Saturn: stăpânul inelelor

Numele remarcabilelor inele ale lui Saturn

Miliarde de particule de gheață de apă care se învârt

Inelele lui Saturn, de o frumusețe austeră, sunt atât de mari și de strălucitoare încât le putem vedea cu un telescop mic. Și pentru că inelele strălucitoare sunt înclinate în raport cu ecliptica, planul orbitei Pământului în jurul Soarelui, ele își schimbă forma atunci când sunt privite de pe Pământ. Inelele sunt văzute succesiv dinspre margine, când pot dispărea pentru scurt timp din fața unui telescop mic, de jos, când sunt larg deschise, din nou dinspre margine și apoi de sus. Ciclul complet necesită 29,458 de ani tereștri, perioada orbitală a lui Saturn, astfel încât inelele aproape dispar de la vedere la fiecare 15 ani sau cam așa ceva. Ultima dispariție a avut loc în 1995.

Cele trei inele principale ale lui Saturn au fost observate timp de secole. Există inelul exterior A și inelul central B, separate de diviziunea întunecată Cassini, și un inel interior C, sau creponat, care este mai transparent decât celelalte două. Ele rămân suspendate în spațiu, neatârnate de Saturn, deoarece se deplasează în jurul planetei cu viteze care depind de distanța lor, opunându-se atracției gravitaționale.

Părțile interioare ale inelelor se deplasează în jurul lui Saturn mai repede decât cele exterioare, totul în conformitate cu cea de-a treia lege a lui Kepler pentru obiectele mici care se învârt în jurul unui obiect masiv, mai mare. Ele orbitează în jurul planetei cu perioade care variază de la 5,8 ore pentru marginea interioară a inelului C, până la 14,3 ore pentru marginea exterioară a inelului A, mai îndepărtat. Deoarece Saturn se rotește în jurul axei sale cu o perioadă de 10,6562 ore, părțile interioare ale inelelor principale orbitează cu o viteză mai mare decât cea de rotație a planetei, iar părțile exterioare cu o viteză mai mică.

Diferența de mișcare orbitală dintre părțile interioare și cele exterioare ale inelelor înseamnă că acestea nu sunt o foaie solidă de materie, deoarece ar fi sfâșiate de mișcarea diferențială. În schimb, inelele sunt alcătuite dintr-un număr mare de particule, fiecare pe propria orbită în jurul lui Saturn, ca o mică lună. Miliarde de particule de inele se învârt în jurul planetei. Acestea au fost aplatizate și împrăștiate într-un disc subțire și lat, ca rezultat al coliziunilor dintre particule.

Inelele lui Saturn sunt plate, late și incredibil de subțiri. Măsurate de la o margine la alta, cele trei inele principale se întind pe o lățime totală de 62,2 mii de kilometri, deci sunt puțin mai late decât raza planetei, de 60,3 mii de kilometri. Atunci când sunt observate de pe margine, de pe Pământ sau din apropierea acestuia, inelele practic dispar din vedere. Ele par a avea o grosime de aproximativ un kilometru, dar aceasta este o iluzie atribuită deformărilor, ondulațiilor, sateliților încorporați și unui inel exterior subțire și înclinat. Când instrumentele de pe Voyager 2 au monitorizat lumina stelară care trece prin inele, au constatat că marginile inelelor se întind doar aproximativ 10 metri de sus în jos. Dacă o foaie de hârtie reprezintă grosimea inelelor lui Saturn, atunci un model la scară ar avea un diametru de doi kilometri.

Din ce sunt făcute particulele inelelor? La lungimi de undă vizibile, inelele sunt luminoase și reflectante, dar la lungimi de undă în infraroșu ele sunt întunecate și mai puțin reflectante. Acest lucru sugerează că particulele sunt reci și sunt făcute din gheață. De fapt, acestea sunt compuse în mare parte, și aproape exclusiv, din gheață de apă. Masa totală a inelelor proeminente A, B și C este aproximativ egală cu cea a satelitului Mimas al lui Saturn, care cântărește 4,5 x 1019 kilograme, iar o astfel de masă este în concordanță cu particulele compuse din gheață de apă.

Particulele inelelor sunt prea mici pentru camerele de luat vederi ale navelor spațiale pentru a le vedea individual, dar oamenii de știință pot deduce dimensiunea lor din măsurătorile radio. Deoarece inelele sunt foarte reflectante la transmisiunile radar de la sol, știm că particulele lor sunt comparabile sau mai mari decât lungimea de undă radar de aproximativ 0,1 metri. Distribuția mărimii particulelor a fost determinată din modul în care inelele au blocat semnalele radio de la Voyager 1 și 2 atunci când navele spațiale au trecut prin spatele inelelor. Această metodă a arătat că există un număr remarcabil de puține particule cu dimensiuni mai mari de 5 până la 10 metri sau mai mici de 0,01 metri. În aceste limite, numărul de particule din inelele principale scade odată cu creșterea dimensiunii, proporțional cu pătratul invers al razei lor.

Cu toate acestea, patru inele suplimentare, denumite inelele D, E, F și G, sunt formate din cristale de gheață mult mai mici, microscopice. Aceste inele, descoperite cu ajutorul observațiilor de la sol sau de pe nave spațiale, sunt toate foarte difuze, subțiri și aproape transparente. Modul în care particulele lor împrăștie lumina indică faptul că ele sunt cele mai mici dintre toate, cu o dimensiune de aproximativ un micron – un micron este milioana, sau 10-6, metri.

Pioneer 11 a descoperit inelul F incredibil de îngust, care se află chiar în afara inelului A, prin absorbția sa de particule energetice; în timp ce imaginile de pe nava spațială Voyager au arătat inelul F în mare detaliu, demonstrând că lățimea sa variază de la câteva mii la zeci de mii de metri. Mai mult decât atât, nu este vorba doar de un singur inel, Voyager 1 a reperat o încrengătură contorsionată de fire înguste, care s-a netezit până la sosirea Voyager 2, aproximativ 9 luni mai târziu. Deoarece particulele inelului F sunt mai strălucitoare atunci când sunt iluminate de Soare și mai slabe în lumina reflectată a Soarelui, știm că particulele sunt, de asemenea, de mărimea unui micron, mult mai mici decât fulgii de zăpadă și comparabile ca mărime cu praful din camera dumneavoastră.

Dar cum poate acest inel să păstreze limite atât de înguste? În absența altor forțe, coliziunile dintre particulele inelului ar trebui să le împrăștie, determinând particulele să cadă în interior spre Saturn și să se extindă spre exteriorul acestuia, creând astfel un inel mai larg și mai difuz. Două luni minuscule, numite Pandora și Prometheus, flanchează inelul F și îl limitează între ele, împiedicând astfel particulele inelului F să se îndepărteze dincolo de limitele înguste ale inelului.

Inele, valuri, goluri și raze

De la distanță, inelele principale ale lui Saturn arată ca niște structuri netede și continue. De aproape, însă, din priveliștile oferite de navele spațiale Voyager 1 și 2, materialul de gheață este marșat în mii de inele individuale. Unele dintre inele sunt perfect circulare, altele sunt de formă ovală, iar câteva dintre ele par să intre în spirală spre planetă, precum canelurile de pe un disc de modă veche. În unele locuri, planul plat al inelelor este ușor ondulat, iar inelele sunt observate pe crestele și adâncimile ondulațiilor, ca niște valuri care curg pe suprafața unui iaz.

O mână exterioară lucrează la sculptarea cel puțin a unora dintre structurile complicate ale inelelor prin forța gravitațională. Atracția gravitațională combinată a lui Saturn și atracția acumulată a sateliților din apropiere poate redistribui particulele inelului, concentrându-le în multe dintre formele observate. Deși lunile mici din apropiere au doar o atracție gravitațională slabă asupra particulelor din inele, atracția se repetă la nesfârșit în anumite locuri de rezonanță. Așa cum putem face ca un copil aflat pe un leagăn să se arcuiască la mare înălțime deasupra solului cu o împingere ușoară și repetată în același loc al leagănului, tot așa, atracția gravitațională repetată a unei mici luni externe în timpul fiecărei orbite poate da o perturbare neașteptat de mare. Interacțiunea dintre acest efect și atracția gravitațională interioară a lui Saturn poate respinge și atrage particulele inelelor, împingându-le și trăgându-le în concentrații localizate, cum ar fi inelele.

Dar interacțiunile simple cu lunile cunoscute nu au reușit în totalitate să explice toate detaliile complicate găsite în inelele lui Saturn. Lacunele aparente din sistem nu sunt complet goale. Diviziunea Cassini, de exemplu, conține poate 100 de inele, cu particule la fel de mari ca și cele din inelul vecin. Unele lacune nici măcar nu apar în poziții de rezonanță cunoscute sau conțin sateliți detectați încorporați în ele. Lunile nevăzute ar putea influența aglomerarea și îndepărtarea materialului în aceste locații.

Poate cea mai bizară descoperire a Voyager a fost reprezentată de dungile lungi și întunecate, botezate raze, care se întind radial de-a lungul inelelor, păstrându-și forma ca razele unei roți. Aceste caracteristici efemere sunt de scurtă durată, dar se regenerează frecvent. Ele se găsesc în apropierea celei mai dense părți a inelului B, care se rotește împreună cu planeta la o perioadă de 10,6562 ore. Dar și părțile interioare și exterioare ale spițelor întunecate ale lui Saturn se rotesc în jurul planetei cu această perioadă, cu o viteză constantă, într-o aparentă încălcare a celei de-a treia legi a lui Kepler și a teoriei gravitaționale a lui Newton. Dacă spițele ar consta din particule întunecate încorporate în inele, particulele s-ar deplasa cu viteze care scad odată cu creșterea distanței față de Saturn, iar spițele s-ar întinde rapid și ar dispărea.

Potrivit unei ipoteze, micile particule de praf ar putea deveni încărcate, poate ca urmare a coliziunilor cu electroni energetici. Forțele electromagnetice ridică sau levitează apoi micile particule încărcate de pe corpurile mai mari ale inelului, iar spițele sunt măturate în jurul lui Saturn de câmpul magnetic rotativ al acestuia. Sună bizar, dar sunt necesare forțe subtile pentru a învinge gravitația.

De ce au planetele inele?

S-ar putea să ne așteptăm ca particulele unui inel să se fi acumulat cu mult timp în urmă în sateliți mai mari. Dar caracteristica interesantă a inelelor – și un indiciu al originii lor – este că ele nu coexistă cu sateliți mari. Inelele planetare sunt întotdeauna mai aproape de planete decât sateliții lor mari.

Inelele sunt limitate la o zonă interioară în care forțele de maree ale planetei ar întinde un satelit mare până la fracturare și divizare, împiedicând în același timp corpurile mici să se unească pentru a forma o lună mai mare. Raza exterioară a acestei zone în care se găsesc inelele este numită limita Roche, după numele matematicianului francez Eduoard A. Roche (1820-1883), care a descris-o în 1848. Pentru un satelit fără rezistență internă și a cărui densitate este aceeași cu cea a planetei, limita Roche este de 2,456 ori raza planetară, adică aproximativ 147 de mii de kilometri pentru Saturn.

Și de unde au apărut inelele lui Saturn? Există două explicații posibile pentru originea lor. În prima explicație, inelele constau din material rămas de la nașterea lui Saturn, în urmă cu aproximativ 4,6 miliarde de ani. Această ipoteză presupune că inelele și sateliții și-au avut originea în același timp într-un disc aplatizat de gaz și praf cu marele Saturn nou-născut în centru. Potrivit celei de-a doua explicații, o fostă lună sau un alt corp s-a apropiat prea mult de Saturn și a fost sfâșiat de forțele mareice ale planetei gigantice, dând naștere inelelor. În acest caz, inelele s-ar fi putut forma după Saturn, sateliții săi și mare parte din restul sistemului solar.

Astronomii estimează acum că inelele lui Saturn au o vechime mai mică de 100 de milioane de ani, sau mai puțin de două procente din durata de viață a lui Saturn. Strălucirea orbitoare și scânteietoare a inelelor lui Saturn oferă dovezi pentru această tinerețe. Ele strălucesc cu particule curate de gheață de apă pură, nealterate de lovirea constantă de către praful cosmic. Inelele ar arăta mult mai întunecate dacă ar fi foarte vechi, la fel cum zăpada proaspăt căzută se murdărește în timp. Calculele indică faptul că în 100 de milioane de ani, inelele strălucitoare ale lui Saturn vor fi întunecate de resturile cosmice omniprezente în aceeași măsură ca și inelele mai vechi, negre precum cărbunele, ale lui Uranus și Neptun.

Contracțiile gravitaționale ale sateliților lui Saturn asupra inelelor vor scurta durata de viață a inelelor, oferind un alt indiciu al tinereții lor. Atunci când stabilesc unde de densitate în inele, lunile din apropiere extrag impulsul din particulele inelelor, făcându-le să se deplaseze încet în spirală spre Saturn; pentru a conserva impulsul în întregul sistem, lunile se îndepărtează treptat de planetă. Inelul A va fi în cele din urmă tras în jos în inelul B, iar toate inelele ar trebui să se prăbușească în urma acestei interacțiuni lună-anel în aproximativ 100 de milioane de ani.

Acest lucru ne aduce înapoi la cea de-a doua explicație pentru inelele lui Saturn, în care un corp preexistent s-a îndepărtat prea mult de Saturn și a fost sfâșiat de forțele mareice. Acesta ar fi putut fi unul dintre sateliții lui Saturn sau un intrus din altă regiune a sistemului solar. Un satelit ar putea să se formeze în afara limitei Roche și să se deplaseze spre interior din cauza atracției forțelor mareice care, în cele din urmă, ar rupe satelitul în bucăți. După cum s-a menționat anterior, masa totală a tuturor particulelor din inele este similară cu masa satelitului relativ mic al lui Saturn, Mimas, astfel încât pare rezonabil ca inelele să se fi format dintr-o astfel de lună sau din câteva mai mici. La urma urmei, luna marțiană Phobos este acum atrasă inexorabil spre planeta roșie de forțele de maree ale acesteia, iar cel mai mare satelit al lui Neptun, Triton, se îndreaptă, de asemenea, pe un curs de coliziune cu planeta sa.