Ледяные скитальцы: кольца и луны Урана оказались родом из пояса Койпера

Международная команда исследователей под руководством Мэтью Белякова из Калифорнийского технологического института изучила кольца Урана и четыре его небольшие луны с помощью космического телескопа Джеймс Уэбб. Ученые обнаружили, что по своему составу эти объекты удивительно похожи на богатые водой объекты пояса Койпера — ледяные тела за орбитой Нептуна. Препринт работы доступен на arXiv, статья представлена в The Planetary Science Journal.

Уран — планета, которая вращается «лежа на боку»: ее ось наклонена почти на 98 градусов. Из-за этого все спутники и кольца обращаются в плоскости, сильно наклоненной к плоскости орбиты самой планеты. Как могла возникнуть такая странная конфигурация? Одна из популярных гипотез гласит, что в далеком прошлом Уран пережил столкновение с крупным небесным телом, которое и «повалило» его набок. Это событие должно было уничтожить первоначальную систему спутников, а из образовавшегося диска обломков затем сформировались новые луны. Однако до недавнего времени у ученых не было надежных данных о составе вещества, из которого состоят кольца и небольшие внутренние спутники Урана. Новые наблюдения на телескопе Джеймс Уэбб позволили заглянуть в этот район и сравнить его «химический портрет» с известными ледяными телами Солнечной системы.

Для наблюдений использовался инструмент NIRSpec, спектрограф ближнего инфракрасного диапазона, который разлагает свет на составляющие и позволяет определять, какие вещества присутствуют на поверхности. Исследователи получили спектры в диапазоне от 1 до 5 микрометров для четырех лун — Пак, Пердита, Порция и Джульетта, а также для яркого внешнего кольца ε и для более тусклых внутренних колец.

Чтобы выделить слабый сигнал от маленьких спутников и тонких колец, ученым пришлось решить сложную задачу: убрать мощный фон, рассеянный свет от самого Урана. Для этого они аккуратно моделировали свечение планеты в каждой точке снимка и вычитали его из данных. Дополнительно пришлось учитывать, что кольца Урана имеют заметный наклон и вытянутую форму, поэтому их положение на небе рассчитывалось заранее с высокой точностью.

Результат превзошел ожидания. На всех четырех лунах и на кольцах отчетливо проявились признаки воды: глубокий провал в спектре на длине волны 3,0 микрометра, соответствующий колебаниям связи кислород-водород, а также более слабая полоса водяного льда на 2,0 микрометра. Кроме того, на 4,27 микрометра видна полоса углекислого газа. Это очень характерный набор признаков, который встречается у так называемых «водных» объектов пояса Койпера, ледяных глыб, сохранившихся со времен формирования Солнечной системы.

Спектры урановых лун оказались почти неотличимы от спектров этих далеких тел. Статистический анализ подтвердил: для Пака, Порции и Джульетты вероятность случайного совпадения с популяцией водных объектов пояса Койпера составляет от 20 до 90 процентов, иными словами, они выглядят как типичные представители этого класса. Кольца, правда, показали некоторые отличия: у них заметно слабее полосы водяного льда, что может говорить о меньшем размере частиц или о том, что лед там частично переработан.

Особенно интересная картина обнаружилась при сравнении состава разных объектов в зависимости от расстояния до Урана. Чем ближе к планете расположен объект, тем слабее выражены признаки воды и углекислого газа. Эта закономерность прослеживается и для колец, и для лун. Ученые связывают такой «градиент» с процессом, который они называют циклом кольца-луны. Суть его в том, что небольшие спутники время от времени сталкиваются, их обломки образуют кольца, а из этих колец потом снова собираются новые луны. В ходе такого круговорота более плотные и тугоплавкие частицы постепенно остаются ближе к планете, а более летучие и богатые льдом уходят дальше. Это может объяснить, почему самые близкие к Урану объекты выглядят «суше», а внешние — «водянистее».

Отдельно стоит упомянуть о сравнении с Нептуном. Его внутренние луны, как показали другие недавние работы, покрыты не водяным льдом, а глинистыми минералами — филлосиликатами. Такие минералы образуются при длительном нагреве и давлении, то есть в недрах крупных тел. Это означает, что спутники Нептуна, скорее всего, являются осколками более крупных древних лун, разрушенных приливными силами. У Урана картина совсем иная: его луны несут «первозданный» водно-ледовый состав, как у объектов пояса Койпера. Это важное различие указывает на то, что история внутренних спутников Урана и Нептуна могла быть совершенно разной.

Еще один ключевой аргумент — соотношение дейтерия к водороду. Предыдущие измерения показали, что у крупных регулярных спутников Урана это соотношение близко к кометному или койперовскому. Это исключает сценарий, при котором спутники сформировались из пара, образовавшегося при столкновении, потому что пар должен был бы иметь другое изотопное соотношение. Значит, вещество, из которого построены луны и кольца Урана, скорее всего, пришло извне, из области формирования богатых водой тел пояса Койпера.

На основе всех этих данных авторы предлагают два возможных сценария. Первый: столкновение, наклонившее Уран, произошло с крупным телом, похожим на водный объект пояса Койпера. Из образовавшегося диска обломков сформировались и спутники, и внутренние луны, и кольца. Правда, в этом случае остается неясным, почему внутренние луны не испытали дифференциации и не покрылись глинистыми минералами, как это произошло у Нептуна. Второй сценарий: кольца и мелкие луны Урана образовались значительно позже, когда рядом с планетой пролетело и было разорвано приливными силами крупное ледяное тело размером в несколько сотен километров. Из его обломков и собрались нынешние кольца и луны. В этом случае регулярные спутники Урана могли сформироваться независимо и раньше, а внутренняя система это уже отдельная история, связанная с более поздним «захватом» и разрушением объекта пояса Койпера.

Важно отметить, что обнаруженный радиальный тренд, то есть уменьшение содержания летучих веществ к центру системы, требует длительного времени для своего возникновения. Это значит, что внутренние луны и кольца Урана не обязательно очень молоды. Они могли существовать достаточно долго, чтобы материал успел «рассортироваться» по плотности. Это снимает одно из возражений против древнего возраста колец и внутренних лун.

В итоге исследование показало, что кольца и небольшие внутренние спутники Урана по своему составу удивительно похожи на богатые водой объекты пояса Койпера, далекие ледяные тела, сохранившиеся с ранних времен Солнечной системы. Это сходство, подкрепленное изотопными данными и обнаруженным градиентом состава, указывает на то, что внутренняя система Урана, скорее всего, сформировалась из вещества, пришедшего из внешней области Солнечной системы, либо при столкновении, наклонившем планету, либо при более позднем разрушении крупного ледяного тела приливными силами. Работа не только проливает свет на происхождение загадочной системы Урана, но и демонстрирует, что даже самые далекие и тусклые объекты могут быть изучены с помощью современных космических телескопов.

Присоединяйтесь к нам в соцсетях