Przystanek nauka - portal Uniwesytetu Śląskiego w Katowicach

Pierścienie planetarne obserwowane są nie tylko wokół planet olbrzymów, ale także wokół małych ciał, takich jak asteroidy Chariklo (z grupy centaurów) czy planety karłowatej Haumea (należącej do grupy plutoidów). Do tej pory znaliśmy gęste pierścienie, które znajdują się dość blisko swoich ciał macierzystych, będąc wewnątrz tzw. granicy Roche’a, gdzie siły pływowe uniemożliwiają agregację materiału o odpowiednich gęstościach w księżyc. Granica Roche’a to niewidzialna linia, gdzie siła grawitacji głównego ciała wygasa. Wewnątrz tej granicy siła ta może rozerwać księżyc na strzępy, zamieniając go w pierścień materii. Na zewnątrz, grawitacja pomiędzy mniejszymi cząsteczkami jest silniejsza niż ta pochodząca od głównego ciała, a zatem cząstki krążące w pierścieniu łączą się w jeden lub kilka księżyców. Według matematycznych obliczeń granica Roche’a wynosi od 2 do 3 promieni ciała o dużej masie, jednak promień nie jest jednoznacznie określony dla danego ciała centralnego, ponieważ zależy też od właściwości satelity.

W najnowszym artykule, który został opublikowany 8 lutego 2023 roku w czasopiśmie „Nature”, naukowcy opisują odkrycie nie tylko pierścienia wokół ciała transneptunowego – planety karłowatej Quaoar – ale również fakt, iż znajduje się on znacznie dalej niż przewidywali, co jest nietypowe w przypadku gęstych pierścieni, jak również dużo bliżej niż orbita jedynego księżyca Weywota. To odkrycie może zmusić naukowców do ponownego przemyślenia zasad rządzących pierścieniami planetarnymi.

Quaoar to lodowe ciało o wielkości około połowy Plutona. Okrąża Słońce w średniej odległości 43,7 AU (6,54 mld km), a na wykonanie jednej pełnej orbity wokół naszej gwiazdy potrzebuje 288,8 lat. W tak dużej odległości od Ziemi trudno jest uzyskać wyraźny obraz tego świata. Astronomowie obserwowali więc, jak Quaoar blokuje światło odległej gwiazdy – zjawisko to nazywa się okultacją gwiezdną. Czas, w którym gwiazda mruga i znika z pola widzenia, może ujawnić szczegóły dotyczące Quaoar, takie jak jej rozmiar i to, czy ma atmosferę. Naukowcy pobrali dane z okultacji od 2018 do 2020 roku, obserwowanych z całego świata, w tym z Namibii, Australii i Grenady, a także z kosmosu. Nie było żadnych oznak, że Quaoar ma atmosferę, ale – co zaskakujące – odkryli, że planetka ma pierścień. Odkrycie czyni Quaoar zaledwie trzecią planetą karłowatą lub asteroidą w Układzie Słonecznym mającą pierścień (po asteroidzie Chariklo i planecie karłowatej Haumea). Jeszcze bardziej zaskakujący jest fakt, że jej pierścień znajduje się nie tam, gdzie się go spodziewano znaleźć.

Ten transneptunowy obiekt ma szacowany promień 4 555 km i księżyc Weywot o średnicy około 80 km. Satelita orbituje w odległości 24 promieni Quaoar. Wykryty pierścień orbituje natomiast w odległości 7,4 promienia od ciała centralnego, co wskazuje, że znajduje się znacznie poza matematycznie obliczoną dla niego granicą Roche’a. To dowodzi, że granica Roche’a nie zawsze określa miejsce, w którym może przetrwać materiał pierścienia. 

Jest kilka wyjaśnień dla nietypowo oddalonego pierścienia jak w przypadku Quaoar. Być może obserwatorzy odkryli pierścień w okresie tuż przed tym, jak przekształci się w księżyc, chociaż takie niezwykłe wyczucie czasu wydaje się mało prawdopodobne. Drugim rozwiązaniem może księżyc Weywot lub jakiś inny niewidoczny satelita, który przyczynia się do grawitacji utrzymującej pierścień w takiej odległości od planety. Kolejnym rozwiązaniem może być przypuszczenie, że cząsteczki pierścienia zderzają się w taki sposób, że unikają sklejania się i formowania w księżyc. Cząsteczki musiałyby być wówczas szczególnie sprężyste, niczym gumowe piłeczki.

Aby dowiedzieć się, które z wyjaśnień jest poprawne, naukowcy będą przeprowadzać dalsze symulacje, w tym z uwzględnieniem zjawiska samograwitacji i z użyciem bardziej realistycznych parametrów, jak również modeli teoretycznych. Pozostają jednak dwa problemy dotyczące obecności pierścienia Quaoara. Jednym z nich jest to, że zewnętrzne perturbacje mogą prowadzić do lokalnych kondensacji. Drugim problemem jest to, że oddziaływania powodują lepkie rozprzestrzenianie się, które musi być zrównoważone przez jakiś mechanizm utrzymujący wąski pierścień, taki jak rezonanse. Już teraz wskazują na dużą rolę tzw. rezonansu spinowo-orbitalnego (ang. spin-orbit resonance, SOR). 

Opracowano na podstawie:
A dense ring of the trans-Neptunian object Quaoar outside its Roche limit