Jak vznikly Saturnovy prstence?

Jsou tím nejkrásnějším, na co se můžete ve Sluneční soustavě podívat. Uvidíte je dokonce i dalekohledem se 40-násobným zvětšením. Saturnovy prstence.

Je to jeden z nejlepších snímků, ne-li vůbec nejkrásnější snímek, jaký byl kdy při výzkumu Sluneční soustavy pořízen. Sonda Cassini prolétá kolem vzdálené obří planety a dostává se do jejího stínu. Kotouč Saturnu na chvíli zastíní naši centrální hvězdu, ta prozáří planetární prstence a ukáže je v celé jejich kráse. Úžasně fragilní, místy jen několik set metrů silný konstrukt z prachu, malých oblázků i větších balvanů, se rozzáří jemnými barvami, připomínající kávu s mlékem. Lemuje je mlžný namodralý prachový pás…

Saturn je nejvzdálenější planetou Sluneční soustavy, kterou můžeme na nebi pozorovat pouhým okem. Jeho okrasné prstence okem ovšem už nezahlédnete.

Galilea Galilei, který jako první v roce 1610 namířil na planetu svůj nový teleskop, tedy čekalo velké překvapení. Na obou stranách kotouče Saturnu uviděl zvláštní světlé výrůstky, které tehdy neuměl definovat jinak, než "ucha". Na dalším obrázku je zobrazen Saturn v kvalitě, jaká odpovídá galileovskému teleskopu. Není divu, že pro velkého astronoma byly prstence původně jen záhadnými kotoučky po stranách vzdálené planety. Při pohledu z boku dokonce pro pozorovatele s tehdejší nedokonalou technikou nadobro zmizely.

Christiaan Huygens předpověděl v roce 1659, že se jedná o veliký Saturnův prstenec. Giovanni Cassini v roce 1675 poprvé rozlišil svým vylepšeným teleskopem jeho strukturu - uviděl předěl mezi prstenci, které dnes nazýváme A a B.

Možná vám připadají tato jména povědomá. Není divu. Jejich jmény se dnes pyšní přístroje, které u vzdálené planety pracují.

Zatímco musely celé generace hádat, co má zvláštní úkaz u Saturnu znamenat, víme dnes díky moderním sondám velice přesně, jak Saturnovy prstence vypadají a z čeho se skládají.

Není planeta jako planeta

Pomineme teď případ Jupitera, jehož prstence jsou dotovány hmotou z jeho vlastních měsíců, jsou proto jen  velice slabé a neznatelné. (Není vyloučeno, že podobné prstence existují nebo časově omezeny existovaly i kolem jiných blízkých planet po srážkách jejich měsíců s velkými asteroidy.)

Proč mají některé planety kolem sebe rozsáhlé prstence a jiné ne? Proč našli vědci prstenec dokonce kolem jednoho ze Saturnových měsíců a u jednoho vzdáleného asteroidu?

Nejrozsáhlejší a nejlépe pozorované planetární prstence v naší soustavě vlastní Saturn. Najdeme je ale také u ostatních velkých plynových planet a jeden z nich byl registrován dokonce u Saturnova měsíce Rhea a asteroidu Chariklo. Zdá se, jako by hlavním předpokladem pro tvorbu prstenců byla určitá vzdálenost od Slunce. Nacházíme je v rozmezí 8 – 20 AU (AU - astronomických jednotek, které se rovnají vzdálenosti Slunce-Země).

Měsíc nebo planetární prstenec? Co rozhoduje o jejich osudu?

Díky vysoké vzdálenosti od centra systému se zde hmota nachází v opravdu velice chladném stavu. Měření ukázala, že teplota prstenců Saturnu je kolem 70 K. U Uranu a Chariklo mohou vědci teplotu pouze odhadovat, ale jejich odhady přichází k podobnému výsledku.

Je to tedy nejspíše vliv teploty, která z původně „lepivého“ materiálu, sněhu, tvoří málo stabilní hmotu. Ta má spíše tendenci se rozpadat, než se sdružovat do větších objektů.

Tento jev se pak naplno projeví v blízkosti hmotného tělesa nebo velké planety, kde na materiál na oběžné dráze začnou působit slapové síly. Pokud objekt překročí tzv. „Rocheovu mez“, slapové síly ho roztrhají.

Každý druh hmoty má svou vlastní, specifickou Rocheovu mez a pevnost. Touto teorií se dá vysvětlit pozorovaný stav, kdy uvnitř dráhy prstenců obíhají pevné, kamenné měsíce a nejeví sebemenší ochotu se rozpadat na menší kusy.

Prstence kolem planet pozorujeme tedy jen ve vnějším Slunečním systému. V blízkosti Slunce panují vyšší teploty, ledová hmota má jiné vlastnosti, které jí dovolují sdružovat se s kamennou hmotou – a tvořit asteroidy, měsíce a planety.

Další z rodiny Saturnových prstenců 

Obrázek, který máme zafixovaný v hlavě, a který ukazuje krásné prstence, rozdělené Cassiniho předělem, ovšem není kompletní. Při pohledu silnými a speciálními teleskopy objevili vědci ještě další, jiné prstence, které k této planetě patří stejně, jako jeho viditelná okrasa.

Je to tzv. „prstenec E“, který je neustále doplňován hmotou, pocházející ze Saturnova měsíce Enceladus. Prstenec E se nachází v rozmezí 180 000 – 480 000 km od planety, na snímcích Saturnu ho nerozeznáte, protože je příliš jemný.

V roce 2009 objevil teleskop Spitzer další, velice rozměrný prstenec. Spitzer, který pozoroval vesmír v infračerveném světle, už tehdy jen dosluhoval. Došla mu chladící hmota, takže se nemohl dál věnovat původním vzdáleným cílům. Vzhledem k tomu, že jeho přístroje fungovaly pořád ještě bezvadně, obrátili ho vědci na bližší cíle, u nichž mohl mít úspěch i bez intenzivního chlazení. Poté, co v infračerveném světle snímkovali blízkost Saturnu, čekalo na vědce velké překvapení: objevili  existenci nového prstence. Rozkládá se mezi 6  a 16 milióny kilometrů od planety a je tvořen řídkým prachem. Na rozdíl od viditelných prstenců je hodně silný. Tloušťka odpovídá dvaceti průměrům Saturnu.

Jakým způsobem a z čeho vznikl tento prstenec? Zdrojem pro jeho hmotu je nejspíše Saturnův měsíc Phoebe, který se pohybuje uvnitř prstence. Při srážkách s asteroidy a kometami se pak jeho materiál dostává na oběžnou dráhu Saturnu. Překvapením bylo ovšem množství tohoto materiálu. Tak silný a mohutný, i když řídký prstenec nikdo nečekal.

Prstenec i Phoebe se pohybují kolem Saturnu jinak, než ostatní měsíce. Jejich dráha je silně skloněná a je retrográdní, Phoebe obíhá opačným směrem než jeho kolegové.

Iapetus je ... jen špinavý

Objev obřího prachového prstence udělal vědcům opravdu radost. Vyřešil totiž jednu dávnou záhadu, která se týkala jiného Saturnova měsíce – s názvem Iapetus. Ten vlastní záhadné zbarvení. Jedna jeho polovina je hodně světlá, druhá je zase naopak hodně tmavá. Nyní se záhadu podařilo vysvětlit tím, že Iapetus, na rozdíl od prachového prstence, obíhá kolem Saturnu „správným“ směrem. Díky své blízkosti k obřímu prachovému útvaru pak na své frontální straně neustále nabírá prachovou hmotu, která ho „špiní“ a způsobuje rozdílné zbarvení jeho polokoulí.

Stáří prstenců

Původní odhady vycházely z toho, že útvar, kroužící kolem Saturnu, nebude starší než několik set miliónů let. Pokud prstence vznikaly rozpadem blízkých těles a objektů, jsou příliš čisté, není v nich dostatečné množství později zachyceného prachu. Nová měření ukázala před několika lety, že celková hmota prstenců je daleko větší, než se předpokládalo. Prach, který se v nich usazuje, tedy nemůže zaujímat moc velkou část celku. Z jeho množství se tedy nedá usoudit na dobu, ve které prstence vznikly.

Stáří prstenců je dnes odhadováno na několik miliard let, vytvořily se tedy buď spolu s planetou nebo krátce po jejím vzniku.

Příště: Gravitační hrátky – struktura Saturnových prstenců

Zdoje: https://www.raumfahrer.net/raumfahrt/cassini/saturnringalter.shtml, http://www.wissenschaft.de/wissen/news/249343.html, www.spiegel.de-různé, astronomie.de-různé, wissenschaft.de-různé. http://www.nasa.gov/audience/forstudents/k-4/stories/ring-a-round-the-saturn.htmld, Wikipedia-různé, https://web.archive.org/web/20071210230415/http://saturn.jpl.nasa.gov/news/press-release-details.cfm?newsID=691, http://www.nasa.gov/mission_pages/spitzer/multimedia/spitzer-20091007b.html