Кільця Урана — система планетних кілець, що оточують Уран. Серед інших систем кілець вона займає проміжне становище за складністю будови між розвиненішою системою кілець Сатурна й простими системами кілець Юпітера та Нептуна.

Перші дев'ять кілець було відкрито 10 березня 1977 року Джеймсом Елліотом, Едвардом Данхемом і Дугласом Минка. За 200 років до цього Вільям Гершель повідомляв про спостереження кілець у Урана, проте сучасні астрономи сумніваються в можливості такого відкриття, тому що кільця дуже слабкі й темні і не могли бути виявлені за допомогою астрономічного обладнання того часу. Ще два кільця було виявлено «Вояджером-2» 1986 року, ще два зовнішні кільця було виявлено телескопом «Габбл» у 2003—2005 роках.

Станом на 2008 рік відомо 13 окремих кілець. За збільшенням відстані від планети вони розташовані так: 1986U2R / ζ, 6, 5, 4, α, β, η, γ, δ, λ, ε, ν і μ. Мінімальний радіус має кільце 1986U2R / ζ (38 000 км), максимальний — кільце μ (приблизно 98 000 км). Між основними кільцями можуть бути слабкі пилові кільцеві скупчення й незамкнені дуги. Кільця надзвичайно темні, альбедо Бонда для їх частинок не перевищує 2 %. Ймовірно, вони складаються з водяного льоду із включеннями органіки.

Більшість кілець Урана непрозорі, їх ширина не більше кількох кілометрів. Загалом кільцева система містить небагато пилу: вона складається здебільшого з великих об'єктів діаметром від 20 сантиметрів до 20 метрів. Однак деякі кільця оптично тонкі: широке тьмяне 1986U2R / ζ, μ та ν складаються з дрібних частинок пилу, тоді як вузьке тьмяне λ містить великі тіла. Відносно невелика кількість пилу в кільцевій системі пояснюється аеродинамічним опором протяжної екзосфери — корони Урана.

Вважається, що кільця Урана відносно молоді, їхній вік не перевищує 600 мільйонів років. Кільцева система Урана, ймовірно, походить від зіткнень супутників, які раніше оберталися навколо планети. У результаті зіткнень супутники, ймовірно, поступово розбивалися на дрібніші частинки, які тепер існують як кільця в чітко визначених зонах максимальної гравітаційної стабільності.

Досі не зрозумілий механізм, що утримує вузькі кільця в їхніх межах. Спочатку вважалося, що в кожного вузького кільця є пара «супутників-пастухів», які й підтримують його форму, але 1986 року «Вояджер-2» знайшов лише одну пару таких супутників (Корделію й Офелію) навколо найяскравішого кільця ε.

Історія

У роботах першовідкривача Урана, Вільяма Гершеля, перша згадка про кільце зустрічається в його запису від 22 лютого 1789 року. У своїх примітках до спостережень він зазначив, що припускає наявність у кілець Урана. Гершель припустив, що вони червоного кольору (що було підтверджено у 2006 році спостереженнями Обсерваторії імені В. М. Кека для передостаннього кільця).

Записи Гершеля потрапили до журналу Королівського товариства в 1797 році. Однак протягом майже двох сторіч (із 1797 до 1979 року) кільця в науковій літературі не згадуються зовсім, що, звичайно, дає право підозрювати помилку вченого. Проте досить точні описи побаченого Гершелем не дають приводу просто так відкидати його спостереження.

Наявність кільцевої системи в Урана було підтверджено лише 10 березня 1977 року американськими вченими Джеймсом Еліотом, Едвардом Данхемом і , що застосували повітряну обсерваторію Койпера (KAO).

Відкриття було зроблено випадково: група дослідників планувала здійснити спостереження атмосфери Урана під час покриття ним зорі SAO 158687. Проте, аналізуючи отриману інформацію, вони виявили зменшення яскравості зорі ще до її покриття Ураном, причому відбулося це кілька разів підряд. Після покриття зменшення яскравості повторилися у зворотному порядку. У результаті досліджень було відкрито 9 кілець Урана.

Коли в околиці Урана прибув космічний апарат «Вояджер-2», за допомогою бортової оптики було відкрито ще два кільця, і загальна кількість відомих кілець зросла до 11. У грудні 2005 року космічний телескоп «Габбл» зареєстрував ще два раніше невідомих кільця. Вони були віддалені від планети на відстань удвічі більше, ніж раніше відкриті кільця, і тому їх часто називають «зовнішньою системою кілець Урана». Останні два кільця доводять загальну кількість відомих кілець Урана до 13. Крім кілець, «Габбл» допоміг відкрити два раніше невідомих невеликих супутника, один із яких (Меб) має ту ж орбіту, що й зовнішнє кільце. У квітні 2006 року зображення нових кілець, отримані обсерваторією Кека на Гавайських островах, дали змогу розрізнити їх колір: одне з них було червоним, а інше (зовнішнє) — синім. Припускають, що синій колір зовнішнього кільця обумовлений деякою домішкою дрібних частинок водяного льоду з поверхні Меба. Внутрішні кільця планети виглядають сірими.

Під час спостережень із Землі можна помітити, що іноді кільця Урана повертаються площиною до спостерігача. У 2007—2008 роках кільця були звернені до спостерігача ребром.

Основні відомості

Система кілець Урана містить 13 добре помітних кілець. Вони розташовані в такому порядку від планети: 1986U2R / ζ, 6, 5, 4, α, β, η, γ, δ, λ, ε, ν, і μ кільця. Їх можна розділити на 3 групи: 9 вузьких головних кілець (6, 5, 4, α, β, η, γ, δ, ε), два пилових кільця (1986U2R / ζ, λ) і два зовнішніх кільця (μ, ν).

Головним чином, кільця Урана складаються з макрочастинок і невеликої кількості пилу. Пилові частинки, як відомо, присутні в 1986U2R / ζ, η, δ, λ, ν і μ кільцях. На додаток до відомих кілець, швидше за все, існують майже нерозрізнені пилові смуги і дуже слабкі й тонкі кільця між ними. Ці слабкі кільця й пилові смуги можуть існувати лише тимчасово або складатися з кількох окремих дуг, які іноді можуть виявлятися під час покриття планетою зорі. Деякі з них ставали помітними під час серії перетинів Землею площині кілець у 2007 році. Багато пилових смуг між кільцями спостерігалися при прямому розсіюванні світла ще «Вояджером-2». Усі кільця Урана показують азимутальні зміни яскравості.

Кільця складаються з надзвичайно темної речовини. Геометричне альбедо частинок складових кільця не перевищує 5—6 %, а альбедо Бонда ще менше — близько 2 %. Частинки кілець мають більше альбедо при прямому освітленні позаяк частинки складові собою кільця — відкидають тіні. Кільця здаються трохи червонуватими в ультрафіолетовій і видимій частині спектра і сірими в ближній інфрачервоній. Яких-небудь ідентифікованих спектральних особливостей у кілець не спостерігається.

Хімічний склад частинок кілець невідомий. Проте вони не можуть складатися з чистого водяного льоду, як, наприклад, кільця Сатурна, тому що дуже темні, навіть темніші, ніж внутрішні супутники Урана. Це вказує на те, що вони є сумішшю льоду й темної речовини. Природа цієї речовини невідома, але це може бути органіка, значно затемнена зарядженими частинками з магнітосфери Урана. Можливо, кільця — це залишки від одного із внутрішніх супутників Урана, оскільки речовина кілець і внутрішніх супутників подібна.

У цілому система кілець Урана не схожа на слабкі пилові кільця Юпітера або широкі й складні кільця Сатурна, деякі з яких складаються з частинок водяного льоду, що мають дуже високу відбивну здатність. Проте у кілець Урана є й спільне з кільцями Сатурна: кільце F Сатурна і кільце ε Урана є вузькими, темними й обидва «випасаються» парою супутників. Нещодавно відкриті зовнішні кільця Урана подібні до зовнішніх кілець G і E Сатурна. Невеликі кілечка між широкими кільцями Сатурна також нагадують вузькі кільця Урана. Крім того, пилові скупчення між кільцями Урана можуть бути схожі з пиловими кільцями Юпітера. Кільцева система Нептуна, навпаки, схожа на кільцеву систему Урана, але простіша, тьмяніша й містить більше пилу; кільця Нептуна розташовані далі від планети, ніж кільця Урана.

Вузькі головні кільця

ε (епсилон)

Кільце ε (епсилон) — найяскравіше та найщільніше з кілець Урана. Воно відбиває приблизно за дві третини всього світла кільцями. У цього кільця найбільший ексцентриситет з усіх, воно також має незначний орбітальний нахил. Ексцентриситет є причиною змін яскравості цього кільця. Якщо створити для нього «кругову карту яскравості», то можна зазначити, що яскравість досягає найвищого значення поблизу і зменшується поблизу апоцентра (найближчої до планети точки орбіти).

Контраст між максимальною та мінімальною яскравістю кільця — близько 2,5—3,0. Ця різниця пов'язана зі зміною ширини кільця, що становить 19,7 км в апоцентрі і 96,4 км у перицентрі. У міру того як кільце стає ширшим, зменшується кількість взаємних «затінень» частинок одна одною і можна спостерігати більшу їх кількість, що приводить до вищої інтегральної яскравості. Варіації ширини кільця були виміряні безпосередньо зі знімків, отриманих «Вояджером-2», кільце ε було одним із двох кілець, чия ширина помітна на камерах «Вояджера». Це вказує на те, що кільце є оптично глибоким. Справді, покриття цим кільцем зір, що спостерігалися з Землі й «Вояджера-2», показали, що його нормальна оптична глибина варіюється від 0,5 до 2,5, і максимальна поблизу апоцентра орбіти кільця. «Еквівалентна глибина» кільця ε — близько 47 км. Вона не змінюється протягом усієї його орбіти.

Геометрична товщина кільця ε достеменно невідома, хоча, за деякими оцінками, становить приблизно 150 метрів. Незважаючи на настільки малу товщину, кільце складається з кількох шарів частинок. Кільце ε — досить «переповнене місце» з коефіцієнтом заповнення оціненим різними джерелами від 0,008 до 0,06 поблизу перицентру. Середній розмір частинок у цьому кільці 0,2—20 м, відстань між ними становить у середньому 4,5 їх середніх радіусів. Через свою виняткову тонкість кільце ε зникає при спостереженні з ребра. Таке сталося у 2007 році, під час серії перетинів Землею площині кілець. Низький вміст космічного пилу в кільці можна пояснити аеродинамічним лобовим опором розширеної атмосферної корони Урана.

«Вояджер-2» отримав дивні сигнали від цього кільця під час проведення експерименту «радіопокриття». Сигнал був схожий на сильне підвищення прямого розсіювання на довжині хвилі в 3,6 см поблизу перицентра кільця. Таке сильне розсіювання вимагає наявності когерентної структури. Така структура кільця ε була підтверджена багатьма подальшими спостереженнями покриттів.

Кільце ε, судячи з усього, складається з безлічі вузьких і оптично щільних колечок. У нього є два «супутника-пастухи» — Корделія (внутрішній) і Офелія (зовнішній). Внутрішній край кільця перебуває в орбітальному резонансі 24:25 з Корделією, а зовнішній край — у резонансі 14:13 з Офелією. Щоб ефективно «пасти» кільце (тобто утримувати його в існуючих межах), маса кожного супутника повинна бути щонайменше втричі більшою маси кільця. Маса кільця ε оцінюється близько 1016 кг.

δ (дельта)

Кільце δ кругле і має невеликий нахил. У кільця відзначено значні нез'ясовні азимутальні зміни нормальної оптичної глибини і ширини. Можливе пояснення полягає в тому, що у кільця є хвилеподібна азимутальна структура, створювана невеликим супутником прямо всередині нього. Зовнішній край кільця перебуває в орбітальному резонансі 23:22 з Корделією.

Кільце δ складається з двох компонентів: вузького, оптично щільного і широкого компонента з низькою оптичною глибиною. Ширина вузького компонента — 4,1—6,1 км, його еквівалентна глибина — 2,2 км, що відповідає нормальній оптичній глибині близько 0,3—0,6. Широкий компонент кільця δ приблизно 10—12 км завширшки, і його еквівалентна глибина близька до 0,3 км, що відповідає нормальній оптичній глибині в 3 × 10−2.

Усі ці дані отримані зі спостережень покриттів, оскільки на знімках «Вояджера-2» ширину кільця не видно. Коли кільце спостерігалося з «Вояджера-2» при прямому розсіянні, воно здавалося дещо яскравим, що є сумісним із наявністю космічного пилу в його широкому компоненті. Геометрично широкий компонент кільця є більш тьмяним, ніж вузький компонент. Це підтверджується спостереженнями під час перетинів площині кілець Землею у 2007 році, коли яскравість кільця δ збільшилася, що збігається з поведінкою геометрично товстого, але оптично тонкого кільця.

γ (гамма)