В течение десятилетий астрономы считали, что кольца бывают только у гигантских планет. Это мнение изменилось в 2013 году, когда небольшое темное тело, обращающееся между Сатурном и Ураном, прошло перед звездой и дважды мигнуло по обе стороны от основного события, обнаружив два узких кольца вокруг объекта диаметром всего около 250 километров.

«Это было неожиданностью», — говорит Пабло Сантос-Санс, астроном из Андалузского астрофизического института в Гранаде, Испания. С тех пор главным вопросом оставалось то, из чего состоят такие кольца и как долго они могут существовать. В недавнем исследовании Сантос-Санс и его коллеги использовали космический телескоп имени Джеймса Уэбба (JWST), чтобы снова проследить за прохождением этого тела, известного теперь как Харикло, перед фоновой звездой. Они обнаружили, что одно из его колец стало более плотным, а другое почти исчезло. Причины этого пока точно не известны.

Затмение звезды

Техника наблюдения довольно проста. «Мы прогнозируем, когда объект Солнечной системы проходит перед звездой», — пояснил Сантос-Санс. Свет звезды на мгновение тускнеет, и форма этого падения яркости раскрывает размер, форму и окружение объекта, вызвавшего его. «Это особенно сложная задача для малых тел и еще более сложная для далеких малых тел», — отметил он.

Сложность заключается в том, что силуэт цели на небе крошечный, а для точного определения момента пересечения конкретной звезды требуются очень точные данные о позиционировании обоих объектов. Тем не менее в 2013 году ученые использовали наземные телескопы, чтобы разглядеть два кольца Харикло — C1R и C2R. Они располагались на расстоянии 390 и 405 километров от его центра, имели ширину всего в несколько километров и находились примерно в 7 километрах друг от друга.

Однако проведение подобных наблюдений с помощью космического телескопа значительно усложняет задачу совмещения всех параметров. Телескоп JWST находится в точке Лагранжа L2, и операторам необходимо корректировать положение телескопа каждые несколько недель для поддержания стабильности его орбиты. «Это довольно сложная задача», — признался Сантос-Санс.

Его команда определила возможное покрытие звезды Харикло в августе 2022 года и каждую неделю пересчитывала прогноз. Между первым прогнозом и одним из последних расчетная линия визирования сместилась примерно на 110 километров, чего было достаточно, чтобы полностью увести ее с самого тела. К сожалению, JWST требует планирования подобных наблюдений как минимум за 14 дней.

«Мы делали это отчасти вслепую, потому что не знали точно, где проходит линия визирования», — рассказал Сантос-Санс. «Я собираюсь направить один из крупнейших и лучших космических телескопов, и мы даже не знаем, поймаем ли в итоге эту цель».

Но все прошло успешно. Покрытие произошло 18 октября 2022 года. Реконструированная геометрия показывает, что линия визирования JWST на фоновую звезду прошла в 7,4 километра над поверхностью Харикло, не задев само тело, но зафиксировав его кольца.

Потолстевшее кольцо

JWST зафиксировал событие одновременно в двух ближних инфракрасных диапазонах — на длинах волн 1,5 и 3,2 микрометра. Это был первый случай, когда кольца малого тела удалось зафиксировать в диапазоне за пределами трех микрометров, который из-за атмосферы Земли недоступен для наземных телескопов.

Внутреннее кольцо отчетливо проявилось с резкими, четкими краями, но оно оказалось гораздо темнее, чем раньше. В среднем по результатам примерно 10 предыдущих наземных наблюдений покрытий нормальная непрозрачность C1R (доля блокируемого им звездного света) составляла 0,303. Телескоп JWST зафиксировал показатель на уровне 0,431.

«Сначала мы в это не верили, поэтому нам пришлось долго разбираться с данными», — поделился Сантос-Санс. Самым простым объяснением была геометрия. Кольца не всегда однородны, и JWST мог просто пройти через более плотное скопление вещества.

Чтобы исключить этот сценарий, команда создала модель неоднородного кольца и провела 10 миллионов смоделированных покрытий. Вероятность воспроизвести такую высокую непрозрачность, какую зафиксировал JWST, составила примерно 1 к 1000 на длине волны 1,5 микрометра и 4 к 100 000 на длине волны 3,2 микрометра для отдельного измерения. Телескоп зафиксировал кольцо дважды — при входе и выходе, что сделало вероятность случайности еще ниже.

Сантос-Санс пришел к выводу, что внутреннее кольцо, скорее всего, стало толще. В то же время внешнее кольцо повело себя противоположным образом.

Потускневшее кольцо

Кольцо C2R едва проявилось на длине волны 1,5 микрометра и вообще не появилось на 3,2 микрометра, хотя телескоп фиксировал один и тот же участок кольца в обоих диапазонах одновременно. «Сначала мы даже не увидели внешнее кольцо на кривой блеска», — сказал Сантос-Санс. «Нам пришлось использовать модели. Оно было действительно едва заметно, поэтому мы спросили себя: „Что здесь происходит?“»

Команда выдвинула два возможных объяснения. Первое заключается в том, что JWST, работая на длинах волн, в которых практически никогда не регистрировались покрытия, просто видит частицы, по-светлому рассеивающие свет в инфракрасном диапазоне. Второе — кольца действительно физически изменились.

Сантос-Санс утверждает, что модели переноса излучения указывают на второй вариант. Предыдущие наблюдения в видимом свете согласовывались со смесью льда и силикатов, но после добавления данных JWST ни одна комбинация материалов и размеров частиц не могла объяснить то, что увидел телескоп.

«Мы наблюдаем реальную эволюцию колец с течением времени», — заявил Сантос-Санс. «Конечно, это не стопроцентная уверенность, но для меня это предпочтительное объяснение».

Более того, эта эволюция, скорее всего, не сводилась просто к перемещению материала из тускнеющего внешнего кольца внутрь. Если измерять эквивалентную ширину, внутреннее кольцо приобрело примерно в 10 раз больше вещества, чем потеряло внешнее. «Мы не знаем, откуда берется дополнительный материал, но есть несколько гипотез», — отметил Сантос-Санс.

Призрачная луна

Главным объяснением, по словам Сантос-Санса, является небольшой спутник-пастух, разделяющий орбиту внешнего кольца. Такой объект объяснил бы стабильность колец и их резкие края, а также мог бы служить источником обломков, пополняющих кольцо C1R. «Этот спутник пока не обнаружен, если он вообще существует», — уточнил Сантос-Санс.

Компьютерная модель, основанная на данных JWST, также дает подсказки о составе двух колец. Однако Сантос-Санс подчеркивает, что эта часть работы еще не завершена. «Наше мнение после этой модели таково, что внутреннее кольцо должно состоять из более крупных частиц, чем внешнее. Мы считаем внешнее кольцо более пыльным», — сказал он. «Но это работа в процессе. Я не могу с уверенностью утверждать: это пыльное, а это нет».

Лучшим испытанием, по мнению исследователей, было бы зафиксировать еще одно покрытие Харикло, на этот раз в видимом свете, что позволило бы отделить реальные изменения от волновых эффектов. «Мы ищем новые покрытия», — сообщил Сантос-Санс.

По его словам, понимание того, как эволюционируют кольца вокруг малых тел, имеет важное значение, поскольку Харикло — не единственное из них с кольцами. Кольца теперь известны у другого тела из той же категории, что и Харикло, под названием Хирон, у карликовой планеты Хаумеа и транснептунового объекта Квавар. Известно, что кольца гигантских планет смещаются за месяцы и годы: кольцо D Сатурна заметно уменьшилось, а дуги Адамса у Нептуна меняют свое положение. Теперь оказывается, что малые тела ведут себя точно так же.

«Я думаю, что эта работа — лишь кусочек головоломки», — резюмировал Сантос-Санс, «но она может стать важной подсказкой для более широких исследований колец как вокруг малых тел, так и вокруг гигантских планет».

Исследование Сантос-Санса опубликовано в журнале Science Advances: https://doi.org/10.1126/sciadv.aeh4794