Кільця Сатурна маленькі і можуть швидко зникати

Cassini mission data suggests that Saturn’s rings are young, possibly only a few hundred million years old, and could disappear in a similar timescale. The rings’ mass, purity, and debris accumulation rates indicate their relatively young age and short lifespan. Two studies show that the rings formed relatively recently and are rapidly losing mass, while a third predicts their disappearance within the next few hundred million years.

While no human could ever have seen Saturn without its rings, in the time of the dinosaurs, the planet may not yet have acquired its iconic accessories – and future Earth dwellers may again know a world without them.

Three recent studies by scientists at NASA’s Ames Research Center in California’s Silicon Valley examine data from NASA’s Cassini mission and provide evidence that Saturn’s rings are both young and ephemeral – in astronomical terms, of course.

The new research looks at the mass of the rings, their “purity,” how quickly incoming debris is added, and how that influences the way the rings change over time. Put those elements together, and one can get a better idea of how long they’ve been around and the time they’ve got left.

Although all four giant planets have ring systems, Saturn’s is by far the most massive and impressive. Scientists are trying to understand why by studying how the rings have formed and how they have evolved over time. Three recent studies by NASA researchers and their partners provide evidence that the rings are a relatively recent addition to Saturn and that they may last only another few hundred million years. Credit: NASA/JPL-Caltech/Space Science Institute

The rings are almost entirely pure ice. Less than a few percent of their mass is non-icy “pollution” coming from micrometeoroids, such as asteroid fragments smaller than a grain of sand. These constantly collide with the ring particles and contribute debris to the material circling the planet. The rings’ age has been hard to pin down, because scientists hadn’t yet quantified this bombardment in order to calculate how long it must have been going on.

Now, one of the three new studies^[1] Це дає краще уявлення про загальну швидкість надходження нельодовикового матеріалу, а отже, про те, наскільки він «забруднив» кільця з моменту їх утворення. Це дослідження, проведене під керівництвом Університету Колорадо в Боулдері, також показує, що мікрометеорити не з’являються так швидко, як думають вчені, а це означає, що гравітація Сатурна може більш ефективно втягувати речовину в кільця. Далі ці докази свідчать про те, що кільця не можуть бути піддані цьому космічному граду більше ніж кілька сотень мільйонів років – невелика частка Сатурна та 4,6 мільярда років Сонячної системи.

Підтвердженням цього висновку є друга стаття,^[2] На чолі з Університетом Індіани, який розглядає постійне биття кілець невеликими космічними каменями з іншого боку. Автори дослідження виявили дві речі, якими в основному нехтували в дослідженні. Зокрема, вони досліджували фізику, яка керує довгостроковою еволюцією кілець, і виявили, що двома важливими компонентами є бомбардування мікрометеоритами та те, як уламки від цих зіткнень розподіляються всередині кілець. Врахування цих факторів показує, що кільця могли досягти своєї поточної маси за кілька сотень мільйонів років. Результати також показують, що, оскільки вони такі молоді, вони, ймовірно, утворилися, коли нестабільні сили тяжіння в системі Сатурна знищили деякі з його крижаних супутників.

“Ідея про те, що знакові великі кільця Сатурна можуть бути недавньою особливістю нашої Сонячної системи, викликає суперечки, – сказав Джефф Коузі, дослідник Ames і співавтор однієї з нещодавніх робіт. – Але наші нові відкриття доповнюють трифекту Вимірювання Кассіні, через які цього відкриття важко уникнути». Коузі також працював міждисциплінарним науковцем у місії Кассіні до кілець Сатурна.

Таким чином, Сатурну, можливо, минуло більше 4 мільярдів років, перш ніж він прийняв свою теперішню форму. Але як довго ви можете розраховувати на те, щоб носити красиві каблучки, які ми знаємо сьогодні?

Місія Кассіні виявила, що кільця швидко втрачають масу, оскільки матеріал падає з глибших областей планети. Третя стаття^[3] Крім того, під керівництвом Університету Індіани вперше визначається, наскільки швидко кільцеподібна матерія дрейфує в цьому напрямку — і метеорити знову відіграють важливу роль. Їх зіткнення з існуючими частинками кільця та те, як отримане сміття викидається назовні, утворюють свого роду конвеєрну стрічку для руху, яка переносить матеріал кільця до Сатурна. Розрахувавши значення всіх цих потоків частинок для їх остаточного зникнення на планеті, дослідники прийшли до важких новин для Сатурна: він може втратити свої кільця в найближчі кілька сотень мільйонів років.

«Я думаю, що ці результати говорять нам про те, що постійне бомбардування всім цим інопланетним сміттям не тільки забруднює планетарні кільця, але й з часом послаблює їх», — сказав Пол Естрада, дослідник з Ames і співавтор усіх трьох досліджень. “може бути[{” attribute=””>Uranus’ and Neptune’s diminutive and dark rings are the result of that process. Saturn’s rings being comparatively hefty and icy, then, is an indication of their youth.”

Young rings but – alas! – relatively short-lived, as well. Instead of mourning their ultimate demise, though, humans can feel grateful to be a species born at a time when Saturn was dressed to the nines, a planetary fashion icon for us to behold and study.

References:

“Micrometeoroid infall onto Saturn’s rings constrains their age to no more than a few hundred million years” by Sascha Kempf, Nicolas Altobelli, Jürgen Schmidt, Jeffrey N. Cuzzi, Paul R. Estrada and Ralf Srama, 12 May 2023, Science Advances.
DOI: 10.1126/sciadv.adf8537

“Constraints on the initial mass, age and lifetime of Saturn’s rings from viscous evolutions that include pollution and transport due to micrometeoroid bombardment” by Paul R. Estrada and Richard H. Durisen, 9 May 2023, Icarus.
DOI: 10.1016/j.icarus.2022.115296

“Large mass inflow rates in Saturn’s rings due to ballistic transport and mass loading” by Richard H. Durisen and Paul R. Estrada, 9 May 2023, Icarus.
DOI: 10.1016/j.icarus.2022.115221