Ученые объяснили появление колец Сатурна

Планетологи представили новую компьютерную модель, объясняющую появление колец Сатурна, Урана и Нептуна. Согласно этой модели, кольца возникли в результате сближения этих газовых гигантов с крупными небесными телами из пояса Койпера примерно четыре миллиарда лет назад.
Кольца газовых гигантов Солнечной системы непохожи друг на друга. Наблюдения показывают, что кольца Сатурна более чем на 90-95 процентов состоят из частиц водяного льда, в то время как кольца Урана и Нептуна отличаются темным цветом и могут состоять преимущественно из камня (их точный химический состав на сегодняшний день неизвестен). Несмотря на то, что «ледяной пояс» Сатурна удалось впервые увидеть еще в 1610 году, а после его неоднократно исследовали такие комические аппараты, как «Вояджер-1», «Вояджер-2» и «Кассини», ученые до сих пор не могут однозначно объяснить причины его возникновения. Им также неясно, почему кольца Нептуна и Урана так отличаются от колец Сатурна.
Авторы новой работы создали компьютерную симуляцию, которая объясняет появление колец вокруг Сатурна, Урана и Нептуна с помощью модели Ниццы. Согласно этой модели, во времена Поздней тяжелой бомбардировки планеты-гиганты меняли положение своих орбит, в результате чего сближались с небесными телами из древнего пояса Койпера. Эти тела были сравнимы по размеру с Плутоном, и раньше могло существовать от тысячи до четырех тысяч подобных объектов. В своей модели ученые рассмотрели вероятность сближения планет-гигантов с ними, а также то, каким образом на них могли действовать приливные силы планет.
Расчеты исследователей показали, что все газовые гиганты могли пережить от двух до нескольких десятков сближений с крупными объектами из древнего пояса Койпера. При этом планеты должны были буквально разорвать эти небесные тела своими приливными силами. Моделирование показало, что от 0,1 до 10 процентов изначальной массы объектов должно было оказаться на орбитах планет, что согласуется с современными наблюдательными данными. Исследователи также построили симуляцию, показывающую эволюцию оставшихся на орбите вокруг Сатурна, Урана и Нептуна обломков. Оказалось, что изначально фрагменты небесных тел могли быть крупными (до 100 километров в диаметре) и двигаться по сильно вытянутым орбитам, однако после частых столкновений друг с другом их размер значительно уменьшился, а орбита стала более круглой.

Схематическое изображение процесса формирования колец. Пунктиром обозначен предел Роша. а) Когда небесные тела заходят за него, их разрушают приливные силы планеты. (b) В результате часть обломков остается на орбите вокруг планеты. (c) Постоянные столкновения обломков приводят к тому, что их орбита становится более круглой, а сами остатки небесных тел — более мелкими
Модель также объясняет отличие колец Сатурна от колец Урана и Нептуна. Дело в том, что Уран и Нептун обладают значительно большей плотностью по сравнению с Сатурном (1,27, 1,64 и 0,69 грамма на кубический сантиметр соответственно). Это значит, что расстояние между поверхностью этих планет и пределом Роша (линией орбиты, ниже которой спутник разрушается приливными силами) должно было быть больше, чем у Сатурна. Соответственно, это приводило к тому, что объекты из пояса Койпера, предположительно состоявшие из ледяной мантии и силикатного ядра, могли проходить ниже предела Роша и при этом не сталкиваться с планетой. В результате, приливные силы Урана могли оказаться достаточно сильными, чтобы и ледяная мантия, и каменистые недра приблизившегося небесного тела были разрушены и эффективно захвачены гравитационным полем планеты. В случае с Сатурном, по словам ученых, разрушаться и захватываться могла только ледяная мантия, так как при сильном сближении с планетой (что делало бы возможным захват каменистого ядра) объект просто столкнулся бы с ее поверхностью. Этим и объясняется разный состав колец Сатурна, Урана и Нептуна.