Nauka, Wszechświat i cała reszta

Władcy pierścieni

Star Trek J.J. Abramsa z 2009 roku nie zapadnie raczej w pamięć kinomanów, a tym bardziej fanów „Gwiezdnej Wędrówki”. Jest w nim jednak jedna scena, która prawdziwe rzuca na kolana. Chcąc ukryć się przed sensorami wroga, załoga Enterprise wychodzi z nadświetlnej w górnych warstwach atmosfery Tytana. Po chwili wyłania się z niej, a w tle podziwiać możemy spektakularny widok: Saturna i jego pierścienie.

Zapewne nie wiecie, że sceną tą możemy zachwycać się dzięki Caroline Porco, szefowej zespołu zajmującego się opracowywaniem obrazów uzyskiwanych przez kamery sondy Cassini-Huygens i specjalistki w zakresie pierścieni planetarnych. To właśnie amerykańska planetolog wskazała twórcom filmu, gdzie schować Enterprise tak, żeby nie tylko miało to sens, ale jeszcze dobrze wyglądało na dużym ekranie.

Pierścienie Saturna to bez wątpienia jedna z najbardziej zdumiewających struktur w Układzie Słonecznym. Mimo że ich średnica sięga ponad 250 tys. km, czyli bez mała dwie trzecie średniej odległości Ziemi od Księżyca, w większości miejsc liczą sobie zaledwie od 10 m do 1 km grubości. Składają się z miliardów kawałków skał i lodu wielkości od ziarenek piasku do rozmiarów jednorodzinnego domu. Uważa się, że powstały z pozostałości komet i asteroid złapanych przez grawitację gazowego olbrzyma oraz rozbitych podczas zderzeń księżyców planety.

Rysunki pierwszych obserwacji Saturna.

Pierwszym człowiekiem, który podążył tam, gdzie nie udał się wcześniej żaden człowiek, to jest jako pierwszy zobaczył pierścienie gazowego olbrzyma, był w 1610 roku Galileusz. Powstałe na podstawie tych obserwacji rysunki wprawiły włoskiego astronoma – a za nim innych – w niemałą konsternację. Pokazywały bowiem planetę z… uszami. Prowadzone w kolejnych latach badania jeszcze bardziej zadziwiły uczonych. Za każdym razem astronomowie zdawali się bowiem oglądać coś innego. W ten sposón natura Saturna stała się jedną z największych naukowych tajemnic pierwszej połowy XVII wieku. Dopiero w 1656 holenderski astronom Christiaan Huygens zrozumiał, co tak naprawdę oznacza ta zmienność. Stwierdził on, że planetę otacza cienki, płaski pierścień.

Sam Huygens uważał, że odkrył prawdziwą naturę gazowego olbrzyma, gdyż posiadał lepszy od konkurencji sprzęt. W rzeczywistości dysponował jednak czymś innym: potężną hipotezą. Huygens podzielał pogląd Kartezjusza, który uważał, że stwarzając świat, bóg całą materię zgrupował w wirach. Jednym z nich był u zarania dziejów nasz Układ Słoneczny. Myśląc przez pryzmat tej hipotezy łatwo było wykoncypować, że Saturn jest takim właśnie wirem otoczonym nie tylko przez księżyce, ale i pierścień.

Fazy Saturna wedle rysunków Ch. Huygensa

W 1676 roku Giovanni Cassini jako pierwszy dostrzegł, że gazowemu olbrzymowi towarzyszy nie jeden wielki, ale kilka mniejszych pierścieni przedzielonych przerwami. Największa z tych przerw – licząca sobie 4700 km – nazwana została później jego nazwiskiem.

Kolejny przełom nastąpił w 1857 r., kiedy genialny James Clerk Maxwell stwierdził, że pierścienie nie mogą być lite. Wedle obliczeń układ taki byłby bowiem niestabilny. W ten sposób wysunięto hipotezę, że muszą być złożone z wielu drobnych elementów obiegających planetę. Udało się ją potwierdzić dopiero w 1985 roku, kiedy badania spektrograficzne pokazały, że prędkość orbitalna poszczególnych składowych jest różna i zgadza się z prawami Keplera.

Czas robotów

Po ludziach przyszedł czas robotów – to popularny motyw wielu dzieł i dziełek fantastycznonaukowych. Nie inaczej było w odkrywaniu tajemnic Saturna i jego pierścieni. Gdyby nie roboty – a właściwie zautomatyzowane misje sond kosmicznych – nasza wiedza na ich temat byłaby nikła. Nikt chyba jednak nie spodziewał się, że przyniosą one ze sobą aż tyle niespodzianek.

Pierwszą sondą, dzięki której z bliska mogliśmy przyjrzeć się Saturnowi i jego pierścieniom, był Pionieer 11. We wrześniu 1979 roku przeleciał on zaledwie 21 tys. km od nich. Dzięki dostarczonym przez Pionieera danym udało się odkryć pierścień F, którego szerokość liczy zaledwie 30-500 km. Okazał się on być też niezwykle aktywny, a zmiany w jego strukturze obserwować można z godziny na godzinę.

 

Pierścienie Saturna

Następny w kolejce był Voyager 1, który przeleciał w odległości 65 tys. km od Saturna, nieco ponad rok później. Sonda ta dostarczyła zdjęć dostarczył, dzięki którym zidentyfikowany został kolejny pierścień – G. Niedługo później, w sierpniu 1981 roku, w odległości 41 tys. km od systemu Saturna przeleciał Voyager 2. Przesłał on na Ziemię bezprecedensowe fotografie, dzięki którym badacze, a później ludzie na całym świecie, dostrzegli nigdy wcześniej nie widziane szczegóły budowy pierścieni. Ostatnim – jak dotąd – przełomem w badaniu systemu Saturna była misja Huygens-Cassini, która weszła na orbitę tej planety w lipcu 2004 roku i nadal dostarcza zapierających dech w piersiach zdjęć samego olbrzyma oraz okrążających go pierścieni i księżyców.

Na podstawie dotychczasowych danych naukowcy wydzielili dziesięć głównych pierścieni. Większość z nich ponumerowano – w kolejności odkrycia – od A do G. Część jednak zasłużyła sobie na bardziej wyróżniające nazwy, jak np. najszerszy z nich, bo liczący sobie aż ok. 10,5 tys. km szerokości, którego ochrzczono imieniem Febe. Całkowita waga materii tworzącej pierścienie szacowana jest obecnie na ok. 1020 kg, czyli mniej więcej tyle ile waży Enceladus – słynny księżyc Saturna, znany z występujących na jego powierzchni lodowych gejzerów.

Drużyna pierścieni

System pierścieni Urana

Długo zastanawiano się, dlaczego tylko Saturn posiada pierścienie. Aż wreszcie między 1977 a 1989 rokiem okazało się, że pytanie jest bezzasadne. Pierścieniami pochwalić się mogą bowiem również pozostałe gazowe olbrzymy: Jowisz, Uran i Neptun. Żadne z nich nie są jednak tak spektakularne, jak te należące do Saturna. Oglądając zdjęcia tych planet zazwyczaj nawet ich nie dostrzegamy. Może poza Uranem. Pierwsza wzmianka o pierścieniu wokół tego gazowego olbrzyma znalazła się w notatkach Williama Herschela niemal osiem lat po tym, jak odkrył on tę planetę. Dziś fizycy wątpią, by XVII-wieczne przyrządy były na tyle czułe, aby dostrzeżenie pierścieni Urana przez Herschela było możliwe. Dlatego za datę ich odkrycia wskazuje się raczej rok 1977. Właśnie w roku, kiedy premierę miał pierwszy epizod Gwiezdnych Wojen, astronomowie uważnie przyjrzeli się Uranowi podczas jego tranzytu na tle jasnej gwiazdy. Celem obserwacji było zbadanie struktury górnych warstw atmosfery planety. Odkryto jednak coś bardziej zaskakującego – pierścienie. Do dziś udało się wydzielić ich już 13. Co ciekawe, pierścienie Urana jako jedyne sięgają górnych warstw jego atmosfery.

Nagle okazało się, że pierścienie Saturna nie są jedynymi tego typu strukturami w Układzie Słonecznym. Ale jeszcze większym zaskoczeniem było to, że system Urana był zupełnie inny. Podczas gdy pierścienie Saturna są szerokie, te obiegające planetę nazwaną na cześć greckiego boga nieba są wąskie. Już dwa lata później pojawiło się wyjaśnienie. Pierścienie Urana kształtowane są przez tzw. księżyce pasterskie (inaczej księżyce prowadzące), których oddziaływanie grawitacyjne wpływa na ich formę. Później tego typu satelity odkryto również w przypadku innych gazowych olbrzymów i niektórych krążących wokół nich pierścieni.

Pierścienie Jowisza

Następny w kolejce był Jowisz. Pierwszych danych świadczących o obecności na jego orbicie pierścieni dostarczyła sonda Pioneer. Dzięki nim udało się przekonać grupę kierującą misją Voyager 1, że warto skierować kamerę pojazdu w kierunku pustej, wydawałoby się, przestrzeni, gdzie powinny znajdywać się hipotetyczne pierścienie. Nadesłane w 1979 r. zdjęcia pokazały, że są one dokładnie tam, gdzie się ich spodziewało. Trudności z ich detekcją wynikały z faktu, że są one bardzo niewyraźne, gdyż zbudowane są w przewarzającej mierze z drobnego pyłu. Ich struktura zaskoczyła naukowców. Różnia się one bowiem zarówno od tych obiegających Saturna jak i Urana. Są szersze niż Urana, ale jednocześnie znacznie bardziej „przejrzyste” (ok. milion razy bardziej niż główny pierścień Saturna). System pierścieni Jowisza składa się z czterech głównych elementów: grubego, wewnętrznego „pierścienia halo” w kształcie torusa, stosunkowo jasnego, cienkiego „pierścienia głównego”, oraz dwóch grubych, niewyraźnych i szerokich zewnętrznych pierścieni, nazywanych pierścieniami Amaltei i Tebe. Ich nazwa pochodzi od księżyców, których materia jest ich głównym budulcem. Pierścień halo i Pierścień Główny zbudowane są zaś z pyłu wyrzuconego podczas wysokoenergetycznych uderzeń w księżyce Metis i Adrasteę, oraz inne, niezidentyfikowane jak dotąd ciała.

Pierścienie Neptuna

Najpóźniej odkryte zostały pierścienie Neptuna. Definitywne dowody na ich istnienie dostarczyły dopiero dane przesłane przez sondę Voyager 2. Co ciekawe potwierdziły one również przypuszczenie, że część pierścieni tej planety jest niekompletna. Zamiast tworzyć pełne pierścienie, układają się w łuki. Do dziś zidentyfikowano pięć lub sześć pierścieni wokół Neptuna.

The Truth is out there
Do tej pory odkryliśmy ok. 2000 planet, które krążą wokół innych gwiazd niż nasze Słońce. Wiele z nich to gazowe olbrzymy. Biorąc pod uwagę fakt, że wszystkie cztery tego typu planety w naszym Układzie Słonecznym posiadają pierścienie, systemy pierścieni powinny również występować wokół egzoplanet. Ale czy mamy jakieś dowody na poparcie tych przypuszczeń? Spójrzmy na dobrze nam znanego Saturna. Jego system pierścieni jest ogromny. Rozciąga się znacznie dalej niż sama tarcza planety. Jeśli ustawiony jest pod odpowiednim kątem, przysłoni światło Słońca na znacznie dłuższy czas niż sama planeta. Dlatego też obserwache egzopierścieni powinny być możliwe dzięki drobiazgowej analizie zmiany jasności gwiazd, czyli tzw. krzywej jasności.

Artystyczna wizja zaćmienia ε Aurigae

Już w 1965 roku chiński astronom Su-Shu Huang pracujący w USA zaproponował, że dobrym wyjaśnieniem dziwnego przygasania gwiazdy ε Aurigae jest istnienie kompana, wokół którego krąży dysk proto-planetarny. Podobne układy odkrywali również polscy astronomowie Dariusz Graczyk z Universidad de Concepción w Chile oraz Maciej Mikołajewski z Centrum Astronomii UMK w Toruniu, którzy pochwalić się mogą odkryciem protoplanetarnych dysków w dwóch układach podwójnych: EE Cephei, którego pociemnienie pierwszy raz zaobserwowano i potwierdzono już w 1956, oraz  OGLE-LMC-ECL-17782. Ten drugi system jest o tyle spektakularny, że znajduje się w… Wielkim Obłoku Magellana, czyli największej galaktyce satelitarnej Drogi Mlecznej! No dobrze, ale dysk wokół gwiazdy to nie to samo, co system pierścieni wokół planety.

Artystyczna wizja Dagona i jego pierścieni

Wydaje się, że system pierścieni (ewentualnie resztki protoplanetarnego dysku) posiada również oddalone o ok. 25 lat świetlnych planeta Dagon (inaczej Fomalhaut b), o masie równej dwóm lub trzem masom Jowisza. Dagon na zawsze zapisał się już w annałach astronomi, jako pierwsza planeta pozasłoneczna, którą zaobserwowano bezpośrednio. Nic nie stoi na przeszkodzie, by była jeszcze bardziej wyjątkowa. Skąd przypuszczenie, że mogą wokół niej krążyć pierścienie? Niedługo po pierwszych doniesieniach o jej odkryciu nakierowano na nią obiektyw Kosmicznego Teleskopu Spitzera. I tu niespodzianka, w podczerwieni, zamiast jasnego punktu, którego się spodziewano, nie zobaczono niemal nic. Odkrycie samej planety potwierdziły dopiero obserwacje Kosmicznego Teleskopu Hubble’a. Tajemnicę „brakującego światła w podczerwieni” świetnie tłumaczy zaś właśnie obecność systemu pierścieni. Struktury takie są bowiem niemal niewidoczne w podczerwieni, a ich zdolność do odbijania światła sprawia, że planeta wydaje się jaśniejsza niż jest w rzeczywistości.

Artystyczna wizja pierścieni wokół J1407b

Pod koniec 2014 roku zespół astronomów z Obserwatorium w Lejdzie oraz amerykańskiego Uniwersytetu Rochester ogłosił wyniki analizy jasności młodej, odległej o około 420 lat świetlnej gwiazdy J1407. W pochodzących z 2007 roku danych zauważyli oni trwające 56 dni jej pociemnienia. Okresowo docierało do nas jedynie 5% światła gwiazdy. Na podstawie tych wyników astronomowie, którzy pierwotnie zignorowali obserwacje, stwierdzili, że tę liczącą sobie ledwie ok. 16 mln lat gwiazdę musi obiegać planeta (lub brązowy karzeł) posiadająca olbrzymi system pierścieni. Jego szacunkowa średnica jest 200 razy większa od systemy Saturna. Na podstawie analizy krzywej jasności J1407 astronomom udało się również stwierdzić, że składa się on z 37 pierścieni. Znajduje się w nim również jedna wyróżniająca się przerwa, w której zapewne znajduje się egzoksiężyc o masie „naszego” Marsa.

Podsumowanie

Przez 350 lat znaliśmy tylko jedną planetę w całym Wszechświecie, której towarzyszyły pierścienie – Saturna. Ich odkrycie było kolejnym dowodem na to, że Wszechświat jest znacznie bardziej skomplikowany, niż nam się zdawało wcześniej. Co istotniejsze, stopniowe wyjaśnianie ich natury stało się impulsem do stworzenia w XVIII wieku teorii powstawania planet, która z modyfikacjami i uzupełnieniami aktualna jest do dziś. W ostatnich kilkudziesięcu latach dowiedzieliśmy się, że pierścienie krążą także wokół innych gazowych olbrzymów w naszym Układzie Słonecznym. Teraz mamy coraz silniejsze dowody na to, że asystują one także egzoplanetom. Nie ma wątpliwości, że pierścienie wokół Jowisza, Saturna, Urana i Neptuna nie raz nas jeszcze zaskoczą. Czego możemy spodziewać się po egzopierścieniach, aż trudno sobie wyobrazić.

Źródła

+
Share this Story
Zobacz inne podobne wpisy
Zobacz inne wpisy Kamil Kopij
  • Ludzie, choroby i idee w ruchu: wschodnia część basenu Morza Śródziemnego i nie tylko, cz. 2

    W pierwszej części tekstu poznaliśmy kilku Rzymian, którzy w ciągu swego życia odbyli długie podróże. To m.in. dzięki nim po Imperium ...
  • Ludzie, choroby i idee w ruchu: wschodnia część basenu Morza Śródziemnego i nie tylko, cz. 1

    Pół roku temu pierwszy raz w życiu miałem okazję wygłosić wykład inaugurujący konferencję. Jak to każdy pierwszy raz, było to dla ...
  • Projekt Genesis, czyli jak rozsiać ziemskie życie po kosmicznej okolicy

    W otwierającej scenie Prometeusza, osadzonego w uniwersum Obcego, gniota w reżyserii Ridleya Scotta, przedstawiciel tajemniczej obcej rasy znanej nam jako Inżynierowie, ...
  • Królewna Śnieżka i łowcy

    Skuta lodem i nieprzenikniona, Antarktyda jest jedynym kontynentem i jednym z niewielu zakątków Ziemi, którego nie udało się nam skolonizować. Po ...
  • Sonda 2: Pierwsza krew

    29 września 1989 roku w wypadku samochodowym zginęli Andrzej Kurek i Zdzisław Kamiński, twórcy i prowadzący popularnonaukowego programu SONDA. Ich tragiczna ...
  • Czy Neron prześladował chrześcijan?

    22 lutego tego roku prezydent Andrzej Duda ogłosił Quo vadis lekturą Narodowego Czytania 2016. Obwieszczając werdykt, głowa państwa powiedziała, że powieść ...
  • Władcy pierścieni

    Star Trek J.J. Abramsa z 2009 roku nie zapadnie raczej w pamięć kinomanów, a tym bardziej fanów „Gwiezdnej Wędrówki”. Jest w ...
  • Krótka (pre)historia wojny, cz. 2

    W 2012 roku w Nataruk w północno-zachodniej Kenii archeolodzy natrafili na częściowo odsłonięte szczątki przynajmniej dwudziestu siedmiu osób. Drobiazgowe analizy pokazały, ...
  • Historia jednej monety: medaliony Porusa

    Aleksander Wielki jest bez wątpienia jedną z najbardziej rozpalających wyobraźnie postaci, jakie kiedykolwiek stąpały po Ziemi. Należy on do niezbyt licznego ...
  • Krótka (pre)historia wojny (cz. 1)

    W 2012 roku w Nataruk w północno-zachodniej Kenii archeolodzy natrafili na częściowo odsłonięte szczątki przynajmniej dwudziestu siedmiu osób. Drobiazgowe analizy pokazały, ...
Zobacz inne w kategorii Nauka, Wszechświat i cała reszta

Zobacz

Ludzie, choroby i idee w ruchu: wschodnia część basenu Morza Śródziemnego i nie tylko, cz. 2

W pierwszej części tekstu poznaliśmy kilku Rzymian, którzy ...

Inline
Inline