Кольца — одна из самых красивых и загадочных структур в Солнечной системе. Они есть у всех гигантских планет, а также у некоторых малых тел. Но при этом у спутников планет — несмотря на их большое количество — колец до сих пор не обнаружено. Почему так происходит?
Новое исследование предлагает неожиданное объяснение: виноваты магнитные поля планет, которые могут буквально «сметать» кольца вокруг их спутников.
Кольца, которых мы не видим
В Солнечной системе известно более 400 спутников, и многие из них вращаются вокруг газовых гигантов вроде Сатурн или Юпитер. Теоретически ничто не мешает образованию колец вокруг таких тел — столкновения, гравитационные разрывы и другие процессы происходят повсеместно.
Более того, есть косвенные намёки на то, что кольца у спутников могли существовать в прошлом. Например, необычный экваториальный хребет спутника Япет может быть следом разрушенного кольца.
Тем не менее, ни одного действующего кольца вокруг спутников пока не обнаружено. И это давно остаётся загадкой.
Невидимая угроза — магнитное поле
Учёные решили рассмотреть влияние магнитного поля планеты на возможные кольца спутников. Дело в том, что пространство вокруг гигантских планет заполнено плазмой — заряженными частицами, которые вращаются вместе с магнитосферой.
Если частицы в кольце получают электрический заряд (а это происходит постоянно), на них начинает действовать не только гравитация, но и электромагнитные силы.
Главный вывод исследования:
магнитосфера планеты создаёт электрическое поле, которое может быстро разрушать орбиты частиц в кольце.
Как это работает
Частицы кольца — это пыль и ледяные фрагменты. Под действием радиации и плазмы они заряжаются. После этого на них начинает действовать сила, зависящая от отношения заряда к массе.
Моделирование показало:
- орбиты частиц перестают быть круговыми;
- их вытягивает в эллипсы;
- ближайшая точка орбиты постепенно снижается.
В результате частица может просто упасть на поверхность спутника.
Например, для спутника Рея некоторые заряженные частицы сталкиваются с поверхностью всего за десятки часов. Это крайне быстро по космическим меркам.
Почему одни спутники «выживают» лучше
Исследование показало, что устойчивость колец зависит от нескольких факторов:
1. Расстояние от планеты
Чем дальше спутник, тем слабее магнитное поле. Например, у Титан и особенно у Япет влияние значительно слабее, чем у Реи.
2. Размер спутника
Более массивные спутники лучше удерживают частицы гравитацией.
3. Заряд частиц
Чем выше заряд относительно массы, тем быстрее частица покидает кольцо.
При определённых значениях зарядов кольца становятся полностью нестабильными — любые частицы либо падают на спутник, либо улетают.
Где проходит граница устойчивости
Учёные рассчитали так называемый «критический радиус» — расстояние от спутника, внутри которого частицы неизбежно падают на его поверхность.
Также существует внешний предел — так называемый предел Роша. За ним частицы начинают слипаться в более крупные объекты, и кольцо исчезает.
Таким образом, кольцо может существовать только в узкой зоне между:
- поверхностью спутника
- и пределом Роша
Но если магнитные эффекты слишком сильны, эта зона просто исчезает.
Кольца могут исчезать сами
Даже если кольцо сформировалось, оно не обязательно будет существовать долго. Помимо магнитных эффектов, есть и другие процессы:
- растекание кольца — частицы постепенно расходятся;
- микрометеориты — дробят частицы на более мелкие;
- эрозия — изменяет их свойства и заряд.
Всё это ускоряет разрушение системы.
Что это значит для поиска в космосе
Интересно, что за пределами Солнечной системы ситуация может быть иной. Если у планеты слабое магнитное поле или спутник находится далеко от неё, кольца могут быть стабильнее.
Более того, такие кольца могут помочь обнаружить экзолуны — спутники у экзопланет. Их легче заметить при прохождении перед звездой, чем сами спутники.
Главный вывод
Отсутствие колец у спутников — не случайность. Это результат сложного взаимодействия гравитации и электромагнитных сил.
Магнитные поля гигантских планет могут:
- искажать орбиты частиц
- ускорять их падение
- и в итоге полностью разрушать кольца
Именно поэтому в Солнечной системе мы видим кольца у планет, но не у их спутников.
Но это не значит, что таких систем не существует — возможно, они просто слишком нестабильны или редки. И будущие наблюдения за пределами нашей системы могут наконец показать нам «кольца вокруг лун».
Источники:
Статья создана по материалам работы на arXiv.org
