Кольца принято считать одной из наиболее характерных особенностей планет-гигантов. Однако в Солнечной системе существует гораздо более необычный объект с собственной системой колец — небольшой Харикло, расположенный между орбитами Сатурна и Урана. Его диаметр составляет всего около 250 километров, то есть по размерам он несопоставим с планетами-гигантами, окружёнными огромными кольцевыми системами.
Два узких плотных кольца Харикло были обнаружены в 2013 году совершенно неожиданным для астрономов способом — не на фотографии, а во время наблюдения за тем, как объект проходит перед далёкой звездой. Теперь к этим данным добавились наблюдения космического телескопа James Webb, проведённые в 2022 году. Они показали, что за несколько лет свойства двух колец заметно изменились, причём в противоположных направлениях.
Внутреннее кольцо стало выглядеть примерно на 50% более непрозрачным, тогда как сигнал от внешнего кольца оказался значительно слабее: его непрозрачность по сравнению с наблюдениями 2017 года уменьшилась примерно на 60%. При этом положения самих колец практически не изменились.
Такой результат важен не только для изучения самого Харикло. Он показывает, что небольшие кольцевые системы во внешней Солнечной системе могут быть значительно более динамичными, чем предполагалось ранее. При этом пока нельзя однозначно сказать, что именно произошло с веществом колец: наблюдаемый эффект может быть связан с реальными изменениями их структуры, перераспределением частиц или особенностями наблюдений на разных длинах волн.
Харикло — необычный объект между Сатурном и Ураном
Харикло относится к группе небольших тел, которые называют кентаврами. Их орбиты находятся в области внешней Солнечной системы, между орбитами планет-гигантов. Эти объекты представляют особый интерес, поскольку их динамика связана с гравитационным воздействием крупных планет, а сами они сохраняют вещество, сформировавшееся на ранних этапах истории Солнечной системы.
Харикло находится примерно в двух миллиардах километров от Земли и в среднем расположен почти в 17 раз дальше от Солнца, чем Земля. Его радиус составляет около 125 километров, что делает его крупнейшим из известных кентавров.
При таких размерах Харикло трудно представить в качестве объекта, способного обладать полноценной кольцевой системой. До начала XXI века кольца были непосредственно известны только у планет-гигантов Солнечной системы — Юпитера, Сатурна, Урана и Нептуна. Открытие колец вокруг небольшого тела показало, что подобная структура может существовать и у гораздо менее массивных объектов.
Открытие колец стало неожиданностью
В 2013 году астрономы наблюдали покрытие далёкой звезды Харикло. Такой метод называется звёздным покрытием, или оккультацией.
Когда Харикло проходит перед звездой, её свет на короткое время блокируется самим телом. Если перед основным диском объекта по направлению движения находятся дополнительные структуры, они также могут закрыть часть света звезды. В результате на кривой блеска появляются дополнительные кратковременные падения яркости.
Именно такие дополнительные провалы и позволили обнаружить два кольца вокруг Харикло. Они получили обозначения C1R и C2R.
Кольца находятся всего в нескольких сотнях километров от центра Харикло
Внутреннее кольцо C1R располагается примерно в 390 километрах от центра Харикло, а внешнее C2R — примерно в 405 километрах. Это очень компактная система по сравнению с кольцами планет-гигантов.
Особенно сильно различаются сами кольца по ширине. C1R значительно шире и в предыдущих наблюдениях имело среднюю радиальную ширину около 6,5 километра, причём в разных участках и при разных покрытиях измеренная ширина менялась примерно от 4,8 до 9,1 километра. Внешнее C2R значительно уже: ранее его ширину оценивали примерно от 0,1 до 1 километра.
Поэтому даже при одинаковой общей природе двух колец их физические свойства могут существенно различаться.
Как астрономы изучают кольца, которые невозможно сфотографировать
Харикло слишком мал и слишком далёк, чтобы современные телескопы могли просто получить обычную фотографию его колец и рассмотреть их структуру напрямую.
Даже James Webb не превращает кольца в хорошо различимую систему, подобную кольцам Сатурна на фотографиях. Вместо этого используется гораздо более точный косвенный метод — звёздные покрытия.
Когда Харикло пересекает направление на далёкую звезду, телескоп регистрирует изменение её яркости. По форме и продолжительности провалов в световой кривой можно определить, когда луч зрения пересёк основное тело и когда он прошёл через кольца.
Таким способом можно получить сведения о положении колец, их ширине и эффективной непрозрачности. При повторении наблюдений через несколько лет появляется ещё одна возможность — сравнить свойства одной и той же системы во времени.
Почему космический телескоп оказался особенно полезен
Наблюдение Харикло 18 октября 2022 года стало первой специально запланированной и успешно проведённой звёздной оккультацией с использованием James Webb. Важным преимуществом телескопа стало наблюдение в ближнем инфракрасном диапазоне, включая длины волн примерно до 5 микрометров, которые невозможно было исследовать с Земли в аналогичных условиях.
Это особенно важно для колец Харикло, поскольку взаимодействие света с частицами зависит от длины волны. Поэтому инфракрасные наблюдения могут дать информацию, недоступную при обычных наблюдениях в видимом диапазоне.
Одновременно это создаёт проблему при сравнении результатов разных лет: различия между наблюдениями могут быть вызваны не только реальным изменением колец, но и тем, что они наблюдались в разных спектральных диапазонах.
Что увидел James Webb в 2022 году
Главным результатом нового наблюдения стало резкое различие между поведением двух колец.
Внутреннее C1R оказалось заметно более непрозрачным, чем в предыдущих наблюдениях. Внешнее C2R, напротив, дало гораздо более слабый сигнал. Сравнение с наблюдениями 2017 года указывает примерно на 50-процентное увеличение непрозрачности C1R и примерно 60-процентное уменьшение непрозрачности C2R. При этом радиальное положение колец осталось практически неизменным.
Таким образом, речь идёт не о том, что кольца начали удаляться от Харикло или заметно менять орбиту. Изменились именно наблюдаемые свойства материала, проходящего перед звездой.
Это различие принципиально важно. Геометрия системы в целом остаётся прежней, а изменения проявились в том, насколько сильно каждое кольцо ослабляет свет звезды.
Внутреннее кольцо стало заметно плотнее по наблюдаемому эффекту
Для C1R предыдущие наблюдения давали среднюю нормальную непрозрачность порядка 0,3. В наблюдении James Webb она оказалась значительно выше. В двух инфракрасных диапазонах, использованных прибором NIRCam, полученные значения были около 0,42–0,44.
Это не означает, что плотность вещества кольца буквально увеличилась на 50%. Непрозрачность — наблюдаемая характеристика, связанная с тем, какая доля света блокируется или рассеивается кольцевым материалом вдоль определённого направления наблюдения.
Изменение может быть связано с количеством материала, его распределением, размером частиц или структурой кольца. Поэтому переход от изменения непрозрачности к конкретному физическому механизму требует дополнительных данных.
Внешнее кольцо ослабло ещё сильнее
С C2R ситуация оказалась противоположной.
В инфракрасных наблюдениях внешний компонент был обнаружен значительно слабее. На длине волны около 1,5 микрометра он давал лишь слабый сигнал, а на длине волны около 3,2 микрометра отдельное надёжное обнаружение оказалось невозможным. По сравнению с измерениями 2017 года эквивалентная ширина кольца уменьшилась примерно на 60%.
При этом нельзя просто сказать, что C2R «исчезает». Кольцо остаётся частью системы, а результаты означают, что его наблюдаемый сигнал оказался намного слабее прежнего.
Для столь узкого кольца это особенно важно, поскольку даже небольшие изменения распределения материала или его оптических свойств могут существенно изменить результат звёздного покрытия.
Кольца изменились в противоположных направлениях
Именно сочетание двух результатов делает наблюдение особенно интересным.
Если бы оба кольца одновременно становились менее заметными, это можно было бы попытаться связать с единым процессом потери материала. Если бы оба становились более непрозрачными, можно было бы рассматривать общее увеличение оптической плотности системы.
Но произошло обратное: C1R стало более непрозрачным, а C2R — менее.
Это означает, что система не ведёт себя как неподвижная структура, свойства которой остаются постоянными в течение десятилетий. По крайней мере наблюдения показывают изменения, которые необходимо объяснить.
Исследователи рассматривают несколько возможных механизмов, но пока ни один из них не установлен как окончательная причина наблюдаемого эффекта.
Что может происходить с веществом колец
Одно из возможных объяснений уменьшения непрозрачности C2R заключается в постепенной потере вещества.
Если частицы покидают кольцо, его оптический сигнал должен ослабевать. Однако из наблюдений нельзя непосредственно определить, куда именно при этом уходит материал.
Возможна и другая ситуация: вещество не обязательно покидает систему полностью, а может перераспределяться внутри кольцевой структуры или между различными областями.
Для внутреннего C1R, напротив, увеличение непрозрачности может быть связано с поступлением дополнительного материала. Но возможен и другой механизм: столкновения между более крупными частицами способны разрушать их и создавать большое количество более мелких фрагментов.
Изменение размеров частиц способно изменить оптические свойства кольца даже без пропорционального изменения его общей массы.
Потеря вещества C2R не объясняет полностью рост C1R
Особенно важная деталь заключается в том, что изменения двух колец количественно не выглядят как простая передача вещества от одного кольца к другому.
По опубликованному анализу изменение эквивалентной ширины внутреннего кольца значительно превосходит изменение внешнего кольца — примерно в десять раз. Поэтому простая схема, в которой материал исчезает из C2R и целиком перемещается в C1R, не объясняет наблюдаемый результат.
Это существенно сужает интерпретацию. Если изменения реальны и связаны с эволюцией системы, должен существовать более сложный механизм перераспределения или изменения свойств кольцевого вещества.
Возможно, кольца действительно перестраиваются
Кольца Харикло находятся в непосредственной гравитационной связи с центральным телом. Их частицы движутся вокруг небольшого объекта, а система испытывает гравитационные возмущения.
Для таких узких колец особое значение могут иметь резонансные взаимодействия. Резонансы способны воздействовать на распределение частиц и поддерживать структуру кольца, одновременно вызывая её перестройку.
Наблюдения прошлых лет уже показывали, что внутреннее кольцо C1R не является идеально однородным. В нём обнаруживались структуры W-образной формы, а измеренная ширина изменялась в зависимости от положения.
Поэтому представление о кольцах Харикло как о неподвижных концентрических полосах вокруг небольшого тела уже давно было слишком упрощённым.
Резонансы могут иметь значение на десятилетних масштабах
Исследователи из Парижской обсерватории отмечают, что кольца испытывают сильные возмущения со стороны центрального тела, а резонансные процессы способны перестраивать их структуру на масштабах порядка десятилетий. Новые данные James Webb делают такую динамику особенно актуальной для дальнейшего изучения.
Однако это не означает, что конкретное изменение непрозрачности 2017–2022 годов уже объяснено определённым резонансом. Наблюдение показывает изменение характеристик колец, но механизм этого изменения ещё предстоит установить.
Другой вариант — столкновения частиц
Кольцо состоит не из сплошного материала, а из множества отдельных частиц. Они движутся по близким орбитам и могут взаимодействовать друг с другом.
Столкновения способны менять размеры частиц и их распределение. Если крупные фрагменты разрушаются, появляется больше мелких частиц. Это может изменить то, как кольцо поглощает и рассеивает свет.
Такой процесс рассматривается как один из возможных вариантов объяснения увеличения непрозрачности C1R. Но он не доказан непосредственно наблюдениями. Чтобы установить роль столкновений, потребуются дополнительные наблюдения и динамическое моделирование системы.
Но есть важное ограничение: наблюдения выполнены на разных длинах волн
Самая существенная оговорка связана с тем, что новые данные получены James Webb в ближнем инфракрасном диапазоне, тогда как значительная часть предыдущих наблюдений Харикло проводилась в видимом свете.
Материал кольца может по-разному взаимодействовать с излучением различных длин волн. Например, частицы определённого размера или состава могут иметь различную эффективность поглощения и рассеяния в видимом и инфракрасном диапазонах.
Поэтому наблюдаемое различие между 2017 и 2022 годами может быть обусловлено сочетанием двух факторов: реальной эволюцией колец и зависимостью их оптических свойств от длины волны.
Именно поэтому дальнейшие наблюдения в видимом диапазоне имеют принципиальное значение. Они помогут проверить, сохраняется ли обнаруженная тенденция независимо от используемого спектрального диапазона.
Почему будущие звёздные покрытия особенно важны
Для исследования Харикло не требуется получить прямое изображение колец. Необходимо дождаться очередного момента, когда объект пройдёт точно перед подходящей звездой.
Каждое такое событие даёт новый фрагмент информации о кольцевой системе. Если наблюдения проводятся с разных направлений и на разных длинах волн, можно постепенно восстановить геометрию, структуру и оптические свойства колец.
Особенно ценными будут повторные покрытия, позволяющие сравнить систему с результатами 2013, 2017 и 2022 годов.
Если при последующих событиях C1R продолжит демонстрировать повышенную непрозрачность, а C2R — пониженную, гипотеза о временной эволюции получит дополнительную поддержку. Если же показатели вернутся к значениям, сопоставимым с предыдущими наблюдениями, станет более вероятным влияние спектральных особенностей или других условий измерения.
Gaia помогла провести сложное наблюдение
Для успешного наблюдения звёздного покрытия необходимо заранее очень точно знать положение Харикло и звезды.
Небольшая ошибка в прогнозе положения объекта может привести к тому, что телескоп будет смотреть не туда, где произойдёт покрытие. Для далёкого небольшого тела такая задача особенно сложна.
В подготовке наблюдения использовались данные космической миссии Gaia, которая обеспечивает высокоточные измерения положения звёзд. Эти данные помогли уточнить геометрию события.
Сам James Webb во время наблюдения находился около точки Лагранжа L2 примерно в 1,5 миллиона километров от Земли. Относительная скорость Харикло относительно телескопа во время покрытия была около 2,5 километра в секунду, что создало благоприятные условия для получения подробного сигнала от узких колец.
Почему открытие важно для понимания происхождения колец
До открытия колец Харикло кольцевые системы рассматривались прежде всего в контексте планет-гигантов. У них кольца существуют в окружении массивных планет и могут включать большое количество частиц разных размеров.
Харикло показывает, что кольца могут существовать и вокруг объекта диаметром всего около 250 километров.
Это сразу ставит несколько вопросов. Откуда взялся материал колец? Почему он не собрался в отдельный спутник? Почему кольца остаются узкими? Что удерживает их структуру? Как долго они существуют и насколько быстро теряют вещество?
Первые наблюдения позволили изучать геометрию этих колец. Новые данные добавляют ещё одно измерение — изменение их свойств со временем.
Кольца могут быть не очень долгоживущими
Если дальнейшие наблюдения подтвердят, что C2R действительно постепенно теряет материал, это может означать, что внешнее кольцо представляет собой временную структуру.
Пока делать такой вывод рано. Слабый сигнал в инфракрасных наблюдениях сам по себе ещё не доказывает физическую потерю вещества.
Но сама возможность быстрого изменения системы представляет интерес для моделей происхождения колец. Если кольца небольших тел способны перестраиваться на масштабах десятилетий, их нынешнее состояние может отражать относительно недавние процессы, а не только события, произошедшие миллионы или миллиарды лет назад.
Почему кольца Харикло нельзя просто сравнить с кольцами Сатурна
Внешне идея кажется похожей: центральное тело окружено плоской системой частиц. Но физические условия существенно различаются.
Сатурн — гигантская планета с огромной массой, многочисленными спутниками и кольцевой системой колоссального масштаба. Харикло гораздо меньше, а его кольца находятся всего в нескольких сотнях километров от центра объекта.
Гравитационное поле Харикло значительно слабее, а влияние окружающих планет-гигантов играет важную роль в динамике самого кентавра.
Поэтому процессы, управляющие кольцами Харикло, нельзя автоматически переносить на Сатурн или другие планеты-гиганты.
В то же время именно небольшие кольцевые системы дают возможность изучать другой режим динамики вещества вокруг центрального тела.
Харикло показывает, что маленькие тела Солнечной системы могут быть сложнее, чем кажется
Небольшие объекты внешней Солнечной системы часто воспринимаются как относительно простые остатки формирования планет. Однако Харикло демонстрирует, насколько сложной может быть структура даже у тела диаметром всего около 250 километров.
У него есть собственная кольцевая система, причём два кольца имеют разные свойства. Они могут демонстрировать структурные особенности, а теперь появились свидетельства изменения их оптических характеристик на протяжении нескольких лет.
Это делает Харикло своеобразной лабораторией для изучения поведения частиц в условиях слабой гравитации и сложного гравитационного окружения.
Что именно установили новые наблюдения
Новые данные позволяют достаточно уверенно выделить несколько фактов.
Харикло обладает двумя узкими кольцами C1R и C2R, обнаруженными ещё в 2013 году с помощью звёздного покрытия. Положения этих колец в новых наблюдениях существенно не изменились.
Однако наблюдаемые свойства колец изменились. Внутреннее C1R стало примерно на 50% более непрозрачным по сравнению с предыдущими измерениями, тогда как внешний C2R дал сигнал примерно на 60% слабее по сравнению с 2017 годом.
Это изменение нельзя свести к простому перемещению колец. Возможны перераспределение вещества, потеря материала, столкновения частиц и изменение их размеров или другие динамические процессы.
При этом остаётся ещё одна важная возможность — часть различий может быть связана с тем, что James Webb наблюдал кольца в ближнем инфракрасном диапазоне, тогда как значительная часть предыдущих измерений проводилась в видимом свете. Для окончательного определения природы изменений нужны новые наблюдения.
Что пока остаётся неизвестным
Несмотря на высокую чувствительность James Webb, новые наблюдения не позволили определить точный состав колец и однозначно установить механизм их изменения.
Неизвестно, теряет ли C2R вещество в пространство, перераспределяется ли оно внутри системы или изменились главным образом размеры и оптические свойства частиц.
Не установлено и то, является ли усиление сигнала C1R результатом поступления нового материала, разрушения более крупных частиц, изменения их распределения или сочетания нескольких процессов.
Наконец, пока недостаточно данных, чтобы полностью исключить влияние различий между инфракрасными и видимыми наблюдениями.
Поэтому наиболее точный вывод состоит не в том, что астрономы уже выяснили механизм эволюции колец Харикло, а в том, что новая серия наблюдений обнаружила неожиданное изменение их свойств, которое требует дальнейшего изучения.
Маленькие кольца оказались динамической системой
Открытие Харикло в 2013 году уже изменило представления о том, вокруг каких объектов могут существовать кольца. Теперь новые наблюдения показывают, что эти кольца нельзя рассматривать как неподвижные полосы вещества.
За промежуток между наблюдениями 2017 и 2022 годов внутреннее и внешнее кольца продемонстрировали противоположные изменения. Причём положение системы в целом осталось практически прежним.
Если будущие наблюдения подтвердят продолжение этой тенденции, Харикло станет одним из наиболее интересных примеров быстро меняющейся кольцевой системы в Солнечной системе. Это позволит изучать процессы, которые невозможно восстановить только по одному моментальному наблюдению.
James Webb в данном случае оказался полезен не потому, что впервые смог сфотографировать кольца Харикло, а потому, что сумел зарегистрировать очень тонкие изменения света далёкой звезды во время покрытия небольшим объектом. Именно по этим коротким изменениям яркости удалось получить сведения о структуре колец, которые остаются практически невидимыми напрямую.
Следующие звёздные покрытия должны показать, действительно ли система продолжает меняться и что именно происходит с её частицами. Если изменения подтвердятся в наблюдениях на разных длинах волн, учёным придётся учитывать значительно более активную динамику малых кольцевых систем, чем предполагалось ранее.
Источники:
Статья создана по материалам Space.com
