Кольца Юпитера — система колец, окружающих планету Юпитер, известна также как Юпитерианская кольцевая система. Это третья система колец, открытая в Солнечной системе, после Сатурнианской и системы колец Урана. Наличие колец предполагал ещё в 1960 году советский астроном Сергей Всехсвятский: на основе исследования дальних точек орбит некоторых комет Всехсвятский заключил, что эти кометы могут происходить из кольца Юпитера и предположил, что образовалось кольцо в результате вулканической деятельности спутников Юпитера (вулканы на Ио открыты два десятилетия спустя). Впервые кольца Юпитера были замечены при подлёте КА Вояджер-1 в 1979 году к Юпитеру, более подробные сведения о кольцах удалось получить в 1990-х благодаря КА Галилео. Кольца также наблюдались Телескопом Хаббла и наблюдаются с Земли в течение множества лет. Наземные наблюдения требуют наиболее крупных из доступных телескопов.
Юпитерианская система колец слабая и состоит главным образом из пыли. В кольцах можно выделить в общей сложности четыре компонента системы: толстый тор из частиц — известный как «кольцо-гало́» () или просто галоН. Горькавый. Гигант Юпитер // Энциклопедия для детей. Астрономия / глав. ред. М. Аксёнова — М: Аванта+, 1997. — С. 549.; относительно яркое, очень тонкое «Главное кольцо»; и два широких и слабых внешних кольца — известных как «паутинные кольца» (Gossamer rings — кольца тонкие и прозрачные, как паутина), называющиеся по материалу спутников — которые их и формируют: Амальтеи и Фивы.
Основное кольцо и гало состоят в основном из пыли с Метиды, Адрастеи и возможно ещё некоторых спутников, что является следствием высокоскоростных столкновений. Изображения в высоком разрешении, полученные в 2007 году КА Новые горизонты позволили различить насыщенную и тонкую структуру основного кольца.
В видимой части спектра и близкой инфракрасной у колец красный окрас, за исключением «кольца-гало», которое имеет нейтральный или синий окрас. Размер пыли в кольцах разнится, но площадь поперечного сечения наиболее высокая для несфероидальных частиц с радиусом в примерно 15 микрометров во всех кольцах, за исключением кольца-гало. Вероятно, в кольце-гало преобладает пыль с поперечником частиц менее микрометра. Общая масса системы колец не поддаётся точному исчислению, но её оценки колеблются в пределах от 1011 до 1016 кг . Возраст системы колец неизвестен, но они могли существовать с момента окончательного формирования Юпитера.
Возможно, что ещё одно кольцо существует на орбите Гималии, если она, как полагают, сталкивалась когда-то с Дией«Lunar marriage may have given Jupiter a ring» , New Scientist, March 20, 2010, p. 16..
Открытие и строение Кольца Юпитера — третья открытая в Солнечной системе система колец, после колец Сатурна и Урана. Впервые кольца Юпитера наблюдались в 1979 году КА Вояджер-1. В кольцевой системе 4 основных компонента: толстый внутренний тор из частиц, известный как «кольцо-гало»; относительно яркое и тонкое «Главное кольцо»; и два широких и слабых внешних кольца, известных как «паутинные кольца», называющиеся по материалу спутников, которые их и формируют: Амальтеи и Фивы. Основные характеристики Юпитерианских колец приведены ниже:
Название Радиус (км) Ширина (км) Толщина (км) Оптическая толщина Пылевая фракция (в τ) Масса, кг Примечания Кольцо-гало 92 000—122 500 30 50012 500~1 100 % — Главное кольцо 122 500—129 000 6 50030—3005.9 ~25 % 107—109 (пыль)1011—1016 (крупные фрагменты) Ограничивается Адрастеей Паутинное кольцо Амальтеи 129 000—182 000 53 0002 000~1100 %107—109Связано с Амальтеей Паутинное кольцо Фивы 129 000—226 000 97 0008 400~3100 %107—109Связано с Фивой. Распространяется и на пространство вне орбиты Фивы.
Главное кольцо
Структура и внешний вид
Узкое и относительно тонкое Главное кольцо — самое яркое в системе колец Юпитера. Его внешний край располагается на расстоянии 129 000 км от Юпитера (или 1.806 RJ; RJ = экваториальный радиус Юпитера — 71 398 км) и совпадает с орбитой самого маленького внутреннего спутника Юпитера, Адрастеи. Его внутренний край не совпадает с орбитой какого либо спутника и лежит на расстоянии в 122 500 км (1.72 RJ).
Следовательно, ширина кольца — 6 500 км. Внешний вид кольца зависит от геометрии обзора. В прямо-рассеянном свете яркость главного кольца начинает уменьшаться с 128 600 км (внутри орбиты Адрастеи) и достигает фонового уровня на расстоянии в 129 300 км вне орбиты Адрастеи. Таким образом, Адрастея выступает в роли «спутника-пастуха» для данного кольца, вплоть до расстояния в 129 000 км. Яркость кольца увеличивается в направлении к Юпитеру и достигает своего максимума на расстоянии в 126 000 км, вблизи от центра кольца, однако в нём наблюдается явный зазор, создаваемый Метидой, на расстоянии в 128 000 км. Внутренняя граница «Главного кольца» постепенно «исчезает» с 124 000 до 120 000 км, сливаясь с Гало. В прямо-рассеянном свете все кольца Юпитера яркие.
В обратно-рассеянном свете кольцо выглядит иначе. Внешняя граница Главного кольца, расположенная на расстоянии в 129 100 км, немного за орбитой Адрастеи, резко обрывается. Орбита луны отмечается зазором в кольце, таким образом, образуется кольцо вне орбиты Адрастеи. Есть ещё одно колечко на орбите Адрастеи, сопровождаемое зазором неизвестного происхождения, на расстоянии примерно в 128 500 км. Третье колечко располагается вне орбиты Метиды, в центре ещё одного зазора. Яркость кольца значительно падает сразу за орбитой Метиды, создавая так называемый «Паз Метиды». Внутри орбиты Метиды яркость кольца повышается значительно меньше, чем при прямо-рассеянном свете В обратно-рассеянной геометрии кольцо, как кажется, состоит из двух частей: узкой внешней части — ширящейся от 128 000 до 129 000 км, которая непосредственно включает три колечка, разделённых зазорами, и более слабой внутренней части, простирающейся от 122 500 до 128 000 км, в которой нельзя различить какую-либо структуру, в отличие от прямо-рассеянной геометрии. «Паз Метиды» служит им границей. Микроструктура кольца впервые была исследована по фотографиям, полученным КА Галилео а также ясно прослеживается на фото в обратно-рассеянном свете, полученным КА Новые горизонты в феврале-марте 2007 года. Более ранние наблюдения при помощи телескопа Хаббла (HST), Кека и КА Кассини оказались провальными, из-за недостаточной разрешающей способности. Однако позднее микроструктуру удалось различить при помощи телескопа обсерватории Кек и использовании адаптивной оптики в 2002—2003 годах.
При наблюдении в обратно-рассеянном свете кольцо кажется бритвенно-тонким, и толщиной не более 30 км. При боковом светорассеянии толщина колец от 80 до 160 км, увеличиваясь в направлении к Юпитеру. Кольцо кажется особо толстым при прямо-рассеянном свете, примерно 300 км. Одним из открытий КА Галилео стало относительно толстого (около 600 км) облака материи окружающего внутренний край кольца. Облако растёт в толщине ближе к внутреннему краю, где переходит в гало.
Детальный анализ изображений КА Галилео выявил продольные изменения яркости в Главном кольце, не связанные с геометрией обзора. Помимо этого, была обнаружена некоторая неоднородность в кольце — в масштабах 500—1000 км.
В феврале-марте 2007 года КА Новые горизонты провёл углублённый поиск новых небольших спутников в «Главном кольце». Несмотря на то, что ни один спутник крупнее 0.5 км обнаружен не был, камеры аппарата зафиксировали семь относительно небольших глыб из частиц кольца. Они двигаются в плотном колечке внутри орбиты Адрастеи. Мнение о том, что это именно глыбы, а не небольшие спутники, поддерживается азимутальными замерами. Они простираются на 0.1-0.3° вдоль кольца, что соответствует 1000-3000 км. Глыбы распределены внутри кольца на 2 группы — из 5 и 2 элементов. Происхождение глыб неясно, однако их орбиты находятся в 115:116 и 114:115 резонансе с Метидой. Возможно, они представляют собой осколки от столкновения Метиды и некоего объекта.
Спектр и гранулометрический состав
Спектр кольца был получен Хабблом, Кеком, КА Галилео и КА Кассини. Это позволило установить, что цвет частиц в кольце красноватый, то есть, их альбедо выше на больших длинах волны. Спектр кольца не позволяет выделить каких либо химических веществ, однако во время наблюдений Кассини были обнаружены линии поглощения на длине волн 0.8 μm и 2.2 μm. Спектр Главного кольца напоминает спектр Адрастеи и Амальтеи.
Присущие Главному кольцу свойства могут объяснятся гипотезой, по которой оно содержит существенное количество пыли размерами 0.1-10 μm. Это объясняет более сильную яркость кольца при прямо-рассеянном свете. Однако наличие более крупных частиц требуется, чтобы объяснить более сильную яркость и микроструктуру яркой внешней части кольца в обратно-рассеянном свете.
Анализ доступных фазовых и спектральных данных приводит к заключению, что распределение размеров мелких частиц в Главном кольце подчиняется степенному закону
где n(r) это число частиц с радиусами между r и r + dr, и это нормализующий параметр выбирающийся для того чтобы соответствовать общему световому потоку от кольца. Параметр q — 2.0 ± 0.2 и применяется для r < 15 ± 0.3 μm и q = 5 ± 1 для частиц с r > 15 ± 0.3 μm. Распределение крупных частиц в мм-км зоне на данный момент не известно. Световое рассеяние в данной модели преимущественно осуществялется частицами с r около 15 μm.
Степенной закон, упомянутый выше, позволяет оценить Оптическую толщину Главного кольца: для крупных тел и для пыли. Такая Оптическая толщина означает, что общее поперечное сечение частиц в кольце — приблизительно 5000 км². У частиц в Главном кольце, как считается, несферическая форма. Совокупная масса пыли в Главном кольце оценивается в 107−109 кг. Масса крупных тел, исключая Метиду и Адрастею, 1011−1016 кг. Это зависит от их максимального размера, предельное значение — 1 км диаметром. Для сравнения: масса Адрастеи — около 2 кг, Амальтеи — около 2 кг, Земной Луны—7.4 кг.
Присутствие в одном кольце сразу двух популяций частиц, пыли и крупных тел, объясняет различие внешнего вида кольца при разной геометрии обзора. Пыль хорошо видна при прямо-рассеянном свете и ограничивается орбитой Адрастеи. В противовес, крупные тела, хорошо различимые при обратно-рассеянном свете, ограничиваются областью между орбитами Адрастеи и Метиды, а также колечками.
Происхождение и возраст
Пыль покидает кольцо из-за эффекта Пойнтинга — Робертсона, а также электромагнитных сил Юпитерианской магнитосферы. Летучие вещества, например, льды, быстро испаряются. «Время жизни» частиц в кольце — от 100 до 1000 лет. Таким образом, пыль должна постоянно пополняться за счёт столкновений между телами от 1 см до 0.5 км размерами и теми же самыми телами и телами из-за пределов Юпитерианской системы. Источниками наполнения кольца служит популяция из относительно крупных тел, ограниченная 1000-километровой областью на орбите, яркая внешняя часть кольца, а также Метида и Адрастея. Наиболее крупные тела, исключая Метиду и Адрастею, служащие источниками, не могут быть более 0.5 км размером. Верхний предел был установлен наблюдениями КА Новые горизонты. Предыдущий верхний предел, полученный за счёт наблюдений Хаббла и Кассини, был близок к 4 км. Пыль, производимая столкновениями, сохраняет сначала те же орбитальные элементы, что и тела-источники, но постепенно медленно, по спирали, начинает сдвигаться в направлении Юпитера, формируя слабую (в обратно-рассеянном свете) внутреннюю часть Главного кольца и гало. На данный момент возраст Главного кольца неизвестен, но, возможно, он представляет собой последние остатки популяции из маленьких тел около Юпитера.
Вертикальные волнения