Saturn je svoj neuradni naziv najlepšega planeta v Osončju dobil zaradi prečudovitih obročev, ki ga obdajajo. Ta planet sicer ni edini z obroči, vendar so v primeru Saturna te tvorbe mnogo večje in svetlejše kot tistih okoli ostali plinastih orjakov. O Saturnovih obročih obstaja mnogo nerešenih vprašanj: koliko so stari? Kakšna bo njihova usoda v daljni prihodnosti? In ali bo Saturn kdaj izgubil svoj laskavi naslov?
Saturnove obroče je odkril italijanski znanstvenik Galileo Galilei in sicer daljnega leta 1610. Galileo je Saturn opazoval z dokaj primitivnim teleskopom, zaradi česar obročev ni videl kot takih, temveč mu je inštrument naslikal podobo glave z dvema »ušesoma«. Vsako uho je bilo na videz trikrat manjše od samega planeta. Ko si je dve leti pozneje Galileo hotel ta skrivnostna ušesa ponovno ogledati, jih na njegovo presenečenje več ni bilo. »Je Saturn požrl svoje otroke?« se je hudomušno spraševal ta velik znanstvenik namigujoč na znano grško legendo.
Prvi, ki je prepoznal pravo naravo Saturnovih obročev je bil leta 1655 nizozemski astronom Christian Huygens, pri čemer je uporabil doma izdelan teleskop s 43 kratno povečavo. Huygens je, v skladu s takratno navado, svoje odkritje objavil v obliki anagrama, katerega pomen je razkril šele tri leta pozneje: »Saturn je obkrožen s tankim ravnim obročem, ki se planeta nikjer ne dotika in je nagnjen glede na ekliptiko«. To teorijo je leta 1659 Huygens objavil v publikaciji Systema Saturnium, kjer pa je obelodanil še, da okoli planeta kroži luna, ki jo danes poznamo pod imenom Titan.
Od takrat smo se o Saturnu in njegovih obročih naučili ogromno. Leta 1675 je Giovanni Domenico Cassini odkril, da obroč ni le eden, ampak jih je več in da jih ločujejo temni pasovi, imenovani ločnice. Največja izmed njih je dobila ime po svojem odkritelju – Cassinijeva ločnica. Leta 1787 je Pierre-Simon Laplace pokazal, da tog obroč okoli Saturna ne bi bil stabilen, zaradi česar je predlagal, da je ta sestavljen iz večih tanjših obročev. James Clerk Maxwell je šel še korak dalje in je leta 1859 teoretično dokazal, da morajo biti Saturnovi obroči sestavljeni iz množice manjših teles, kar je bilo leta 1895 potrjeno s spektroskopskimi raziskavami.
Danes so obročem dodeljena imena črk v abecednem vrstnem redu, ki se ujema z zaporedjem, v katerem so bili odkriti. Med glavne obroče spadata A in B, ki ju je odkril Cassini ter obroč C, ki ga sta ga leta 1850 odkrila William in George Bond. Obstajajo še šibkejši obroči D, E, F in G ter drugi, ki pa so jih zaznali mnogo pozneje.
Od trenutka njihovega odkritja so Saturnovi obroči postali uganka za astronome, ki so se seveda spraševali, kako so te strukture sploh nastale. Dokončne odgovore poznamo samo za nekatere izmed njih. Tak je primer obroča E, ki se nahaja med orbitama lun Mimas in Titan. Ta obroč sestavljajo mikroskopski delci in je z 2000 kilometri mnogo debelejši od ostalih obročev. Sestavlja ga snov, ki jo izbruhajo ledeni ognjeniki oziroma krioognjeniki, ki se nahajajo na površju Saturnove lune Enkelad. Ta luna ima premer približno 500 kilometrov, prekriva pa jo vodni led. Znanstveniki so našli dokaze, da se pod ledom nahaja globalen ocean vode, ki občasno predre ledeni oklep in nato s hitrostjo več kot 2000 kilometrov na uro uide v vesolje, pri čemer s sabo ponese tudi majhne prašne delce. Astronomi so leta 2005 identificirali del površja Enkelada, kjer se nahajajo ti krioognjeniki. To so tako imenovane tigraste proge, ki so nekakšne brazde oziroma razpoke na površju tega satelita iz katerih vsako sekundo uide 250 kilogramov vodne pare in drugih delcev, ki potem ostanejo ujeti v okolici Saturna.
Izvor glavnih in tudi najlepših obročev A, B in C je veliko bolj kontroverzen. Ti obroči se raztezajo na razdaljah med 7000 in 80.000 kilometrov od Saturna, medtem ko njihova debelina znaša le med 5 do 30 metrov. Sestavljajo jih majhna telesa z premerom od nekaj centimetrov pa do nekaj deset metrov, katerih glavna sestavina je vodni led.
V preteklosti so nekateri znanstveniki predlagali, da so ti obroči nastali hkrati s planetom, torej pred okoli štiri in pol milijardami let. Zagovorniki te visoke starosti so namigovali, da so ravno obroči krivi za nastanek majhnih ter srednje velikih Saturnovih lun in da so nekoč vsebovali veliko več kamnitega materiala kot danes. Različni procesi naj bi sčasoma odstranili te kamnine, pri čemer naj bi ostala le ledena telesa, ki jih vidimo danes.
Večina novejših znanstvenih publikacij predlaga zelo drugačen scenarij. Obroči naj bi bili bistveno mlajši, saj naj bi njihova starost znašala le nekaj sto milijonov let. Podobno starost je v znanstvenem članku, ki je bil objavljen septembra letos v ugledni reviji Science, predlagala skupina znanstvenikov pod vodstvom Jacka Wisdoma iz ameriške univerze MIT. Ti znanstveniki so predložili hipotezo, da so glavni Saturnovi obroči dejansko razbitine hipotetične lune, ki naj bi v preteklosti krožila okoli Saturna.
Eden od indicev za tezo Wisdoma in sodelavcev je dejstvo, da je kot, ki ga opisujeta os vrtenja Saturna ter pravokotnica na ravnino v kateri se nahaja njegova tirnica, enak 27 stopinjam. Saturn namreč spada med plinaste orjake, ki so nastali z akrecijo najprej trdnih planetezimalov, nato pa velikih količin plina. Za te planete bi pričakovali, da je njihova os vrtenja vzporedna s pravokotnico na njihovo orbitalno ravnino. Toda osi vrtenja vseh plinastih orjakov v Osončju z izjemo Jupitra močno odstopajo od tega ideala. Znanstveniki so mnenja, da se je tem planetov v preteklosti pripetilo nekaj, ker je močno spremenilo njihovo orientacijo v prostoru.
Avtorji v svojem članku analizirajo nekaj sto možnih scenarijev, ki bi prišli v poštev pri Saturnu. Med drugim predlagajo, da naj bi Saturnov naklon povzročil kar Neptun. Ta ideja temelji na dejstvu, da se perioda precesije Saturnove osi vrtenja, ki znaša približno 1,7 milijona let, praktično ujema s periodo precesije Neptunove orbite. To ujemanje naj bi povzročilo nekakšno resonanco med planetoma.
V svoji raziskavi so se Wisdom in sodelavci najprej hoteli prepričati da sta planeta dejansko v resonanci. Za ta namen so morali zelo natančno določiti periodo Saturnove precesije. Pri tem so uporabili model porazdelitve snovi v Saturnovi notranjosti, ki temelji na meritvah Saturnovega gravitacijskega polja, ki jih je dolga leta izvajala misija Cassini. Avtorji članka so izračunali, da navkljub približnemu ujemanju period precesije Saturnove osi ter Neptunove orbite, ta dva planeta trenutno nista v resonanci, da pa je le-ta verjetno obstajala v ne tako davni preteklosti. Razlog, da je do resonance nekoč prišlo, naj bi bila Saturnova največja luna. Titan se namreč od planeta oddaljuje s hitrostjo okoli 14 centimetrov na leto. To oddaljevanje ima za posledico vedno hitrejšo precesijo Saturnove osi vrtenja, kar pomeni, da se njena perioda krajša, kar je v določenem trenutku privedlo do resonance z Neptunom. Resonanca naj bi bila razlog, da se je nagib Saturna glede na njegovo orbitalno ravnino povečal kar na 36 stopinj. Naslednje vprašanje, na katerega so morali odgovoriti avtorji članka je bilo, zakaj je ta resonanca nenadoma izginila.
Wisdom in sodelavci so predložili zanimivo hipotezo, namreč, da naj bi okoli Saturna v preteklosti krožila hipotetična luna Chrysalis, ki je, glede na izračune, imela maso podobno drugi Saturnovi luni, poznani pod imenom Iapetus. Zaradi povečanja polmera Titanove orbite je prihajalo do bližnjih srečanj med obema lunama. To je imelo za posledico destabilizacijo orbite Chrysalisa, ki je bila nato bodisi izvržena v medplanetarni prostor bodisi se je Saturnu močno približala in je bila uničena. Oba scenarija bi posledično odpravila resonanco med Saturnom in Neptunom, vendar bi slednji scenarij imel še eno dodatno posledico – v primeru, da bi Chrysalis prekrival vodni led, bi se ta razgradila na nešteto izjemno majhnih teles s premerom do le nekaj metrov, ki bi nato začela krožiti okoli Saturna. Kar 99 % lunine mase bi dokaj hitro padlo na planet, ostali odstotek pa naj bi ostal v orbiti v obliki obročev. Po tem katastrofalnem dogodku naj bi se naklon Saturnove osi vrtenja začel zmanjševati, kar se dogaja še danes.
Avtorji članka so izračunali, da je zmanjševanje naklona Saturna s 36 na današnjih 27 stopinj trajalo med 100 in 200 milijonov let, pri čemer je najverjetnejša vrednost 160 milijonov let. In toliko naj bi torej bili stari tudi Saturnovi obroči.
Izračunana starost Saturnovih obročev se tako ujema z nekaterimi prejšnjimi ocenami, kar daje hipotezi Wisdoma in sodelavcev dodatno kredibilnost.
Nadaljna čtiva za najbolj radovedne
- Krasil’nikov, P.S., Amelin, R.N. On the Precession of Saturn. Cosmic Res 56, 306–316 (2018). https://doi.org/10.1134/S0010952518040019
- Wisdom, Jack, Dbouk, Rola, Militzer, Burkhard, Hubbard, William B., Nimmo, Francis, Downey, Brynna G., French, Richard G. Loss of a satellite could explain Saturn’s obliquity and young rings. Science 377, 6612, )1285-1289), (2022)
- Maryame El Moutamid, How Saturn got its tilt and its rings, Science, 377, 6612, (1264-1265), (2022).
- Rings of Saturn, Wikipedia, https://en.wikipedia.org/wiki/Rings_of_Saturn
- Saturn’s Rings, NASA Science, Solar System Exploration, https://solarsystem.nasa.gov/resources/12669/saturns-rings/.
- Salmon, J., Charnoz, S., Crida, A., Brahic, A. Long-term and large-scale viscous evolution of dense planetary rings. Icarus, 209, 2, 771-785 (2010).
- Zhang, Z., Hayes, A.G., Janssen, M.A., Nicholson, P.D., Cuzzi, J.N., de Pater, I., Dunn, D.E., Estrada, P.R., Hedman, M., 2017. Cassini microwave observations provide clues to the origin of Saturn’s C ring. Icarus. 281, 297–321.
- Zhang, Z., Hayes, A.G., Janssen, M.A., Nicholson, P.D., Cuzzi, J.N., de Pater, I., Dunn, D.E., 2017. Exposure age of Saturn’s A and B rings, and the Cassini Division as suggested by their non-icy material content. Icarus, 294, 14-42.
- Crida, A., Charnoz, S., Hsu, HW. et al. Are Saturn’s rings actually young?. Nat Astron 3, 967–970 (2019). https://doi.org/10.1038/s41550-019-0876-y
- Iess, L. , Militzer, B. , Kaspi, Y. , Nicholson, P. , Durante, D. , Racioppa, P. , Anabtawi, A. , Galanti, E. , Hubbard, W. , Mariani, M. J. , Tortora, P. , Wahl, S. , Zannoni, M., 2019. Measurement and implications of Saturn’s gravity field and ring mass. Science, 364, 6335, id. Aat2965.
soncniblog.com 