A bolygógyűrűk eredete

A bolygógyűrűk összefoglaló áttekintése a Galileo és a Cassini szonda eredményeinek a tükrében, saját munkahipotézisek alapján1

Illés Erzsébet

Második rész

A Shoemaker Levy-9 (SL9) üstökös
szétdarabolódásának tanulságai

Nagy érdeklődés kísérte 1994-ben a több mint 22 darabra szakadt SL9 üstökös (1. ábra) becsapódását a Jupiterbe, elsősorban azért, mert megmutatta, hogy milyen nagy hatást gyakorolhat még egy kicsi, 1-2 kilométeres test becsapódása is egy bolygó légkörére.

1. ábra. A Shoemaker Levy-9 szétszaggatott üstökös "gyöngysora" a Hubble-űrtávcső  felvételén

Számunkra most azonban az SL9 előélete az érdekes. Ez az üstökös valamikor korábban nagyon közel haladt el a Jupiter mellett, amikor is a bolygó óriási árapályereje eresztékeiben meglazította az üstököst, miközben be is fogta holdnak. Vagyis az SL9 a Nap körüli pályáról áttért egy Jupiter körüli pályára. Amikor valamelyik következő keringés során újra Jupiter-közelbe került, az árapályerők a már meggyengült testet annyira "szétcibálták", hogy egyes darabjai talán már le is váltak. A következő pályán további darabjai váltak le, majd a keringések során ezek a darabok egyre jobban el is távolodtak egymástól - létrehozva a "gyöngysort". Ekkor fedezték fel az üstököst, és figyelték további fejlődését, illetve az ekkori pályából számolták ki visszamenőleg a korábbi befogást és szétdarabolódást. Ha az utolsó pálya nem metszette volna a Jupiter gömbjét - létrehozva a becsapódássorozatot -, akkor nagy valószínűséggel tovább darabolódott volna az üstökös, míg végül a Jupiter körül is egy gyönyörű, fehér jégdarabkákból álló gyűrű keletkezhetett volna, amilyent a Szaturnusz körül látunk, amióta Galileo Galilei távcsövét az ég felé fordította.

Az 1977-ben felfedezett Chiron kisbolygó pályájának tanulmányozása alapján a Szaturnusz fényes gyűrűjének keletkezésére egy ilyen lehetséges folyamatot javasolt L. Dones az Icarus című tudományos folyóirat egyik, 1991-ben megjelent számában - tehát még az SL9 becsapódása (1994) és az első Kuiper-övbeli objektum (Kuiper Belt Object, KBO) felfedezése (1992) előtt. Ez akkoriban nem keltett nagy érdeklődést, bár egyetemi óráimon azóta is így magyarázom a Szaturnusz fényes gyűrűinek a létrejöttét, és a keletkezés szempontjából kétkomponensű gyűrűről beszélek. Dones elképzelését egyrészt a százmillió évnyi, rövid gyűrűélettartammal (tehát nem lehet ősi a gyűrű), másrészt azzal támasztja alá, hogy a Mimas pályáján belüli holdak össztömege kevesebb, mint a gyűrű tömegének egyhatoda, vagyis a gyűrű nem jöhetett létre a holdak porlásából. A munkahipotézis mellett azonban sokkal fontosabb érvnek tartom azt, hogy a Szaturnusz-gyűrű össztömege 1000-szer nagyobb, mint a legnagyobb tömegű porgyűrűé, mégpedig az Uránuszé.

Hogyan keletkezhettek tehát a Szaturnusz gyűrűi?

A Cassini szonda spektrális mérései - véleményem szerint - egyértelműen bizonyítják, hogy a Szaturnusznak kétféle forrásból származó gyűrűje van.

A porgyűrűk lényegében ugyanúgy keletkezhetnek, ahogy a másik három óriásbolygó gyűrűi. Ezek a dinamikus egyensúly következtében állandóan meglévő gyűrűrendszerek, amelyeket a bolygóhoz közeli holdak állandó, a fogyást ellensúlyozó porlása tart fenn - mindaddig, amíg a holdak anyaga el nem fogy. Ezalatt a gyűrűket alkotó részecskék folyton cserélődnek, tehát mindig más és más részecskék alkotják a gyűrűt. A gyűrűk szerkezetét a gyűrű részecskéinek forrásául szolgáló holdak helye, illetve a holdakkal való rezonanciája alakítja ki. S ez csak akkor változik, ha a holdak elfogynak vagy pályájuk módosul - ilyenkor máshova tolódik az általuk létrehozott rés is. Ezek tehát az állandó gyűrűk.

A többi óriásbolygóval ellentétben azonban a Szaturnusz körül egy jéggyűrű is van. A közelmúltban (százmillió évnél nem régebben) egy SL9-szerű esemény játszódhatott le ott is. Ekkor egy Kuiper-övbeli objektum, vagyis egy óriási, néhány száz kilométer átmérőjű üstökösmag (mint amilyen a Chiron is) a Szaturnuszhoz közel repülhetett el. Ezt az égitestet a Szaturnusz befogta (kaptálta), majd a bolygó árapályereje szétszaggatta. Ebből jött létre egy ideiglenes jéggyűrű (a B+A gyűrű), amely nem marad ott állandóan, mert ha a jéganyag elfogy, nem valószínű, hogy véletlenül még egy újabb üstökösmag jön az utánpótlással. Persze, ez sem kizárt. Mi tehát szerencsésnek mondhatjuk magunkat, hogy éppen most, az emberiség életében látható egy ilyen csodálatos képződmény. Dones statisztikai számításai szerint ugyanis a Naprendszer élete alatt egy bolygónál csak egyszer várható ilyen esemény. Ez a becslés természetesen még változhat a sok Kuiper-övbeli objektum felfedezése és az SL9-szerű események múltbeli leírásainak megkeresése (és statisztikai vizsgálatai) nyomán.

A porgyűrű és a jéggyűrű együtt, egy területen belül, de egymástól csaknem függetlenül létezik és fejlődik. De természetesen hatnak is egymásra, például a jégszemcsékre tapadó por bepiszkítja a jeget, mint Földünkön a frissen esett havat a sár. Tehát ahol a porgyűrűk keletkeznek, és ezért több a por, ott a jéggyűrű már porosabb, koszosabb. Az A gyűrű ezért piszkosabb a B-nél, mert a környezetében több a porló hold.

A jégrögök tovább aprózódnak, és szétrepednek a gyengébb ellenállású, lazább zónák mentén. A mikrometeorit-ütközések pedig ugyanúgy rombolják őket is, mint a szilikátos darabkákat. S ha már elértek egy bizonyos kis méretet, akkor a Poynting-Robertson-effektus őket is spirális pályán hajtja a bolygó felé, mint a szenes kondritokhoz hasonló összetételű port. Mozgásuk azonban lassabb, mert a jégdarabkák a nagy albedó miatt kevésbé melegszenek fel.

Ha viszont vízmolekulákat vágnak ki belőlük a mikrometeorit-bombázások vagy a nagy energiájú töltött részecskék becsapódásai, akkor légkört hoznak létre a gyűrű környezetében. Így talán érthető az a Voyager-megfigyelés, hogy a gyűrűknél villámoktól eredő rádiózajokat regisztráltak. A víz ugyanis poláros molekula, és töltésszétválasztás jöhet létre. A Cassini szonda egyébként négyszer annyi oxigénmolekulát regisztrált a gyűrűk környezetében, mint másutt, ami a kivágott vízmolekulák bomlásából származhat - hasonlóan a Jupiter Europa holdjánál létrejött oxigénlégkörhöz.

Már régóta értjük, hogy a bolygóközi térben egy-egy kigázosodott és darabjaira szétesett üstökösmagból hogyan szélednek szét a por és a kődarabok - létrehozva a meteorrajokat. A Szaturnusz körül szétdarabolódott óriási üstökösmag anyaga is "szétkenődött", de sokkal lassabban - egyrészt a nagy tömegű bolygó, másrészt bizonyos helyeken és irányokban a holdak korlátozó hatása miatt. Ugyanakkor a holdak pályamódosító hatása más irányokban éppenséggel elősegíti a szétszéledést. A holdak a jéggyűrű létrejöttének pillanatától kezdve azonnal megkezdik a gyűrű szerkezetének kialakítását azzal, hogy rezonáns helyeiken gyorsan hajtják át a szemcséket - réseket alakítva ki -, s ez a tevékenység teljesen független attól, hogy az üstökösmag milyen Szaturnusz-távolságban darabolódott fel, valamint attól is, hogy milyen anyagú szemcsék vannak ott. Csak a tömegüktől függ, hogy milyen gyorsan hajtják ki őket onnan a holdak.

Úgy gondolom, az üstökösmag valahol a B gyűrű közepe táján kezdett el szétdarabolódni, ahol még ma is a leghidegebb, legátlátszatlanabb, és ahol legsűrűbben helyezkednek el a gyűrűt alkotó részecskék, amelyek innen kezdtek el minden irányba szétterjedni (B+A gyűrű). Ezt a terjeszkedést bizonyos helyeken megtiltotta egy-egy hold rezonáns helye; ezért olyan éles például az A gyűrű külső széle (a Mimas hold hatására). Bizonyos helyeken egy-egy hold rést alakított ki a gyűrűrendszer belsejében is; például a 4800 kilométer széles Cassini-rést a 398 kilométeres Mimas hold, amellyel kettévágta a B+A gyűrűt B-re és A-ra. A Szaturnusz egyenlítőjének síkjára merőleges szétterjedést a bolygó erősen lapult alakja korlátozza, amely a gyors forgás következtében jött létre (a 120 ezer kilométer átmérőjű Szaturnusz 10,5 óra alatt fordul meg a tengelye körül!). Ezért olyan vékony a gyűrűrendszer. Amikor a 240 ezer kilométer széles gyűrűt "élben" láttuk a Földről, távcsöves megfigyeléssel azt állapíthatták meg, hogy nem lehet vastagabb 1,5 kilométernél. Most ezt a 1,5 kilométeres felső határt csökkentette le a Cassini-mérés 100 méterre, sőt 50 méterre, amire az is utal, hogy a rések szélénél a teljes sűrűségről a rés minimális sűrűségéig 100 méteren belül csökken le a részecskék száma.

A széleken a gyűrű "egyrészecske-vastag" (angolul monolayer) lehet, míg a B+A gyűrű közepénél, ahol a legfényesebb a gyűrű, és a feldarabolódás még mindig tarthat, sokrészecske vastagságú. Ezt az is bizonyítja, hogy ez a rész teljesen sötét a meg nem világított oldalról, tehát egyáltalán nem jut át rajta a fény. Egyébként amellett két megfigyelési tény is szól, hogy nemrég darabolódott fel az üstökösmag. Mégpedig egyrészt az, hogy a B+A gyűrű nem egyenletesen fényes, tehát még nem széledt szét teljesen az anyag, másrészt az, hogy az A gyűrű és a belső B gyűrű koszosabb, porosabb, mint a B+A gyűrű közepe (a legfényesebb rész), tehát még nem volt ideje a porgyűrű anyagának egyenletesen bepiszkolnia a jéggyűrűket.

A negyedik fajta gyűrű, ami most nincs, de volt

Eddig láttuk, hogy háromféle forrásból jöhet létre gyűrű a bolygók körül, és ezekre jelen pillanatban látunk is példát: 1. a meteorbombázásokkal porlasztott holdak porából, amilyent mind a négy óriásbolygó körül meg is találtunk; 2. a Roche-határon belülre került test széteséséből, amire példát a Szaturnusz fényes jéggyűrűjében látunk, ahol egy óriás üstökösmag szétesése hozta létre a jéggyűrűt, 3. a holdak megszökött illóanyagából kialakuló gázgyűrűket, amilyeneket detektáltak is a Jupiter és a Szaturnusz körül. Van azonban egy negyedik forrás is, mégpedig magának a bolygónak az anyaga, amely gyűrűként bolygó körüli pályára állhat például egy katasztrofális ütközés következtében. Ilyet ma nem látunk, de a Hold-keletkezés jelenleg legelfogadottabb elmélete szerint lennie kellett egyszer a Föld körül. Lehetséges azonban, hogy ilyen eseményre többször, több bolygóval kapcsolatban is sor került.

A Hold-keletkezést óriásbecsapódással magyarázó elmélet szerint ugyanis a Naprendszer keletkezésének idején, a bolygók összeállásának utolsó fázisában a bolygók felségterületén keringő több száz nagy test óriási ütközések sorozatával állt össze azon nagybolygókká, amelyek ma is léteznek. Az ős-Föld is elszenvedett legalább egy ilyen nagy ütközést. Egy Mars-méretű test érintőleges ütközésétől lefröccsent kérge - a becsapódó test anyagával keveredve - Föld körüli pályára állt, és egy időre gyűrűt hozott létre a Föld körül. Ennek a gyűrűnek a Roche-határon kívül elhelyezkedő részéből állt össze a mi Holdunk.

A Cassini szonda programja a jövőben

A Cassini szonda - ha szerencsénk lesz, és nem történik semmi baja - 4 éven keresztül, vagy talán még tovább is ontani fogja a szenzációsnál szenzációsabb eredményeket a Szaturnusz rendszeréből. Óriási eredmény máris a Phoebe holdról készült közelkép (2. ábra), hiszen valószínűleg ez az első lencsevégre kapott Kuiper-övbeli objektum. Ugyanolyan szerencse, hogy a Szaturnusz holdjaként megismerhettünk egy KBO-t, és emiatt nem kellett a négyszer olyan messze lévő Kuiper-övbe elmenni, mint amikor 1975-ben a Viking szondák a Mars kis holdjaiban, a Phobosban és a Deimosban először mutatták meg, hogy milyen is közelről egy kisbolygó. Ugyanis a Mars két kisbolygót, a Szaturnusz pedig legalább egy Kuiper-övbeli objektumot fogott be holdnak.

2. ábra. A Cassini szonda felvételén a Szaturnusz 220 kilométeres Phoebe holdja látható,
amely óriás üstökösmag, vagyis egy befogott Kuiper-övbeli objektum lehet

A továbbiakban a legizgalmasabb a Huygens európai szonda útja, amely 2005. január közepén száll le a Titán felszínére.2 A Titán ugyanis a Vénusz után a legsűrűbb légkörrel rendelkező szilárd kérgű bolygótest a Naprendszerben (a felszíni légsűrűség négyszer akkora, mint a Földön, a légnyomás a kisebb gravitáció miatt másfélszer akkora), és a Földön kívül az egyetlen olyan komoly légkörrel rendelkező bolygótest, ahol a légkörben a nitrogén a fő összetevő. De már megszokhattuk az űrkutatásban, hogy nem csak az az érdekes, amit előre annak tartunk: sokszor okozott már nagy meglepetést, amit előre unalmasnak gondoltunk.3 A Szaturnusz rendszerében is ki vagyunk téve ennek.

3. ábra. A Szaturnusz 500 kilométeres Enceladus holdja egy Voyager-felvételen

A legnagyobb érdeklődéssel a mindössze 500 kilométer átmérőjű Enceladus hold (3. ábra) adatait várom. Ez kis mérete ellenére a Szaturnusz-rendszer legaktívabb égitestjének látszik, legalábbis valamikor az volt. A keringési távolságában található, diffúz E gyűrű léte arra utalhat, hogy a holdon akár jelenkori vulkáni tevékenységgel is számolni kell. Hát sok sikert és kevés problémát kívánok a Cassini űrszondának!

_____________________________________

1. A 2004. évi űrnapon (2004. okt. 15.) elhangzott előadás szerkesztett változata.
2. 2005. jan. 14-én a Huygens szonda sikeresen leszállt a Titán felszínére.
3. Például a Japetus hold, amelyet 2004. dec. 31-én közelített meg a Cassini szonda.

Irodalom
Cuzzi, J. N., Pollack, J. B.: Saturn’s ring: Particle composition and size distribution as constrained by microwave observations. Icarus 33, 233-262, 1978
Dones, L.: A recent cometary origin for Saturn’s ring? Icarus 92, 194-203, 1991
Goldstein, R. M., Green, R. R.: The rings of Saturn: Two-frequency radar observations. Icarus 30, 104-110, 1977
http://saturn. jpl.nasa.gov
Illés Erzsébet: Gyűrűk a bolygók körül. Csillagászati évkönyv, 1981, 153-182. Gondolat Kiadó, Budapest, 1980
Planetary Report July/Aug. 2004, 12-17, Sept/Oct. 2004, 12-18.
Talcott, R.: Cassini reaches Saturn. Astronomy, Oct. 2004, 38-43.
Tytell, D.: NASA’s ringmaster. Sky and Telescope, Nov. 2004, 38-42.
 

Természet Világa, 136. évfolyam, 4. szám, 2005. április
http://www.termeszetvilaga.hu/
http://www.chemonet.hu/TermVil/