Szaturnusz: a gyűrűk ura

A Szaturnusz figyelemre méltó gyűrűi

Vízjég kavargó részecskéinek milliárdjai

A Szaturnusz szigorúan szép gyűrűi olyan nagyok és fényesek, hogy már kis távcsővel is láthatjuk őket. És mivel a csillogó gyűrűk az ekliptikához, a Föld Nap körüli pályájának síkjához képest megdőlnek, a Földről nézve megváltozik az alakjuk. A gyűrűket egymás után látjuk széleken, amikor egy kis távcsőben rövid időre eltűnhetnek a helyükről, alulról, amikor szélesre tárulnak, ismét széleken, majd felülről. A teljes ciklushoz 29,458 földi évre, a Szaturnusz keringési idejére van szükség, így a gyűrűk körülbelül 15 évente szinte eltűnnek a szemünk elől. Az utolsó eltűnés 1995-ben történt.

A Szaturnusz három fő gyűrűjét évszázadok óta megfigyelik. Van a külső A gyűrű és a központi B gyűrű, amelyeket a sötét Cassini-osztag választ el egymástól, valamint egy belső C, vagy kreppgyűrű, amely átlátszóbb, mint a másik kettő. Ezek a gyűrűk a térben lebegnek, nem kapcsolódnak a Szaturnuszhoz, mert a távolságuktól függő sebességgel mozognak a bolygó körül, szemben a gravitáció vonzásával.

A gyűrűk belső részei gyorsabban mozognak a Szaturnusz körül, mint a külső részek, mindez összhangban van Kepler harmadik törvényével egy masszív, nagyobb körül keringő kis objektumokra. A bolygó körül 5,8 órától a C-gyűrű belső peremének periódusa a távolabbi A-gyűrű külső peremének 14,3 órájáig terjedő periódussal keringenek. Mivel a Szaturnusz 10,6562 órás periódussal forog a tengelye körül, a főgyűrűk belső részei gyorsabban keringenek, mint ahogy a bolygó forog, a külső részek pedig lassabban.

A gyűrűk belső és külső részei közötti keringési mozgáskülönbség azt jelenti, hogy nem egy szilárd anyaglemezből állnak, mert a differenciális mozgás miatt szétszakadnának. A gyűrűk ehelyett hatalmas mennyiségű részecskéből állnak, amelyek mindegyike a saját pályáján kering a Szaturnusz körül, mint egy apró hold. A gyűrű részecskék milliárdjai keringenek a bolygó körül. A részecskék közötti ütközések eredményeként ellaposodtak és vékony, széles koronggá terültek szét.

A Szaturnusz gyűrűi laposak, szélesek és hihetetlenül vékonyak. Széltől-szélig mérve a három fő gyűrű összesen 62,2 ezer kilométer széles, tehát valamivel szélesebbek, mint a bolygó sugara, ami 60,3 ezer kilométer. Ha a Földről vagy a Föld közeléből, a gyűrűk széle felől szemléljük, gyakorlatilag eltűnnek a szemünk elől. Körülbelül egy kilométer vastagnak tűnnek, de ez egy olyan illúzió, amelyet a görbületnek, a fodrozódásnak, a beágyazott műholdaknak és a vékony, ferde külső gyűrűnek tulajdonítanak. Amikor a Voyager 2 műszerei megfigyelték a gyűrűkön áthaladó csillagfényt, azt találták, hogy a gyűrűk szélei felülről lefelé csak körülbelül 10 métert tesznek ki. Ha egy papírlap képviseli a Szaturnusz gyűrűinek vastagságát, akkor egy méretarányos modell két kilométer átmérőjű lenne.

Miből állnak a gyűrű részecskéi? A látható hullámhosszon a gyűrűk fényesek és fényvisszaverőek, de infravörös hullámhosszon sötétek és kevésbé fényvisszaverőek. Ez arra utal, hogy a részecskék hidegek és jégből készültek. Valójában nagyrészt, és szinte kizárólag vízjégből állnak. A kiemelkedő A, B és C gyűrűk össztömege nagyjából megegyezik a Szaturnusz műholdjának, a Mimasnak a tömegével, amely 4,5 x 1019 kilogramm, és ez a tömeg összhangban van a vízjégből álló részecskékkel.

A gyűrű részecskéi túl kicsik ahhoz, hogy az űrszondák kamerái egyenként láthassák őket, de a tudósok rádiós mérésekből következtetni tudnak a méretükre. Mivel a gyűrűk nagyon jól visszaverik a földi radarok adását, tudjuk, hogy részecskéik a körülbelül 0,1 méteres radarhullámhosszhoz hasonló, vagy annál nagyobb méretűek. A részecskék méreteloszlását abból határozták meg, ahogyan a gyűrűk blokkolták a Voyager 1 és 2 rádiójeleit, amikor az űreszközök elhaladtak a gyűrűk mögött. Ez a módszer azt mutatta, hogy feltűnően kevés az 5-10 méternél nagyobb vagy 0,01 méternél kisebb részecske. Ezeken a határokon belül a fő gyűrűkben a részecskék száma a méret növekedésével csökken, a sugaruk fordított négyzetével arányosan.

A négy további gyűrű, amelyeket D, E, F és G gyűrűnek neveztek el, sokkal kisebb, mikroszkopikus méretű jégkristályokból áll. Ezek a gyűrűk, amelyeket földi vagy űrszondás megfigyelésekkel fedeztek fel, mind nagyon diffúzak, vékonyak és majdnem átlátszóak. Az, ahogyan részecskéik szórják a fényt, arra utal, hogy ezek a legkisebbek mind közül, nagyjából mikron méretűek – a mikron milliomod, azaz 10-6 méter.

A Pioneer 11 az energetikai részecskék elnyelése révén fedezte fel a hihetetlenül keskeny F gyűrűt, amely közvetlenül az A gyűrűn kívül helyezkedik el; míg a Voyager űrszonda felvételein az F gyűrűt nagy részletességgel mutatták be, bizonyítva, hogy szélessége néhány ezer és több tízezer méter között változik. Ráadásul nem is egyetlen gyűrűről van szó, a Voyager 1 keskeny szálak torzult kuszaságát észlelte, amely kisimult, mire a Voyager 2 körülbelül 9 hónappal később megérkezett. Mivel az F gyűrű részecskéi fényesebbek, amikor a Nap hátulról megvilágítja őket, és halványabbak a visszavert napfényben, tudjuk, hogy a részecskék mikron méretűek is, sokkal kisebbek, mint a hópelyhek, és méretük a szobádban lévő poréhoz hasonlítható.

De hogyan tarthat meg ez a gyűrű ilyen keskeny határokat? Más erők hiányában a gyűrű részecskéi közötti ütközéseknek szét kellene terjeszteniük azokat, a részecskéknek befelé kellene esniük a Szaturnusz felé, és onnan kifelé tágulniuk, így egy szélesebb és diffúzabb gyűrűt hozva létre. Két apró hold, a Pandora és a Prometheus, az F-gyűrűt szegélyezi, és maguk közé zárják azt, megakadályozva ezzel, hogy az F-gyűrű részecskéi a gyűrű szűk határain túlra tévedjenek.

Karikák, hullámok, rések és küllők

Távolról nézve a Szaturnusz fő gyűrűi sima, összefüggő struktúráknak tűnnek. Közelről azonban, a Voyager 1 és 2 űrszondák által nyújtott felvételek alapján a jeges anyag több ezer különálló gyűrűcskévé rendeződik. A gyűrűk némelyike tökéletesen kör alakú, mások ovális alakúak, néhány pedig úgy tűnik, mintha spirálisan haladna a bolygó felé, mint egy régimódi hanglemez barázdái. Néhány helyen a gyűrűk sík síkja enyhén hullámos, és a hullámok csúcsain és mélyedéseiben gyűrűk láthatók, mintha hullámok futnának végig egy tó felszínén.

Egy külső kéz dolgozik, amely a gravitáció erejével formálja a bonyolult gyűrűszerkezetek legalább egy részét. A Szaturnusz kombinált gravitációs vonzása és a közeli holdak felhalmozott vonzása képes a gyűrű részecskéit újraelosztani, és a megfigyelt formák közül sokba koncentrálni. Bár a közeli kis holdak csak gyenge gravitációs vonzást gyakorolnak a gyűrűk részecskéire, a vonzás bizonyos rezonáns helyeken újra és újra megismétlődik. Ahogyan egy hintán ülő gyermeket is magasan a föld fölött ívelő ívre tudunk kényszeríteni egy gyengéd, ismétlődő lökéssel a hinta ugyanazon helyén, úgy egy kis külső hold ismétlődő gravitációs vonzása minden egyes keringés során váratlanul nagy perturbációt eredményezhet. Ennek a hatásnak és a Szaturnusz befelé irányuló gravitációs vonzásának a kölcsönhatása taszíthatja és vonzhatja a gyűrű részecskéit, tolva és húzva őket lokális koncentrációkba, például gyűrűkbe.

Az ismert holdakkal való egyszerű kölcsönhatások azonban nem voltak teljesen sikeresek a Szaturnusz gyűrűiben található összes bonyolult részletet megmagyarázni. A látszólagos hézagok a rendszerben nem teljesen üresek. A Cassini-osztagban például talán 100 gyűrűcske található, amelyek részecskéi ugyanolyan nagyok, mint a szomszédos gyűrűben lévők. Néhány rés még csak nem is az ismert rezonáns pozíciókban fordul elő, vagy felfedezett holdakat tartalmaz beágyazódva. A láthatatlan holdak befolyásolhatják az anyag összecsomósodását és eltávolítását ezeken a helyeken.

A Voyager talán legbizarrabb felfedezése a hosszú, sötét csíkok, amelyeket küllőknek neveztek el, és amelyek sugárirányban húzódnak végig a gyűrűkön, megtartva alakjukat, mint egy kerék küllői. Ezek az efemer vonások rövid életűek, de gyakran regenerálódnak. A B-gyűrű legsűrűbb része közelében találhatók, amely a bolygóval együtt 10,6562 órás periódussal forog. De a Szaturnusz sötét küllők belső és külső részei is ezzel az időszakkal, állandó sebességgel örvénylenek a bolygó körül, nyilvánvalóan megsértve Kepler harmadik törvényét és Newton gravitációs elméletét. Ha a küllők a gyűrűkbe ágyazott sötét részecskékből állnának, akkor a részecskék a Szaturnusztól való távolság növekedésével csökkenő sebességgel mozognának, és a küllők gyorsan megnyúlnának és eltűnnének.

Az egyik feltevés szerint a kis porszemcsék feltöltődhetnek, talán energikus elektronokkal való ütközések eredményeként. Az elektromágneses erők ezután felemelik vagy lebegtetik az apró, töltött részecskéket a nagyobb gyűrűtestekről, és a küllőket a Szaturnusz körül sodorja annak forgó mágneses tere. Bizarrul hangzik, de finom erőkre van szükség a gravitáció legyőzéséhez.

Miért vannak a bolygóknak gyűrűi?

Elvárható lenne, hogy a gyűrű részecskéi régen nagyobb szatellitekké halmozódtak fel. A gyűrűk érdekessége – és eredetükre utaló nyom – azonban az, hogy nem léteznek együtt nagy holdakkal. A bolygógyűrűk mindig közelebb vannak a bolygókhoz, mint a nagy szatellitjeikhez.

A gyűrűk egy olyan belső zónára korlátozódnak, ahol a bolygó árapály-erői addig feszítenének egy nagy szatellitet, amíg az el nem törik és szét nem hasad, ugyanakkor megakadályozzák, hogy a kis testek nagyobb holdakká egyesüljenek. Ennek a zónának a külső sugarát, amelyben a gyűrűk találhatók, Roche-határnak nevezik Eduoard A. Roche (1820-1883) francia matematikus után, aki 1848-ban írta le. Egy belső szilárdság nélküli műhold esetében, amelynek sűrűsége megegyezik a bolygóéval, a Roche-határ a bolygó sugarának 2,456-szorosa, vagyis a Szaturnusz esetében körülbelül 147 ezer kilométer.

És honnan származnak a Szaturnusz gyűrűi? Eredetükre két lehetséges magyarázat létezik. Az első magyarázat szerint a gyűrűk a Szaturnusz mintegy 4,6 milliárd évvel ezelőtti születéséből visszamaradt anyagból állnak. Ez a hipotézis feltételezi, hogy a gyűrűk és a holdak egy időben keletkeztek egy gázból és porból álló lapított korongban, amelynek középpontjában a nagy, újonnan született Szaturnusz állt. A második magyarázat szerint egy korábbi hold vagy valamilyen más égitest túl közel került a Szaturnuszhoz, és az óriásbolygó árapály-erői darabokra tépték, így jöttek létre a gyűrűk. Ebben az esetben a gyűrűk a Szaturnusz, annak műholdjai és a Naprendszer többi részének nagy része után keletkezhettek.

A csillagászok most úgy becsülik, hogy a Szaturnusz gyűrűi kevesebb mint 100 millió évesek, vagyis a Szaturnusz élettartamának kevesebb mint két százaléka. A Szaturnusz gyűrűinek káprázatos, szikrázó fényessége bizonyítja ezt a fiatalságot. Tiszta vízjég tiszta részecskéitől csillognak, amelyeket nem szennyezett be a kozmikus por állandó zúdulása. A gyűrűk sokkal sötétebbnek tűnnének, ha nagyon öregek lennének, ahogyan az újonnan lehullott hó is szennyeződik az idő múlásával. A számítások azt mutatják, hogy 100 millió év múlva a Szaturnusz fényes gyűrűit a mindenütt jelenlévő kozmikus törmelék ugyanolyan mértékben fogja sötétíteni, mint az Uránusz és a Neptunusz idősebb, szénfekete gyűrűit.

A Szaturnusz holdjainak a gyűrűkre gyakorolt gravitációs rántásai megrövidítik a gyűrűk életét, ami újabb jelét adja fiatalságuknak. Amikor a gyűrűkben sűrűséghullámokat hoznak létre, a közeli holdak lendületet vonnak el a gyűrű részecskéitől, aminek hatására azok lassan spirálisan a Szaturnusz felé fordulnak; hogy a teljes rendszerben megőrizzék a lendületet, a holdak fokozatosan távolodnak a bolygótól. Az A gyűrű végül lehúzódik a B gyűrűbe, és ennek a hold-gyűrű kölcsönhatásnak az eredményeként körülbelül 100 millió év múlva az összes gyűrűnek össze kell omlania.

Ez visszavezet minket a Szaturnusz gyűrűinek második magyarázatához, amelyben egy korábban létező test túl közel tévedt a Szaturnuszhoz, és az árapályerők szétszakították. Ez lehetett a Szaturnusz egyik holdja, vagy egy betolakodó a Naprendszer egy másik régiójából. Egy műhold a Roche-határon kívül is kialakulhatott, és az árapályerők hatására befelé mozdulhatott, ami végül darabokra tépte a műholdat. Mint korábban említettük, az összes gyűrű-részecske össztömege hasonló a Szaturnusz viszonylag kis műholdjának, a Mimasnak a tömegéhez, így ésszerűnek tűnik, hogy a gyűrűk egy ilyen holdból, vagy néhány kisebb holdból alakulhattak ki. Elvégre a Mars Phobos nevű holdját az árapály-erők most feltartóztathatatlanul a vörös bolygó felé húzzák, és a Neptunusz legnagyobb műholdja, a Triton is ütközési pályára áll bolygója felé.”