Pierścienie Saturna - sonda Cassini wykonuje najlepsze zdjęcia

Pierścienie wokół planet to naturalna struktura bardzo bogato reprezentowana w literaturze popularno-naukowej. By jednak mogły powstać muszą zostać spełnione pewne warunki, które mogą mieć miejsce przez ograniczony czas, dlatego możemy uznać się za szczęśliwców, że w Układzie Słonecznym mamy teraz okazję obserwować Saturna i jego pierścienie.

Oczywiście mówiąc, że w naszym sąsiedztwie tylko Saturn ma pierścienie nie jest do końca prawdą, gdyż podobne struktury zaobserwowano również wokół innych planet gazowych gigantów w Układzie Słonecznym. Jednak pierścienie Jowisza czy Urana są niczym w porównaniu z pierścieniami, które możemy obserwować wokół Saturna. I to bez większego wysiłku, przy dobrych warunkach obserwacyjnych i konfiguracji Ziemia-Saturn-Słońce, która wpływa na oświetlenie i nachylenie pierścieni, wystarczy niewielka lunetka lub mocniejsza lornetka.

Dysponując mocniejszym sprzętem (nie musi to być zaraz duży teleskop) zobaczymy strukturę pierścieni i czarny pas, tak zwaną przerwę Cassiniego (od nazwiska odkrywcy), która jest obszarem pomiędzy wewnętrznymi i zewnętrznymi pierścieniami o mniejszej gęstości materii niż w sąsiedztwie.

Te pierścienie, które udaje sie uchwycić na amatorskich zdjęciach z Ziemi, widać dzięki ich dużym rozmiarom liniowym - zaczynają się w odległości około 30 tys. kilometrów od "powierzchni" planety, a kończą w odległości około 80 tys. kilometrów. Zmiana kąta widzenia, sprawia, że widzimy je pod większym lub mniejszym kątem, a to wpływa na ich widoczność.

Różne twarze Saturna widzianego z Ziemi. Dla obserwacji tym lepiej im więcej powierzchni zajmują na zdjęciach w stosunku do tarczy planety.

Niesamowita mozaika zdjęć Saturna i jego układu pierścieni, na którym widać też Ziemię, Księzyc, Wenus i Marsa - wykonana w 2013 roku przez sondę Cassini

Pierścienie wyglądają pięknie już z Ziemi, ale zawsze marzyliśmy o tym, by zobaczyć je jeszcze lepiej. Filmy fantastyczno-naukowe pokazują często strukturę pierścieni jako niewielkiej grubości (w stosunku do innych rozmiarów) warstwę lodowych brył, pyłu i kosmicznego gruzu o różnych rozmiarach. Najlepiej widoczne pierścienie Saturna stworzone są przede wszystkim z brył lodu o rozmiarach kilku cm i pyłu.

Pierścienie planetarne powstają w wyniku oddziaływania grawitacji planety na materię, która znajduje się w jej otoczeniu. Źródłem tej materii może być rozpad księżyca (dlatego przypuszcza się, że kiedyś Mars też może mieć pierścienie, gdy coś takiego stanie się z Phobosem), która poddana jest długofalowemu oddziaływaniu grawitacji. Z czasem wytwarza się idealna kołowa struktura, która jednak nie jest wcale idealnie statyczna.

W przypadku Saturna wewnątrz pierścieni krążą niewielkie księżyce zwane pasterzami (stąd nazwa jednego z nich - Pan) lub twórcami fal, które zamiatają materię, zaburzają kołową cyrkulację materii i tworzą wokół siebie zauważalne pustki. Pierścienie nie są wieczne, kiedyś mogą ulec destabilizacji i rozpłynąć się w przestrzeni. Na razie jednak możemy je badać.

Pierścienie Saturna i ich dynamikę można badać już z Ziemi, ale nic nie zastąpi obserwacji wykonanych z sond orbitujących w pobliżu planety. Pierwszy raz mogliśmy zobaczyć pierścienie z bliska podczas przelotu sondy Pioneer 11 w 1973 roku, ale dopiero 7 lat później Voyager I i II pokazały pierścienie takimi jakie znamy dziś z lekcji astronomii. Były to jednak krótkie wizyty i dopiero w 2004 roku trafiła nam się kolejna szansa. Tym razem na dłużej, bo sonda Cassini obserwuje Saturna i jego mini układ planetarny aż do dziś.

Tak pierścienie widziała kamera Voyagera 2 w 1981 roku

W ciągu kilkunastu lat naukowcy studiowali dynamikę pierścieni, a teraz, gdy misja Cassini zbliża się do wielkiego finału, którego przedsmakiem są przeloty blisko zewnętrznych pierścieni, chcą pochwalić się najlepszymi zdjęciami jakie kiedykolwiek wykonano. Dla uściślenia - Cassini zbliżył się już bardziej do pierścieni w 2004 roku, ale wtedy uzyskane zdjęcia nie były tak dobre.

Od razu zaznaczam, że nie będą to widoki rodem z kina s-f. Pierścienie pokazane na zdjęciach, choć mają niewielką grubość, są na tyle gęste, że bezpośredni przelot sondy przez nie byłby niebezpieczny. Dlatego nadal są to widoki z bezpiecznej odległości, ale i tak robią spore wrażenie jak poniższe zdjęcie księżyca Daphnis o rozmiarach około 8 kilometrów. Jest on odpowiedzialny za powstanie tak zwanej przerwy Keelera o szerokości 42 kilometrów. Zdjęcie wykonano pod kątem, dlatego księżyc wydaje się większy niż wynika to z cyferek.

To najlepsze zdjęcie księżyca skrytego w pierścieniu Saturna jakie dotąd udało się uzyskać. Wykonano je z odległości 28 tys. kilometrów, a rozdzielczość wynosi 168 metrów ma piksel.

Pandora - niewielki księżyc (około 84 km), jakich Saturn ma wiele

Cassini bada Saturna od 2004 roku, ale wystrzelony został w Kosmos już w 1997 roku (droga była skomplikowana i wiązała się z kilkoma manewrami asysty grawitacyjnej, z udziałem Wenus, Ziemi i Jowisza). Oznacza to, że technologia zastosowana na pokładzie sondy, w tym system obrazowania ISS (Imaging Science Subsystem) jest jeszcze starszy.

W 1997 roku konsumenckie technologie aparatów cyfrowych dopiero raczkowały. Nauka za to już od dekady garściami czerpała z technologii CCD. Kamera ISS na pokładzie Cassiniego wyposażona została właśnie w takie sensory o „zawrotnej” rozdzielczości 1 Mpix (dokładnie 1024 x 1024 piksele) z pikselami o rozmiarze 12 mikrometrów. Sensor zintegrowany z lunetą o ogniskowej 2000 mm wykonuje zdjęcia o kątowym polu widzenia 0,35 stopnia (to mniej niż rozmiar tarczy Księżyca w pełni widzianego z Ziemi), a drugi sensor korzysta z teleskopu o ogniskowej 200 mm o polu widzenia około 3,5 stopnia.

Saturn i jego pierścienie wypełniające cały kadr, widziany przez teleskop Hubble'a i przez kamerę sondy Cassini. Mimo że wyglądają podobnie, od razu wiadomo, które zdjęcie wykonała sonda. Zgadniecie?  

W przypadku pokazywanych w tym tekście zdjęć pierścieni wykorzystano obie kamery. Wbudowane filtry pozwalają na uzyskanie obrazów o zakresie spektralnym od ultrafioletu do bliskiej podczerwieni.

Zdjęcia które pokazała NASA są czarnobiałe, gdyż w tym przypadku istotniejsze są szczegóły niż kolory, które i tak są dość monochromatyczne. Zdjęcia, na których pierścienie mienią się przeróżnymi barwami, jakie niejednokrotnie publikowano od czasów misji Voyagera, były specjalnie przetworzone, by wyostrzyć różnice w składzie chemicznym.

Powyższe zdjęcie pokazuje skomplikowaną strukturę zewnętrznego pierścienia B Saturna. Wykonano je z odległości 51 tys. kilometrów z rozdzielczością 360 metrów na piksel. Zdjęcie nie zostało oczyszczone cyfrowo z zakłóceń.

Kolejne zdjęcie pokazuje również pierścień B, ale tym razem widać w nim pasemka (są nieco rozmyte przez dość długą ekspozycję), które są efektem oddziaływań z księżycem Mimas (to ten podobny do Gwiazdy Śmierci). Mimas obiega Saturna dwa razy wolniej niż materia w sąsiadujących pierścieniach (naukowo mówi się, że mamy rezonans grawitacyjny 2:1).

Następne ujęcie pokazuje dwie ciekawe rzeczy. Pierwsza to fale gęstości (czyli przestrzenne zaburzenia rozkładu materii, odstępstwa od jednolitego rozkładu), które wywołuje księżyc Prometeusz - widoczne są po lewej stronie obrazu. Druga ciekawostka to znacznie mniej rzucające się w oczy maleńkie struktury przypominające śmigła lub rozmyte plamki. To też zaburzenia rozkładu materii, które wywołują niewielkie obiekty wewnątrz pierścienia - nie są tak duże, by uznać je za księżyce, ale też są znacznie większe od materii wypełniającej w większości pierścień.

Przy okazji tego zdjęcia warto pokazać jak dużo pracy jest konieczne, by odseparować zakłócenia od realnego sygnału. Poniżej to samo, ale nieprzetworzone zdjęcie, na którym widać liczne paski, kropki, które są efektem oddziaływania sensora z promieniowaniem kosmicznym i związanym z bliskością Saturna. Kółkami zaznaczono te obiekty, które nie są zakłóceniami.

Te zdjęcia dla nas, głodnych ujęć z jeszcze mniejszej odległości, mogą wydać się niewiele lepsze niż to co już znamy. Dla astronomów to nieocenione źródło informacji, na podstawie których mogą tworzyć modele opisujące grawitacyjne oddziaływania zachodzące w pierścieniach i pomiędzy materią pierścieni i księżycami Saturna. Nie jest to tylko naukowa sztuka dla sztuki.

Jeszcze jedno zbliżenie na pierścienie Saturna

Grawitacja, siła, której jesteśmy poddanymi, kryje jeszcze wiele tajemnic, a takie badania przybliżają nas do jej lepszego poznania. Badania pierścieni pomogły rozwinąć wiedzę na temat powstawania planet i księżyców.

Sonda Cassini bada Saturna już 13 lat. Ze względu na wyjątkowo udane wyniki i świetną kondycję pojazdu, misja była wielokrotnie przedłużana, ale teraz czeka ją Wielki Finał.

Od 30 listopada 2016 roku Cassini znajduje się na ciasnych względem pierścieni Saturna orbitach, które pozwalają uzyskać pokazane wcześniej zdjęcia. Będzie ich więcej i mogą być jeszcze ciekawsze, dlatego warto czekać na aktualizację tego tekstu.

Pod koniec kwietnia tego roku Cassini po raz kolejny przeleci w pobliżu księżyca Tytan i wykorzysta jego grawitację, by wejść na jeszcze ciaśniejsze orbity, tym razem wewnątrz systemu pierścieni. Będzie to tak zwany Wielki Finał. W końcu, 20 lat po starcie z Ziemi, sonda Cassini zanurzy się w atmosferze Saturna.

Źródło: NASA, inf. własna