Кольца Сатурна, вероятно, гораздо старше, чем предполагали ученые

Кольца Сатурна достаточно яркие, чтобы их можно было увидеть с Земли. Причина — состав: на 90-95 процентов они состоят из водяного льда, который обладает высокой отражательной способностью (альбедо). Причем этот лед разных размеров, от крошечных льдинок до глыб в несколько метров в диаметре. Также в состав колец входят различные примеси: пыль и породы, вероятно, образованные в результате разрушения одной или нескольких комет, астероидов либо спутников, которые развалились на части под действием гравитации газового гиганта.

На протяжении большей части XX века ученые полагали, что кольца Сатурна образовались вместе с планетой, приблизительно 4,5 миллиарда лет назад. Но когда к газовому гиганту приблизился зонд Cassini, ученые усомнились в этой цифре. Перед тем как завершить свою миссию в 2017 году, аппарат предоставил астрономам наиболее точные данные о структуре и физических свойствах колец, на основе которых исследователи рассчитали их возраст. 

По мнению специалистов, если бы кольца Сатурна существовали миллиарды лет, как это предполагалось ранее, они должны были накопить гораздо большее количество пыли. Однако анализ показал, что пыли на кольцах значительно меньше, чем ожидалось. Это говорит о том, что они гораздо моложе и, возможно, образовались всего от 10 до 100 миллионов лет назад, то есть примерно ровесники гибели динозавров. 

Возраст оценили по темпу потемнения льда: если знать, что кольца изначально состоят из чистого льда, и рассчитать поток метеоритов, приближающейся к Сатурну, можно вывести предполагаемое время накопления примесей. Со временем лед должен был потемнеть из-за накопления космической пыли, но кольца остаются необычайно яркими, что указывает на их «юный возраст». 

В 2023 году ученые уточнили возраст колец Сатурна. Они проанализировали, как быстро космическая пыль загрязняет частицы колец — оседает на водяной лед. Исследователи пришли к выводу, что кольцам от 100 до 400 миллионов лет.

Теперь группа астрономов из Франции и Японии под руководством Рюки Хёдо (Ryuki Hyodo) из Института космических и астронавтических наук опровергла и эти данные. Команда подсчитала, что кольца Сатурна должны быть гораздо устойчивее к загрязнению космической пылью, чем считалось, поэтому водяной лед в их составе может оставаться «чистым» на протяжении длительного времени. Хёдо и его коллеги не рассчитали новый возраст колец, но предположили, что они такие же старые, как и Сатурн, то есть им около 4,5 миллиарда лет. О своем открытии астрономы рассказали в статье, опубликованной в журнале Nature. 

Сперва исследователи смоделировали, как космическая пыль, ускоренная гравитацией Сатурна, врезается в кольца на огромной скорости. Анализ показал, что во время таких столкновений должны возникнуть экстремальные температуры, при которых пыль испарится. В результате образуется пар, распределяющийся в виде облака, после чего оно остывает и конденсируется, превращаясь в заряженные частицы. Эти частицы напоминают те, что наблюдал зонд Cassini. 

Затем команда Хёдо смоделировала, как эти частицы будут двигаться через магнитное поле Сатурна, и обнаружила, что лишь небольшая их часть начнет оседать на кольцах, а большая либо станет затягиваться в атмосферу Сатурна, либо вернется обратно в космос под действием гравитации газового гиганта.

Авторы новой научной работы отметили, что кольца Сатурна кажутся «молодыми» из-за способности «сопротивляться» загрязнению, в результате чего их изначальный внешний вид сохраняется намного дольше. По мнению ученых, этот фактор может влиять на то, как исследователи оценивают возраст колец.

На новое исследование уже отреагировали астрономы, которые оценили возраст колец Сатурна в несколько сотен миллионов лет. Специалисты отметили, что в своей работе они использовали более сложный метод, чем группа Хёдо, а их выводы гораздо практичнее, поскольку сделаны на основе данных, присланных аппаратом Cassini.

«В моделировании, проведенном командой Хёдо, предполагается, что кольца Сатурна состоят только из твердых частиц льда, тогда как на самом деле они состоят из более „мягких“ структур, которые имеют меньшую твердость и большую податливость по сравнению с твердыми частицами. То есть такие „мягкие“ частицы могут разрушаться, деформироваться или прилипать друг к другу при столкновении, создавая более сложные и динамичные взаимодействия, чем твердые ледяные кристаллы. Поэтому результаты исследований будут совсем разными», — пояснил американский астроном Саша Кемпф (Sascha Kempf) из Колорадского университета в Боулдере, один из авторов исследования о возрасте колец Сатурна, проведенного в 2023 году.