Пръстенът на Фийб се превърна в луни в червено?

Най-загадъчният пръстен на Сатурн може би е изиграл ключова роля в преобразуването на повърхностите на Япет и Хиперион.

Япетус, двутонната луна на Сатурн, както се вижда от Касини през 2015 г. Двете половини на Луната са ясно видими. Кредит за изображение: NASA / JPL-Caltech / Space Science Institute.

Япетус, третата по големина луна на Сатурн, има една от най-странните повърхности в Слънчевата система. Едното полукълбо, наречено Cassini Regio, е тъмно с лек червеникав оттенък, докато противоположното полукълбо е силно бяло. Освен това, другата страна има значително по-високо албедо, което означава, че отразява много повече светлина от тъмночервеникавата страна. Това своеобразно разминаване бе забелязано за първи път преди три века от Джовани Касини и бе подробно заснето през 2007 г. от сондата, кръстена на него.

Водещата теория за разликата в яркостта твърди, че с течение на времето воден лед се сублимира от едната страна на Луната. Това доведе до термична обратна връзка, като промени албедото на полукълбата и следователно повиши повърхностната му температура, което доведе до повече сублимация. Последните наблюдения на космическите кораби Касини подкрепят тази хипотеза. В теорията обаче липсва едно: начин за стартиране на този цикъл за обратна връзка.

Цилиндрична проекция на Япет, направена от мозайка от изображения на Касини. Кредит за изображение: НАСА / JPL-Caltech / Институт за космически науки / Лунен и планетен институт.

Възможно е едно обяснение: може би тъмните червеникави частици, отговорни за стартирането на процеса, идват от някакво друго астрономическо тяло, може би от друга Сатурнова луна. Това остава предположението до 2009 г., когато инфрачервеният космически телескоп Spitzer направи изненадващо откритие: огромен диск с материал, 25 пъти по-голям от останалите пръстени на Сатурн. Прочетете нататък, за да разберете какво е открил Спитцер, откъде идва и защо е толкова важен.

Как да направите пръстен широк 11 милиона километра?

Пръстеновата система на Сатурн е най-голямата в Слънчевата система и лесно най-сложната. Състои се от серия от различни скали и лед, разделени от празни празнини, поддържани от овчарски луни. Докато светлият А пръстен завършва на 137 000 км от планетата, отвъд него има по-тънки и по-слаби пръстени, включително издържливият Е пръстен, който се простира на 480 000 км, или 8,25 радиуса на Сатурн.

Окончателното изображение на Сасин на Сатурн, направено през 2017 г. Няколко луни са етикетирани, макар и изключително слаби. Кредит за изображение: NASA / JPL-Caltech / Space Science Institute.

Смята се, че основните пръстени са се образували преди около 100 милиона години, по всяка вероятност от луна, която е била разкъсана от приливни сили. Изглежда обаче, че няколко по-малки пръстена се допълват активно. Например, летецът на Касини показа, че ледените гейзери от Енцелад изхвърлят малки частици, които образуват Е пръстен. През 2009 г. друга луна е насочена като възможен източник на пръстен материал: Фийби, която се движи по ексцентрична ретроградна орбита с полу-голяма ос от 215 сатурнови радиуса.

Космическият телескоп Spitzer е изобразил Сатурн на 24 и 70 µm, дължина на вълната, при която хладният прах трябва да бъде най-видим. Наблюденията не разочароваха. Мозайки от изображения показваха голям пръстен от прах, простиращ се между радиуси от 128 до 215 Сатурн и удивителни дебели 40 сатурнови радиуса. Тя беше ясно центрирана около Луната и разширена навътре достатъчно далеч, за да прокара орбитата на Япет. Моделите показаха, че по-голямата част от материала не е пребивавал толкова близо до планетата. За да достигне орбитата на Япет, би трябвало да измине около 8,7 милиона километра. Как тогава това може да се случи - и защо е засегната само половината от Япет?

Фигура 1, Verbischer et al. 2009. Пръстенът на Фийби е най-забележим в мозаечната марка MIPSON, между радиуси от 128 до 180 Сатурн. Големите диагонални линии са само наблюдателни артефакти.

Процесът на изхвърляне изглеждаше доста ясен: микрометеороидни въздействия. Когато малки парчета скала удрят повърхността на Фийб, те изхвърлят малки частици лед и силикат от кора, които избягат от Луната и образуват прашен пръстен около нея. Изхвърлянето обаче бързо се разпространява чрез нещо, наречено ефект на Поантинг-Робъртсън. Малките частици абсорбират слънчевата радиация и след това я излъчват асиметрично, което води до намаляване на орбиталния ъглов импулс. През десетки милиони години тези частици попадат в по-ниски орбити, благодарение на това повторно излъчване. Ефектът на Поантинг-Робъртсън е важен фактор за развитието на протопланетарните дискове - и, изглежда, пръстеновите системи.

Този вдъхновяващ материал би покрил равномерно Iapetus, ако не беше някои необичайни характеристики на орните на луните. Първо, Япет е добре прикрепен към Сатурн, така че едното полукълбо винаги е "водещата" страна, а другото винаги е "закъснялата" страна. Второ, Фийби има ретроградна орбита, което означава, че пътува в обратна посока на повечето луни на Сатурн - и следователно, така и праховият му звън. Това означава, че когато частиците на пръстена се сблъскат с Iapetus, те правят това само от водещата му страна, превръщайки едно полукълбо в тъмно и намалявайки неговото албедо.

Фигура 4, Verbischer et al. 2009. Числени симулации на движение на частици през 2000 г. показаха как пръстенът може да нарасне, за да достигне орбитите на Япет и дори Титан, представен от тънки сини пръстени около Сатурн.

Спектроскопия: проблеми и решения

Теорията не е без своите проблеми. Основният проблем беше открит чрез спектроскопични наблюдения на Фиба, Япетус и Хиперион - малка, нередовна луна на Сатурн, която е зачервена по същия начин като Япет. Фийб и Япет показват спектрални сходства, включително ясно изразена абсорбционна характеристика при 3 µm, която е приписана на въглеводороди, открити в двете тела, доказателство за общо минало (Cruikshank et al. 2008).

Фигури 3 и 8, Cruikshank et al. 2008. Абсорбционната лента, центрирана на 3 μm, е ясно видима в инфрачервените спектри и на двете луни. Смята се, че полицикличните ароматни въглеводороди (PAH) са отговорни.

Наличието на едни и същи материали в две луни не означава, че материал от едната е бил транспортиран до другия. Просто обяснение би могло да бъде, че те просто са се образували в подобни среди - идея, подкрепена от факта, че Япет е най-близкият съсед на Фийби. Счита се обаче, че Фиби и Япет са от различни места; Фийби вероятно е заловен астероид, който се е образувал в пояса на Койпер, докато Япетус се е образувал на място около Сатурн. Това дава повече подкрепа на идеята, че прехвърлянето на материал се е случило след образуването на луните.

Фигура 1, Buratti et al. 2002 година.

Докато спектралните характеристики на въглеводородите и другите молекули изглеждат като добра новина, не всички спектроскопични данни подкрепят теорията, че луните са свързани. Например спектралният анализ от началото на 2000-те (Buratti et al. 2002) на трите луни и редица по-малки луни и астероиди показва големи разлики между Фийб и другите две луни при дължина на вълната от 0,4–1,0 µm. Тъмните области на Хиперион и Япет са изключително сходни; Повърхността на Фийби не е така. На пръв поглед това изглежда е ясно доказателство срещу цялата теория, но трудностите се избягват, ако приемем, че по-голямата част от обезцветяването, което виждаме сега, не се дължи пряко на отлагане от пръстена на Фийб.

В началото споменах термична обратна връзка от някакъв вид, която беше стартирана от прехвърлянето на материал от Фийби. Първоначално отложеният материал върху водещото полукълбо на Япет пада върху голяма част от ледената му повърхност. Прахът имал ниско албедо, което означава, че поглъща по-голямата част от светлината, която го удря. Това го загрява. Тогава тази топлина ще бъде прехвърлена към леда, покрит от праха, и ледът ще сублимира, като допълнително ще намали лунното албедо (виж Spencer & Denk 2010).

Подобен процес може да се случи и при Hyperion. Hyperion обаче не е закопчан привързано към Сатурн - всъщност въртенето му е толкова хаотично, че се разпада в пространството. Това означава, че е трябвало да натрупа праха по цялата му повърхност, като го потъмнява равномерно. Може да възникне същата верига за обратна връзка, но тя не би довела до такова асиметрично разпределение на цвета и албедото.

Фигура 3, Verbischer et al. 2009. Тази графика показва интензитета на излъчване при различни височини в пръстена. Светлото петно ​​е фонова галактика.

Има доказателства за идеята, че пръстенът на Фийби е отговорен за странните повърхности на Япет и Хиперион, а също така има доказателства, че цикълът е започнат от някакъв друг източник на материал. Самият пръстен все още се изучава, както при инфрачервена, така и при оптична дължина на вълната, за да се опита да различи неговия размер и маса с още по-голяма точност. Независимо дали това е механизмът, който стои зад обезцветяването, той остава - засега - най-големият пръстен на Сатурн.