Kosmos

Oko Saurona i drużyna pierścieni

Numer 2/2019
Kolorowy obraz Saturna uzyskany przez sondę Cassini. Widać pierścienie planety, przerwy między nimi i liczne małe księżyce wewnętrzne. Kolorowy obraz Saturna uzyskany przez sondę Cassini. Widać pierścienie planety, przerwy między nimi i liczne małe księżyce wewnętrzne. Vadim Sadovski / Shutterstock
Światy rodzą się w dyskach pyłu i gazu, które otaczają wszystkie powstające gwiazdy. Wokół uformowanych planet, a nawet mniejszych obiektów, też często krąży materia pod postacią pierścieni. Oto kosmiczny poczet dysków i pierścieni.
Plutoid Haumea. Leży w Pasie Kuipera niedaleko Plutona. Ma mocno spłaszczony kształt, dzięki czemu pierścienie materii mogą długo utrzymywać się wokół niego.Diego Barucco/Shutterstock Plutoid Haumea. Leży w Pasie Kuipera niedaleko Plutona. Ma mocno spłaszczony kształt, dzięki czemu pierścienie materii mogą długo utrzymywać się wokół niego.

To ciekawe, ale astronomowie odkrywają coraz mniejsze obiekty kosmiczne, wokół których krąży materia pod postacią pierścieni. Pierścienie znalezione ostatnio – mniej więcej trzy lata temu – otaczają maleńkie obiekty należące do rodziny tzw. centaurów, a więc planetoid poruszających się między Jowiszem a Neptunem. Są to Chariklo i Chiron. Rok temu znaleziono też obiekt z Pasa Kuipera, będący tzw. plutoidem, a więc planetą karłowatą, wokół którego także krążą pierścienie. To Haumea. Wydaje się więc, że pierścienie są o wiele bardziej powszechne w naszym Układzie Słonecznym, niż sądziliśmy. Jeszcze niedawno wiedzieliśmy tylko o pierścieniach krążących wokół czterech planet olbrzymich, a więc Jowisza, Saturna, Urana i Neptuna. Ale zacznijmy od początku. Od samych narodzin kosmicznego świata.

Z dysku jesteśmy

Po narodzinach gwiazdy – z zagęszczenia pierwotnego obłoku molekularnego, w którym dominuje cząsteczkowy wodór – wkrótce formuje się wokół niej dysk materii (protoplanetarny), z którego gwiazda może czerpać zasoby i się powiększać. Jeszcze planet w nim nie ma, ale już powstają pierwsze zagęszczenia, z których z czasem planety powstaną. Bardzo dobrym przykładem tego procesu są niewielkie gwiazdy typu T Tauri. Zmienią się one w drodze swojej ewolucji w karły – najbardziej rozpowszechniony typ gwiazd w kosmosie – które już świecą, choć jeszcze nie rozpoczęły się w nich reakcje termojądrowe. T Tauri są bardzo jasne, ponieważ grawitacja silnie je zagęszcza, i bardzo młode – liczą ledwie milion, dwa miliony lat. Są tuż przed tzw. zapłonem termojądrowym, który uczyni z nich pełnoprawne gwiazdy sytuowane w tzw. ciągu głównym wszystkich obserwowanych gwiazd spalających wodór. Można je jednak obserwować, a także krążące wokół nich dyski materii z istniejącymi gdzieniegdzie ciemnymi lukami – to znak, że jakieś większe obiekty czyszczą otaczający gwiazdę dysk z materii, tworząc wyraźne przerwy, nieco podobne do tych obserwowanych między pierścieniami Saturna. Te większe obiekty to przyszłe planety.

Do tego typu gwiazd, badanych często przez astronomów, należą LkCa 15 i HD 163296. Układ LkCa 15 jest dość ciekawy; składa się z typowej gwiazdy typu T Tauri, dorównującej masą Słońcu, tyle że liczącej zaledwie 2 mln lat, i jej planetarnego towarzysza, który właśnie się narodził – planety istotnie większej od Jowisza, o symbolu LkCa 15b. Okrąża ona macierzystą gwiazdę w odległości 16 jednostek astronomicznych (j.a. to odległość Ziemi od Słońca) i jest... zbyt czerwona. To kazało badaczom przyjąć, że planetę też coś otacza, a więc najpewniej jakiś dysk materii, na podobieństwo dysku akrecyjnego uformowanego wokół samej gwiazdy. Otóż gdy rodzi się planeta – zwłaszcza duża – materia wokół niej też może utworzyć dysk. Materia ta opada potem na planetę i tak cały ten scenariusz się powtarza, tyle że w mniejszej skali, niż to dzieje się w przypadku samej gwiazdy. Gdy materia z dysku zasila planetę, rozgrzewa się i jaśnieje. Stąd nadmierne poczerwienienie LkCa 15b.

Oko Saurona

Gdy gwiazda się w pełni uformuje, dysk wokół niej zaczyna zanikać (a przynajmniej traci wyraźny kształt). Znaczna część jego materii opadła wcześniej na rodzącą się gwiazdę, a część została nawet wyrzucona w przestrzeń w dżetach materialnych, towarzyszących narodzinom większości gwiazd, z pozostałości zaś tworzą się planetozymale (zalążki planet) i w końcu z nich – planety.

Nie zawsze jednak dysk zanika. Istnieją gwiazdy już uformowane, wokół których krążą planety – lub planeta – we wciąż bardzo wyraźnym dysku okołogwiezdnym. Najlepiej poznaną gwiazdą tego rodzaju jest Fomalhaut. To biały podolbrzym, dwukrotnie masywniejszy od Słońca i o wiele od niego jaśniejszy. Jest główną gwiazdą konstelacji Ryby Południowej, dobrze widoczną na niebie w Polsce na przełomie lata i jesieni. „Fum-al-hut” oznacza po arabsku „paszczę wieloryba”. Gwiazda jest oddalona od nas o 25 lat świetlnych.

W połowie lat 80. ub.w. teleskop na podczerwień (IRAS) wykrył, że jest ona źródłem zbyt silnego jak na taki obiekt promieniowania podczerwonego, a dalsze obserwacje wykazały, że otacza ją potężny, rozciągający się na 160 j.a. (czyli ponad 20 mld km) dysk lodowo-pyłowy. Na obrzeżach tego dysku wyraźnie widać też jasny pierścień materialny. Jak się wydaje, pierścień ten zawdzięcza stały kształt dwóm planetom Fomalhauta – orbitującym wewnątrz pierścienia i na zewnątrz. Tę wewnętrzną namierzono w 2008 r. dzięki teleskopowi Hubble’a i nazwano Dragon. Jest to planeta typu jowiszowego, notabene pierwsza w historii planeta pozasłoneczna (egzoplaneta) odkryta metodą bezpośredniej obserwacji optycznej. Drugiej planety jeszcze nie odnaleziono, choć najpewniej jest gdzieś tam, na zewnątrz pierścienia. Cały ten niezwykły układ Fomalhauta może trwać dzięki temu, że jego dysk jest zasilany wciąż nowymi kometami, których w pobliżu gwiazdy istnieją miliardy, a najpewniej nawet biliony. Ze względu na jej specyficzny wygląd gwiazdę Fomalhaut i jej otoczenie nazwano Okiem Saurona. Istotnie, gwiazda i jej dysk oraz zewnętrzny pierścień przypominają oko złowrogiego Saurona, postaci z „Władcy pierścieni” J.R.R. Tolkiena.

Władcy pierścieni

Jeszcze kilka lat temu jedynymi władcami pierścieni w naszym Układzie Słonecznym były cztery olbrzymie planety, czyli Jowisz, Saturn, Uran i Neptun. Wszystkie mają pierścienie, choć oczywiście zdecydowanym liderem jest tu Saturn – posiada ich aż 10, a najwyraźniejsze i odkryte najwcześniej oznaczono literami alfabetu łacińskiego, pozostałe noszą nazwy jego księżyców, odpowiedzialnych za ich istnienie i utrzymywanie w stałej pozycji (to tzw. księżyce pasterskie). Największe pierścienie – B i A – a także szeroką przerwę między nimi (Przerwa Cassiniego) można w pogodną noc dostrzec z Ziemi nawet przez niewielką lunetę. Geneza saturiańskich pierścieni nie jest pewna, ale w grę wchodzą w zasadzie tylko dwa wytłumaczenia. Albo są one pozostałością z okresu formowania się Układu Słonecznego – podobnie jak w przypadku wspomnianego wcześniej układu LkCa 15 – albo jeden z licznych księżyców planety (lub nawet kilka z nich) przekroczył tzw. granicę Rocha, czyli zbytnio zbliżył się do potężnego Saturna i został przez jego grawitację rozerwany. Inną wersją tej drugiej interpretacji jest możliwość przechwycenia wielu planetoid lub planet karłowatych przez Saturna w okresie tzw. Wielkiego Bombardowania, ok. 4 mld lat temu, gdy doszło do reorientacji orbit wielu planet w naszym Układzie, a co za tym idzie, do wielkiej zawieruchy. Wtedy znaczna liczba obiektów z Pasa Kuipera dostała się w głąb Układu, w pobliże wielkich planet. Niektóre zostały rozerwane po zbytnim zbliżeniu się do olbrzymów, w tym do Saturna. I tak powstały jego pierścienie.

Co ciekawe, pierścienie Saturna istotnie różnią się od tych, które obiegają Urana i Neptuna (z kolei pierścienie Jowisza są bardzo słabe, wręcz śladowe, trudno je więc dokładniej zbadać). Te saturiańskie są nie tylko o wiele wyraźniejsze, ale też niemal w 95% składają się z cząstek lodu. Tymczasem stosunkowo łatwo zauważalne pierścienie Urana i Neptuna są w znacznej części wypełnione pyłem i drobinami skalnymi. Lodu znajduje się w nich zdecydowanie mniej. Wyjaśnieniem tej różnicy zajął się niedawno międzynarodowy zespół badaczy z Japonii i Francji. Ustalili oni, że jeśli olbrzymie planety wytworzyły swoje pierścienie w wyniku pochwycenia i rozerwania obiektów z Pasa Kuipera w trakcie tzw. Późnego Wielkiego Bombardowania, zasadnicze znaczenie przy formowaniu się pierścieni miała gęstość planet.

Gęstość Saturna jest bardzo mała, niższa niż gęstość wody – to mniej więcej 0,69 g/cm3. Dla porównania gęstość Urana to 1,27 g/cm3, a Neptuna – 1,64 g/cm3. Ponadto stosunek średnicy do masy Saturna jest bardzo duży. W związku z tym, gdy w okresie Wielkiego Bombardowania asteroidy i planety karłowate z Pasa Kuipera były pochwytywane przez planety olbrzymie, w przypadku gęstego Urana i Neptuna dochodziło często do ich całkowitego rozerwania (siły pływowe planety gęstej są większe niż ciała o mniejszej gęstości). Tymczasem w przypadku Saturna chwytane grawitacją ciała były niszczone tylko częściowo; rozerwaniu ulegały jedynie ich zewnętrzne lodowe powłoki. Stąd przewaga lodu w pierścieniach Saturna.

Coraz więcej pierścieni

Dzisiaj do klubu obiektów naszego Układu Słonecznego, wokół których krążą pierścienie, trzeba było przyjąć kolejne ciała, już znacznie mniejsze i mniej widowiskowe. W 2013 r. dzięki zjawisku okultacji, czyli zakrycia światła gwiazdy przez inny znajdujący się bliżej nas obiekt, odkryto, że przysłaniająca światło odległej gwiazdy planetoida Chariklo ma dwa pierścienie. Chariklo jest największym ze znanych dotychczas centaurów, a więc grupy planetoid poruszających się między Jowiszem a Neptunem. Znajduje się w odległości ok. 15 j.a. od Słońca, jest nieregularna, a jej średnica wynosi 250–300 km. I wiadomo już, że istnieją wokół niej dwa pierścienie o szerokości 3 i 7 km, oddzielone 9-kilometrową przerwą.

Naukowców zdumiało, że tak mały obiekt posiada własne pierścienie. Kluczowe były tu pytania, skąd się one wzięły i jak mogą się utrzymywać. I tu znów w sukurs przyszli uczeni z Japonii, którzy ustalili, że jeśli centaury mają zróżnicowaną strukturę – wewnątrz krzemianową, a w zewnętrznych partiach lodową (wiele na to wskazuje) – to przelatując w pobliżu planet olbrzymów, mogą być tylko częściowo rozerwane; wtedy odpadają z nich właśnie zewnętrzne partie i to one tworzą wokół centaura dysk lodowy. Może on istnieć krótko – ledwie setki lat – lub dłużej, jeśli cząsteczki są bardzo małe lub dysk zewnętrzny, jak pasterz, ogranicza jakiś większy, też orbitujący wokół centaura odprysk lub okruch.

Wkrótce po odkryciu pierścieni wokół Chariklo udało się zaobserwować podobne zjawisko wokół drugiego centaura – Chirona. Ale nie dość na tym. W październiku 2017 r. pierścienie odkryto wokół stosunkowo dużej planetki karłowatej Haumea, która jest plutoidem zlokalizowanym wraz z Plutonem i Makemake w obszarze Pasa Kuipera. Haumea ma prawie 1600 km średnicy i jest bardzo mocno spłaszczona – przypomina wyglądem wielkie kosmiczne jajo. Posiada też dwa małe księżyce i – jak się okazuje – także pierścienie. Udało się to odkryć również dzięki zjawisku okultacji.

Ostatnio (doniesienie z listopada 2018 r. w „Nature Astronomy”) naukowcy z Cornell Center for Astrophysics ustalili, korzystając z obserwacji astronomicznych oraz symulacji komputerowych, że chociaż wiele pierścieni Saturna utrzymuje się dzięki niewielkim księżycom pasterskim, to w przypadku Chariklo znaczenie mają nieregularny kształt planetoidy, jej bardzo szybki obrót oraz liczne wysokie wzniesienia na powierzchni. Z kolei na utrzymanie pierścieni Haumei wpływ mają bardzo szybki obrót planetki i jej mocno spłaszczony kształt. W obu przypadkach materia pierścieni składa się z bardzo drobnych cząsteczek lodu.

Tak czy inaczej, pierścienie są prawdopodobnie o wiele częściej występującymi strukturami wokół planet, planet karłowatych, a nawet planetoid, niż do tej pory uważaliśmy. To ciekawe odkrycie, ponieważ jeszcze kilka lat temu w ogóle nie wiedzieliśmy o istnieniu pierścieni materialnych w naszym Układzie Słonecznym poza planetami olbrzymimi.

Przemek Berg
dziennikarz naukowy, związany na stałe z redakcją tygodnika „Polityka”

01.02.2019 Numer 2/2019

Czytaj także

Reklama
Reklama

Ta strona do poprawnego działania wymaga włączenia mechanizmu "ciasteczek" w przeglądarce.

Powrót na stronę główną