Раньше у Земли были кольца как у Сатурна: куда они исчезли?
Если бы люди составляли рейтинг «чудес света» Солнечной системы, то кольца Сатурна точно попали бы в него. Но Сатурн — далеко не единственная планета в нашей звёздной системе, у которой есть или когда-либо были кольца. Разберёмся, как они формируются, из чего состоят и когда Сатурн может их потерять.
Что такое кольца Сатурна?
Если посмотреть в телескоп, кольца Сатурна кажутся сплошным диском, но это не так. На самом деле это система из миллиардов отдельных частиц, каждая из которых вращается по своей орбите. Размеры этих частиц варьируются от микроскопической пыли до небесных тел диаметром в несколько метров.
Ключевая особенность колец — их состав. Они почти полностью (до 99.9%) состоят из чистого водяного льда. Именно эта чистота и делает их такими яркими: лёд отлично отражает солнечный свет.
Кольца молоды и скоро исчезнут
Долгое время учёные считали, что кольца сформировались вместе с Сатурном 4.5 миллиарда лет назад. Однако миссия NASA «Кассини» полностью изменила эту точку зрения. Во время финальных манёвров в 2017 году аппарат 22 раза нырнул между планетой и кольцами. Это позволило учёным использовать «Кассини» как гравитационный зонд и впервые точно измерить массу колец.
Оказалось, что масса колец критически низкая — всего 1,54x10^19 килограммов, что составляет около 41% массы ледяной луны Мимас. Если бы кольца были такими же старыми, как планета, они бы за 4.5 миллиарда лет накопили огромное количество тёмной космической пыли и метеороидов. Они были бы намного тяжелее и темнее. Низкая масса и исключительная чистота доказывают, что кольца очень молодые.
Новая оценка их возраста — от 10 до 100 миллионов лет. Это означает, что кольца, вероятно, появились, когда по Земле уже ходили динозавры. Более того, кольца Сатурна — явление временное. Они активно распадаются. Этот процесс известен как «кольцевой дождь». Мельчайшие частицы льда заряжаются, захватываются магнитным полем Сатурна и выпадают в верхние слои атмосферы планеты.
«Кассини» измерил интенсивность этого процесса и выяснил, что это не просто лёгкий дождь, а настоящий «ливень». Каждую секунду на Сатурн выпадает от 4,8 до 44 тысяч килограммов материала колец. При таком темпе распада кольца Сатурна полностью исчезнут менее чем через 100–300 миллионов лет. Мы живём в уникальный момент, когда можем наблюдать это явление.
Как появились кольца Сатурна?
Молодой возраст и ледяная чистота колец указывают на то, что они образовались в результате катастрофы. Но перед тем, как рассказать о ней, разберёмся с терминами, а именно, с пределом Роша. Предел Роша — это наименьшее расстояние от планеты, внутри которого приливные силы небесного тела превышают собственную гравитацию спутника, удерживающую его как единое целое. Когда спутник пересекает эту границу, гравитация планеты притягивает его значительно сильнее других сил.
Эта разница в притяжении растягивает спутник и разрывает его на части. Материал, оказавшийся внутри предела Роша, уже не может собраться обратно в луну. Он обречён оставаться в виде диска из мелких частиц. Почти все известные кольца, включая кольца Сатурна, находятся внутри этого предела.
Наиболее вероятный сценарий — у Сатурна была ещё одна крупная ледяная луна. По какой-то причине она сошла с орбиты, пересекла предел Роша и была разорвана гравитацией.
Составное изображение колец Сатурна D, C, B, A и F
Эта теория объясняет и чистоту колец. У той луны, вероятно, было плотное каменистое ядро и толстая ледяная мантия. При разрушении чистый лёд остался на орбите, сформировав кольца, а тяжёлые каменные обломки либо упали на Сатурн, либо были выброшены из системы.
Почему у Земли нет колец?
Если предел Роша — это универсальный закон, почему у Земли нет колец, созданных, например, из разрушенной Луны?
Гравитация и зона разрыва
Сатурн — газовый гигант, его масса примерно в 95 раз превышает массу Земли. Эта огромная масса создаёт гигантский предел Роша — около 117 тысяч километров. Земля намного меньше — её предел Роша составляет всего около 19,9 тысяч километров.
Расположение Луны
Луна находится в полной безопасности. Среднее расстояние до неё — 384,4 тысяч километров. Она находится более чем в 18 раз дальше земного предела Роша. Гравитация, удерживающая Луну, многократно превышает приливные силы Земли. Более того, Луна не приближается, а медленно удаляется от нас.
Недостаток материала
Даже если бы Луна подошла слишком близко, при её разрыве материала для создания ярких колец просто не хватило бы. Сатурн находится за «снеговой линией» Солнечной системы, где было много водяного льда.
Земля — каменистая планета. Любые ледяные кольца вокруг неё быстро испарились бы под действием излучения Солнца. А кольца из каменистой лунной породы были бы тёмными и тусклыми.
Когда у Земли были кольца
Несмотря на отсутствие колец сегодня, в истории Земли был короткий период, когда она имела кольца. Это произошло в самом начале её истории, около 4.5 миллиардов лет назад. Наиболее популярная теория формирования Луны — Гипотеза мегаимпакта. Согласно ей, прото-Земля столкнулась с протопланетой Тейей, размером примерно с Марс.
Этот катастрофический удар выбросил на околоземную орбиту гигантское количество раскалённых, частично испарившихся обломков породы. Они и сформировали временное кольцо вокруг Земли. Это было огненное, раскалённое кольцо — полная противоположность ледяным кольцам Сатурна.
Почему это кольцо исчезло?
Большая часть этих раскалённых обломков оказалась за пределом Роша Земли. Поскольку материал был снаружи зоны разрыва, он смог остыть и быстро «слипнуться» под действием собственной гравитации. В итоге эти осколки сформировали прототип Луны. Этот процесс был невероятно быстрым по геологическим меркам: возможно, Луна сформировалась из этого диска всего за несколько тысяч лет. Кольцо Земли было лишь кратковременным, промежуточным этапом в процессе создания нашего спутника.
В итоге
Разница между Сатурном и Землёй — это яркий пример того, как законы физики, состав и время определяют архитектуру планетных систем. У Сатурна есть кольца, потому что его огромная гравитация и доступ к ледяному материалу позволили недавней катастрофе создать систему, в которой лёд оказался внутри предела Роша и не может слипнуться в луну. У Земли нет колец, потому что её предел Роша мал, а её спутник находится далеко.
Кольца Сатурна — это признак медленного, активного разрушения, которое мы наблюдаем прямо сейчас, и, увы, они обречены на исчезновение. Древнее кольцо Земли, напротив, было огненным, но быстротечным свидетельством рождения нового спутника, который помог жизни сформироваться и развиться на нашей планете.
Что будет с Землёй, если исчезнет Луна?