní nově napadaný sníh. Výpočty ukazují, že za 100 milionů let budou světlé Saturnovy prstence ztmavlé všudypřítomným kosmickým smetím ve stejné míře jako starší, uhelně černé prstence Uranu a Neptunu.

Gravitační tahy Saturnových měsíců na prstence zkrátí jejich životnost, což je další známkou jejich mládí. Při vytváření hustotních vln v prstencích odebírají blízké měsíce částicím prstence hybnost, což způsobuje jejich pomalé spirálování směrem k Saturnu; aby se hybnost v celém systému zachovala, měsíce se od planety postupně vzdalují. Prstenec A bude nakonec vtažen do prstence B a všechny prstence by se měly zhroutit v důsledku této interakce mezi měsíci a prstenci přibližně za 100 milionů let.

Tím se dostáváme zpět k druhému vysvětlení vzniku Saturnových prstenců, podle něhož se dříve existující těleso zatoulalo příliš blízko Saturnu a bylo roztrháno slapovými silami. Mohl to být jeden ze Saturnových měsíců nebo vetřelec z jiné oblasti sluneční soustavy. Družice mohla vzniknout mimo Rocheovu mez a pohybovat se směrem dovnitř v důsledku působení slapových sil, které by ji nakonec roztrhaly na kusy. Jak již bylo zmíněno, celková hmotnost všech částic prstenců je podobná hmotnosti relativně malého Saturnova satelitu Mimas, takže se zdá rozumné, že prstence mohly vzniknout z takového měsíce nebo z několika menších. Koneckonců marťanský měsíc Phobos je nyní slapovými silami neúprosně přitahován k rudé planetě a největší Neptunův satelit Triton také míří na kolizní kurz ke své planetě.