Hringar Satúrnusar

Eitt af furðuverkum alheimsins

Hringar Satúrnusar sáust fyrst árið 1610 þegar ítalski stjörnufræðingurinn Galíleó Galílei beindi sjónauka sínum í átt að reikistjörnunni og undraðist mjög það sem fyrir augum bar. Galíleó taldi sig fyrst hafa séð tvær daufar stjörnur við hlið Satúrnusar en tveimur árum var þær hvergi að sjá í sjónaukanum. Það sem Galíleó vissi hins vegar ekki var að jörðin hafði skorið hringflöt Satúrnusar, en þá sneru hringarnir þvert í átt til jarðar og sáust þar af leiðandi ekki í sjónaukanum. Á myndinni hér fyrir neðan sést útlit hringjanna þegar þeir snúa þvert í átt til jarðar.

Árið 1655 hóf hollenski stjörnufræðingurinn Christiaan Huygens (1629-98) að rannsaka Satúrnus og kom fram með þá tilgátu að reikistjarnan væri umlukin samfelldum hring, „þunnum, flötum hring, sem hvergi nærri snerti, eða hallaði að sólfletinum“. Huygens var jafnframt fyrstur til að átta sig á ástæðu útlitsbreytinganna. Þegar gæði sjónauka fóru batnandi, kom í ljós að hringurinn var í raun heilt hringakerfi. Árið 1675 dró aftur til tíðinda þegar ítalski stjörnufræðingurinn Giovanni Cassini (1625-1712) sá dökka geil í hringjunum. Þetta bil er í dag nefnt honum til heiðurs.

Frá jörðu séð breytist útlit hringakerfisins á meðan Satúrnus gengur kringum sólina. Á meðan hringferðinni stendur breytist sjónarhorn okkar og horfum við þá annað hvort ofan á eða undir hringana. Ástæðan er sú að hringakerfið er við miðbaugsflöt Satúrnusar en hann hallar 27° frá brautarplaninu. Snúningsás og miðbaugsflöturinn halda sömu stefnu á meðan Satúrnus gengur kringum sólina sem þýðir að á einu Satúrnusarári, breytist sjónarhorn okkar. Þegar norðurpóll Satúrnusar hallar í átt til jarðar, horfum við „ofan á“ hringana. Hálfu Satúrnusarári seinna, þegar suðurpóllinn hallar að okkur, horfum við „undir“ hringana.

Þegar sjónlína okkar við Satúrnus er svo í sama fleti og hringarnir, sjáum við hringana frá hlið (á rönd) og þá virðast þeir hverfa algjörlega sjónum okkar. Það bendir til þess að hringarnir séu mjög þunnir og í raun eru þeir ekki nema nokkrir tugir eða hundruð metrar að þykkt. Miðað við þvermál eru þeir þúsund sinnum þynnri en blaðsíða í venjulegri bók.

Síðast sáust hringarnir á rönd árin 1995-6 og mun það gerast aftur árin 2008-9. Gerist þetta á 15 ára fresti eða svo. Til 2008 munum við sjá undir hringa Satúrnusar, og í sjónauka er það stórkostleg sjón.

Tilurð hringjanna

Stjörnufræðingar hafa lengi vitað að hringar Satúrnusar eru ekki samfelldir. Árið 1857 sýndi skoski eðlisfræðingurinn James Clerk Maxwell (1831-1879) fram á að svonefndir flóðkraftar myndu einfaldlega tvístra slíkum hring. Þessi ályktun var staðfest árið 1895 þegar James Keeler (1857-1900), stjörnufræðingur við Allegheny-stjörnustöðina í Pittsburg, tók litrófsmynd af endurvarpi sólarljóss í hringjunum. Með því að kanna rauðvik og blávik í Doppler-hrifum hringanna komst hann að því að þeir eru úr fjölda lítilla agna.

hringarnir endurvarpa um 80% af sólarljósinu sem á þá fellur. Stjörnufræðinga grunaði því lengi að agnirnar í þeim væru úr ís og ísþöktu bergi. Þetta var staðfest á áttunda áratug tuttugustu aldar með litrófsmælingum. Voyager-geimförin framkvæmdu nákvæmari mælingar þegar þau flugu framhjá Satúrnusi árin 1980 og 1981. Niðurstöður þeirra bentu til að hitastig agnanna væri frá -180ˇC í sólskini niður í -200ˇC í skugganum.

Voyager-förin mældu einnig stærð agnanna. Með útvarpsmælingum kom í ljós að flestar agnirnar eru frá aðeins um 1 cm í þvermál og upp í allt að 5 metra breiða hlunka. Flestar agnir eru á stærð við snjóbolta, um 10 cm í þvermál.

Cassinigeimfariđ tók ţessa mynd af hringunum á rönd í febrúarmánuđi áriđ 2005. Endurvarp hringanna sést á gashjúpi reikistjörnunnar og eins sjást tunglin sem litlar kúlur í hringfletinum.
STĆRRI MYND

Heildarmagn efnis í hringjunum er frekar lítið. Ef allt hringakerfið væri hnoðað saman í einn hnött, yrði hann í mesta lagi 100 km í þvermál. Í fyrstu virðist skynsamlegt að draga þá ályktun að allt þetta efni hafi ekki náð að mynda fylgitungl. Agnirnar eru hins vegar alltof nálægt Satúrnusi til að geta safnast saman og myndað hnött. Ástæðan fyrir því er mislöng fjarlægð frá Satúrnusi og mismikið þyngdartog. Munurinn á þyngdartoginu kallast flóðkraftur og leitast hann við að halda ögnunum aðskildum. Í ákveðinni fjarlægð frá miðju reikistjörnunnar helst jafnvægi milli flóðkrafta reikistjörnunnar og þyngdartogsins milli agnanna. Þessi fjarlægð nefnist Roche-mörk en innan þeirra eru flóðkraftarnir meiri en þyngdarkrafturinn milli agnanna. Við Roche-mörkin geta agnirnar ekki safnast saman og myndað stærri hnött en flestar agnirnar í hringjunum eru einmitt innan þessara marka.

Öll stór fylgitungl reikistjarnanna eru utan Roche-markanna. Ef eitthvað stórt tungl kæmi inn fyrir Roche-mörkin, myndu flóðkraftar frá reikistjörnunni sundra tunglinu. Slík örlög bíða t.d. Tríton, stærsta tungli Neptúnusar, en braut hans færist smám saman nær reikistjörnunni. Til að finna Rochemörkin er ágætist þumalfingursregla að margfalda geisla reikistjörnunnar með 2,45.

Roche-mörk tvístra ögnum þó ekki algjörlega. Ástæðan er að Roche-mörkin eiga einungis við um þau fyrirbæri sem þyngdarkrafturinn heldur saman. Öðru máli gegnir hins vegar um kraftana sem halda bergi eða ísbolta því þeir byggjast á efnatengjum milli atóma og sameinda fyrirbærisins. Efnatengin eru margfalt sterkari en flóðkraftar nálægrar reikistjörnu og því sundrast hvorki berghnullungarnir né ísmolarnir í hringunum. Á sama hátt er engin hætta á að fólk á jörðinni (sem er innan Roche-marka jarðarinnar) tvístrist því efnatengi halda okkur kyrfilega saman.

Vísindamenn töldu eitt sinn að hringarnir hefðu myndast á sama tíma og reikistjarnan, fyrir um 4,6 milljörðum ára. Nú hallast menn að því að hringarnir eru ungir, ef til vill aðeins nokkur hundruð milljóna ára. Ein vísbendingin sem styrkir þá kenningu er birta hringanna því þegar Satúrnus ferðast um geiminn ætti ryk að hafa safnast saman og dekkt þá. Þar af leiðandi ættu hringarnir að vera dökkir ef þeir væru gamlir. Samkvæmt annarri kenningu kom halastjarna of nálægt Satúrnusi og flóðkraftar sundruðu henni að lokum, líkt og Júpíter gerði við halastjörnuna Shoemaker-Levy 9. Vonandi veitir Cassini-geimfarið svör við þessum álitaefnum.

Uppbygging hringanna

Tungliđ Teţys og hringarnir

Hringunum er skipt í sjö hluta. Þeir eru í stafrófsröð eftir því hvenær þeir uppgötvuðust og því hefur röðin ruglast eftir því sem nýir hringar hafa fundist. Frá innsta hring til hins ysta er röðin D, C, B, A, F, G og E. F- og G-hringarnir eru mjög þunnir og erfitt að sjá en frá jörðu séð virðast A-, B-, og C-hringarnir fremur samfelldir og bjartir. Það kom vísindamönnum því þægilega á óvart er þeir uppgötvuðu að hringarnir eru samansettur úr þúsundum hringbanda. Þessi hringbönd hafa myndast vegna þyngdarkrafta nálægra agna, tungla Satúrnusar og reikistjörnunnar sjálfrar.

Árið 1979 fann Pioneer 11 F-hringinn og skömmu seinna sendu Voyager-förin forvitnilegar myndir honum. F-hringurinn er 4000 km frá ytri brún A-hringsins og á nærmyndum má sjá hvernig hann byggist upp af nokkrum samtvinnuðum þráðum. Á einni mynd Voyager 1 sjást fimm þræðir, hver um sig 10 km í þvermál. Talið er að þyngdartog lítilla tungla innan F-hringsins framkalli þessa óvenjulegu byggingu. Agnirnar í F-hringnum eru aðeins um 1 míkrómetri í þvermál, eða á stærð við agnir í sígarettureyk.

Voyager 1 fann þrjá hringa til viðbótar við þá fjóra sem áður þekktust, D-, E- og G-hringana. D-hringurinn er innstur í hringakerfinu og úr mjög daufum hringböndum sem staðsett eru milli innri brúnar C-hringsins og skýjatopps Satúrnusar. E- og G-hringarnir liggja báðir talsvert frá Satúrnusi og vel handan ytri brúnar A-hringsins. Báðir hringarnir eru mjög daufir, óskýrir og fíngerðir. Hver þeirra skortir hringböndin sem eru svo greinileg í meginhringjunum. E-hringurinn liggur í braut Enkeladusar, eins ístungla Satúrnusar, og telja sumir vísindamenn að íseldfjöll Enkeladusar séu uppspretta ísagnanna í E hringnum, svipað og eldfjöll Íó kasta efnum meðfram braut tunglsins um Júpíter.

Vitað er að tungl að tungl Satúrnusar hafa áhrif á uppbyggingu hringjanna. Þyngdarkraftur tunglanna mótar brautir hringagnanna og getur einnig mótað byggingu þeirra. Lengi hafa menn vitað um áhrif tunglsins Mímasar á lögun kerfisins en það myndar til dæmis Cassini bilið með þyngdarkrafti sínum og svonefndum hermiáhrifum þegar Mímas sópar ögnum út úr þessu svæði. Sama á við um myndun Encke bilsins í A hringnum en í því liggur sporbraut tunglsins Pan, sem aðeins er 20 km að þvermáli. Þyngdarkraftur og brautarhreyfing Pans mynda þetta 270 km breiða bil, sem er miklum mun breiðara en Pan sjálft.

Önnur áhrif af völdum þyngdarkrafta tveggja smárra tungla, er að finna sitt hvorum megin við F-hringinn. Þyngdarkraftur tunglanna heldur ögnum F-hringsins saman. Pandóra, ytra tunglið af þessum tveimur, snýst örlítið hægar um Satúrnus en agnirnar í hringnum. Þegar hringagnirnar fara framúr Pandóru, togar tunglið í þær og hægir örlítið á þeim. Afleiðingin er örlítið orkutap sem veldur því að þær færast nær Satúrnusi.

Á sama tíma snýst Prómeþeifur, innra tunglið, hraðar umhverfis Satúrnus en agnirnar í F-hringnum. Þyngdartog Prómeþeifs bætir þeim upp orkutapið og gott betur frá Pandóru sem ýtir þeim lengra frá Satúrnusi. Verkun þyngdartogs beggja tunglanna veldur því að agnir F-hringsins eru í afmörkuðu og mjóu belti, um 10 km breiðu. Prómeþeifur og Pandóra eru því nefnd smalatungl þar sem þau smala ögnum hringakerfisins í afmarkaða hringa.

Helstu stærðir:

Heiti Fjarlægð [km] Breidd [km] Þykkt [km] Massi [kg] Endurskin
D 66.000 - 73.150 7.150 ? 0,01
C 74.500 - 92.000 17.500 ? 1,1 x 1024 12%-30%
Maxwell-eyðan 87.500 270 ? 0,01
B 92.000 - 117.500 25.500 ? 0,1 - 12,8 x 1025 50%-60%
Cassini-eyðan 117.500 - 122.200 4.700 ? 5,7 x 1023 20%-40%
A 122.200 - 136.800 14.600 0,1-1 6,2 x 1024 40%-60%
Encke-eyðan 133.570 325
Keeler-eyðan 136.530 35
F 140.210 30-500 ? ? 60%
G 164.000 - 172.000 8.000 100 - 1.000 1020 ?
E 180.000 - 480.000 300.000 1.000 ? ?

Myndir

A-hringur Satúrnusar

Þessa mynd af A-hring Satúrnusar tók Voyager 2 þann 23. ágúst 1980 úr 2,8 milljón km fjarlægð frá reikistjörnunni. Svæðið sem hér sést er 15.000 km breitt. Á myndinni sést Cassini-bilið neðarlega í hægra horninu en Encke-bilið er hér mun áberandi. Eins og sjá má er hringurinn ekki samfelldur, heldur úr fjölda hringbanda. (NASA/JPL)

Falslitamynd af hringjunum

Myndin hér hefur verið tölvuunninn með það að augnamiði að ýkja litina. Þannig koma í ljós litabreytingar frá einum hring til annars sem geta veitt okkur mikilvægar vísbendingar um efnasamsetningu agna í ólíkum hringjum. Efnasamsetningin er að mestu leyti vatnsís en á myndinni er litabreytingin af völdum annarra efna, sem þó eru í litlum mæli. Þessi efni hafa enn ekki verið greind. Myndina tók Voyager 2 þann 17. ágúst 1981 úr 8,9 milljón km fjarlægð. (NASA/JPL)

Hringdraugar

Meðal forvitnilegra uppgötvana Voyager-geimfaranna við Satúrnus voru dökk kennileiti, allt að 20.000 km löng, á B-hringnum. Þessi kennileiti haga sér eins og draugar. Þau virðast ganga gegn þyngdarkraftinum og ullu vísindamönnum því miklum heilabrotum. Talið er að draugarnir séu smásæjar rykagnir sem svifið hafa burt frá hringfletinum. Þeir birtast báðum megin hringjanna, við þykkasta hluta B-hringsins og snúast jafn hratt og segulsviðið um Satúrnus. Það bendir til að rafsegulkraftar hafi áhrif á þá. Draugarnir verða til um 104.000 km frá miðju Satúrnusar og teygja sig út yfir Cassini-bilið. Ef til vill myndast þeir af völdum loftsteina sem rekast á agnir í hringjunum eða rykögnum sem hafa rokið burt frá hringjunum. (NASA/JPL)

Fleiri myndir af hringjum Satúrnusar eiga eftir að bætast við eftir því sem þær berast frá Cassini-geimfarinu.

Til baka á forsiðu

Opna Stjörnufræðivefinn í nýjum glugga
Til baka á forsiðu

Meira um Satúrnus

Satúrnus

Cassini-leiðangurinn

Slóðir á aðra vefi