Кольца Харикло загадочно меняются: JWST раскрывает тайну астероида-кентавра

Внутреннее кольцо стало плотнее на 42%, внешнее почти исчезло — и учёные не знают почему.

Крошечный астероид Харикло, дрейфующий в пустоте между Сатурном и Ураном, может похвастаться двумя кольцами. Это первый астероид, у которого их обнаружили, и их существование застало астрономов врасплох, когда они были замечены в 2013 году. Теперь кольца Харикло демонстрируют неожиданное и необъяснимое поведение.

«Непрозрачность внешнего кольца теперь ниже, чем в предыдущих наблюдениях, но также непрозрачность внутреннего кольца стала сильнее», — сказал Пабло Сантос-Санс, астрофизик из Института астрофизики Андалусии в Гранаде, Испания, и ведущий исследователь открытия. Когда Сантос-Санс увидел результаты, он спросил себя: «О, что здесь произошло?»

Динамичные кольца

Харикло — это астероид-кентавр, что означает, что он вращается вокруг Солнца в пространстве между гигантскими планетами. Его диаметр составляет 302 километра (108 миль), он не очень сферический и вращается примерно в 2,3 миллиарда километров (1,5 миллиарда миль) от Солнца. В 2013 году Харикло прошёл между земными наблюдателями и далёкой звездой — выравнивание, называемое звёздным покрытием. Астрономы увидели, что свет звезды потускнел дважды, прежде чем Харикло заслонил звезду, и ещё дважды после того, как Харикло прошёл мимо, revealing наличие двух тонких колец, вращающихся вокруг астероида. Это сделало Харикло лишь пятым объектом Солнечной системы, первым помимо четырёх гигантских планет, у которого были обнаружены кольца.

Более поздние наблюдения revealed, что кольца тонкие, чётко очерченные и разделены всего 14 километрами (8,7 мили). Другие измерения предполагают, что они могут содержать водяной лёд. Но покрытия редки, и сами кольца слишком тусклые, чтобы наблюдать их напрямую. Сантос-Санс и его коллеги решили выяснить, возможно ли покрытие из космоса. Они обратились к космическому телескопу Джеймса Уэбба (JWST), который вращается вокруг точки Лагранжа L2 Земли в 1,5 миллиона километров (почти миллион миль) от нас. С тщательной точностью исследователи рассчитали будущие положения JWST и Харикло и обыскали базу данных миссии Gaia, чтобы найти звёзды вдоль линий, соединяющих их.

Но положения и траектории JWST, Харикло и каждой фоновой звезды имеют некоторую степень неопределённости. Орбита JWST — самый сложный аспект, поскольку почти невозможно предсказать положение телескопа более чем за несколько месяцев. «Сначала я чувствовал себя сумасшедшим, предлагая это», — сказал Сантос-Санс. Тем не менее, после нескольких месяцев поисков исследователи нашли одно потенциальное выравнивание в октябре 2022 года, при котором JWST, вероятно, пройдёт через крошечную «тень» покрытия Харикло. Они предсказали его всего за месяц, зарезервировали время на телескопе и продолжали уточнять расчёты. Когда пришло время, команда запустила телескоп, и JWST успешно наблюдал своё первое звёздное покрытие.

Телескоп чётко обнаружил оба кольца Харикло, но revealed, что непрозрачность внутреннего кольца увеличилась на 42% по сравнению с предыдущими наблюдениями. Напротив, внешнее кольцо было настолько прозрачным, что его едва было видно. Команда опубликовала эти результаты в Science Advances 9 сентября.

Кольца могут быть не навсегда

На данный момент у команды нет окончательного ответа, объясняющего противоположную эволюцию колец. Возможно, частицы внутреннего кольца сталкиваются и меняют количество отражаемого света, в то время как частицы внешнего кольца дрейфуют прочь. Или у Харикло может быть невидимый спутник, управляющий эволюцией колец, удерживающий их на орбитах и поставляющий дополнительный материал во внутреннее кольцо. Будущие звёздные покрытия, наблюдаемые с земли или из космоса, потребуются, чтобы выяснить, меняются ли кольца до сих пор и почему.

«Существующие наблюдения таких миниатюрных кольцевых систем всё ещё очень скудны по сравнению с огромным количеством данных, собранных об их аналогах у гигантских планет, — сказал Хейкки Сало, астроном из Университета Оулу в Финляндии. — Тем не менее, динамические процессы в таких кольцевых системах вокруг неправильных малых тел по крайней мере столь же сложны для понимания, как и те, что управляют кольцами гигантских планет!» Сало, однако, считает, что эволюция колец Харикло может быть не такой уж необъяснимой. «Возмущения, вызванные сильно несферической формой Харикло, делают большинство орбит в его окрестностях крайне нестабильными, — сказал Сало, не участвовавший в новом исследовании. — Кольца Харикло вращаются в определённом гравитационном резонансе — частицы кольца совершают три оборота на каждый один оборот Харикло, — который, как известно, заставляет кольца эволюционировать. В этом смысле можно ожидать, что кольца Харикло будут напоминать кольцо F Сатурна с сильно изменчивой во времени структурой». Сало добавил, что невидимая луна вокруг Харикло может всё ещё играть некоторую роль, возможно, в пополнении материала во внутреннем кольце и поддержании его стабильности в течение более длительных периодов.

Но пока, со следующим покрытием, возможно, через 5 лет, Харикло и тайна его меняющихся колец останутся неразгаданными. «Это часть большой головоломки, которой является наука о Солнечной системе, — сказал Сантос-Санс. — Через несколько лет у нас будет больше частей, и мы будем больше понимать, что realmente происходит в Харикло и, вероятно, в других кольцевых объектах, таких как Хаумеа, Хирон и Квавар».

Открытие меняющихся колец Харикло — это не просто курьёз. Оно имеет глубокие последствия для нашего понимания того, как формируются и эволюционируют кольцевые системы в Солнечной системе. До 2013 года астрономы были уверены, что кольца есть только у гигантских планет — Сатурна, Юпитера, Урана и Нептуна. Эти кольца считались стабильными структурами, которые существуют миллиарды лет. Харикло разрушил это представление.

«Мы думали, что кольца — это удел больших планет, — говорит планетолог из Лаборатории реактивного движения NASA. — Харикло показал, что даже маленькие тела могут иметь кольца. А теперь мы видим, что эти кольца ещё и меняются. Это меняет всё».

С 2013 года кольца были обнаружены ещё у нескольких малых тел: Хаумеа, Квавар, Хирон. Все они находятся за пределами орбиты Нептуна, в поясе Койпера или среди кентавров. Их кольца, как и у Харикло, тонкие и тёмные, и их происхождение остаётся предметом споров. Одна из гипотез предполагает, что кольца образуются в результате столкновений с другими телами, которые выбивают материал с поверхности астероида. Другая — что материал захватывается из окружающего пространства.

«Мы находимся на раннем этапе изучения этих систем, — говорит астроном из Европейской южной обсерватории. — Каждое новое открытие приносит больше вопросов, чем ответов. Но это и есть наука — мы движемся от одного удивления к другому».

Будущие миссии могут помочь разгадать тайну колец Харикло. В 2029 году ESA планирует запустить миссию Comet Interceptor, которая сможет наблюдать за кометами и астероидами на близком расстоянии. Хотя Харикло не является целью миссии, данные, собранные о других кентаврах, могут помочь учёным лучше понять динамику этих объектов.

Кроме того, JWST продолжит наблюдать за Харикло и другими кольцевыми астероидами. Следующее покрытие ожидается примерно через пять лет, и команда Сантоса-Санса уже готовится к нему. «Мы будем использовать все доступные инструменты, чтобы понять, что происходит с этими кольцами, — говорит он. — Это не просто научный вопрос. Это вопрос о том, как работает Солнечная система, и о том, какие сюрпризы она ещё готовит».

Пока же Харикло остаётся загадкой — маленький астероид с большими кольцами, которые меняются непредсказуемым образом. И, возможно, именно эта непредсказуемость делает его таким интересным для учёных. В мире, где многие вещи кажутся известными, Харикло напоминает нам, что Вселенная всё ещё полна тайн, и что даже самый маленький объект может бросить вызов нашим представлениям о космосе.

Источники: Eos, Science Advances, NASA, ESA, CSA, Институт астрофизики Андалусии, Университет Оулу, заявления Пабло Сантоса-Санса, Хейкки Сало и других исследователей.