Wśród cudów naszego Układu Słonecznego, jeden króluje jako emblemat wszystkiego, co obce i inne: majestatyczne pierścienie Saturna, wznoszące się i połyskujące ponad maślaną, poprzecinaną chmurami twarzą olbrzymiej planety.
Rozciągające się na prawie 300 000 kilometrów od czubka do czubka i zawierające niezliczone lodowe cząstki o rozmiarach od „mikroskopijnych” do „ruchomego domu”, pierścienie sprawiają, że Saturn niezaprzeczalnie przyciąga wzrok. Ale bardziej niż zwykłą ozdobą, są one jedną z najtrwalszych zagadek w naukach planetarnych. Mówiąc prościej, eksperci nie mogą się zgodzić co do tego, jak uformowały się pierścienie, a nawet jak stare są. Czy pierścienie Saturna są pierwotną cechą Układu Słonecznego, powstałą około 4,5 miliarda lat temu, gdy chaos i kolizje wyrzeźbiły większość tego, co widzimy dzisiaj? Czy też powstały znacznie później?
Odpowiedź ma znaczenie nie tylko dla naukowców pracujących nad zrozumieniem pierścieni planetarnych i rekonstrukcją historii Układu Słonecznego; może mieć zawrotne implikacje dla astrobiologów zastanawiających się, czy obce życie może rozwijać się pod lodową skorupą Enceladusa, małego wewnętrznego księżyca Saturna, którego zakopane, globalne morze jest uważane za jedno z najlepszych miejsc do poszukiwania biologii poza Ziemią.
Choć nie są to dane ostateczne, najlepsze dostępne dane do rozstrzygnięcia debaty pochodzą z ostatnich lat sondy NASA Cassini, która orbitowała wokół Saturna od 2004 do 2017 roku. Na podstawie pomiarów masy i jasności pierścieni Cassiniego wielu naukowców uważa, że są one niezwykle młode, powstały być może zaledwie 100 milionów lat temu, kiedy po Ziemi wciąż krążyły dinozaury – co oznacza, że Saturn oglądany przez jakiś sauryjski teleskop mógł być dziwacznie pozbawiony pierścieni.
Ale nie wszyscy są przekonani; niektórzy krytycy twierdzą, że jest to zbyt trudne, by stworzyć tak rozległe pierścienie we względnie spokojnym Układzie Słonecznym teraz i w przeszłości.
„Nie mam nic przeciwko młodym pierścieniom. Po prostu uważam, że nikt nie znalazł bardzo prawdopodobnego sposobu na ich wytworzenie” – mówi ekspert od pierścieni Luke Dones z Southwest Research Institute. „Wymaga to mało prawdopodobnego zdarzenia.”
Dziesięcioletnia debata
Dzisiejsza debata nad pochodzeniem pierścieni Saturna ma swoje początki kilkadziesiąt lat temu, głównie w czasie pierwszego bliskiego rozpoznania systemu przez międzyplanetarne misje Voyager 1 i Voyager 2. Obserwacje te wskazywały, że pierścienie są zaskakująco lekkie, nie mają wystarczającej masy, by zachować swój perłowy blask w ciągu wielu miliardów lat historii Układu Słonecznego. Wyglądało na to, że pierścienie są dość młode – ale teoretycy zmagali się z opracowaniem mechanizmu wyjaśniającego ich stosunkowo niedawne powstanie.
Potem pojawił się Cassini. Pod koniec misji, sonda wykonała dwa tuziny śmiałych nurkowań pomiędzy szczytami chmur Saturna a wewnętrzną krawędzią systemu pierścieniowego. W trakcie tego nurkowania Cassini starannie zmierzył masę pierścieni i otrzymał wynik podobny do wyniku Voyagera: mniej więcej połowę masy Mimasa, małego lodowego księżyca, który jest niesamowicie podobny do stacji kosmicznej „Gwiazda Śmierci” z Gwiezdnych Wojen.
Ale to tylko część historii. Wcześniej w swojej misji sonda przeczesała krawędzie pierścieni, zbierając pył i inne cząstki, aby pomóc oszacować jak wiele ciemnych odłamków struktury wchłonęły z otoczenia – kolejny kluczowy pomiar dla określenia ich wieku. Podobnie jak pomiary masy systemu, odczyty pyłu w pobliżu Saturna dokonane przez Cassiniego wskazały na młodość pierścieni: Pomimo, że są one nieustannie przykurzane przez ciemne odłamki zrzucane przez obskurne obiekty w zewnętrznym Układzie Słonecznym, pierścienie Saturna z lodu wodnego są wciąż jasne i białe. Zgodnie z logiką, im starsze pierścienie, tym ciemniejsze powinny być – chyba, że są wystarczająco masywne, aby w jakiś sposób gromadzić ciemny pył przez miliardy lat, wciąż zachowując swój młodzieńczy blask.
Robin Canup, z Southwest Research Institute, odnosi się do tej linii dowodowej jako „argumentu zanieczyszczenia” dla młodych pierścieni. „Fakt, że pierścienie są jasne mówi nam w pewien sposób, że nie zostały one skutecznie zanieczyszczone, a przynajmniej, że nie widzimy na to dowodów” – mówi.
Dodatkowe obserwacje sugerują, że pierścienie nie tylko pochłaniają materiał, ale również tracą go w ogromnych ilościach, nieustannie wysyłając strugi lodowych cząstek do atmosfery planety. W rzeczywistości, z jednym z szacunków sugerującym, że takie prysznice mogą wyczerpywać pierścienie w ciągu 300 milionów lat, wydaje się, że najbardziej charakterystyczna cecha Saturna może być zaskakująco przejściowa.
„Pomysł, że mogą one być w pobliżu przez 4.5 miliardów lat naprawdę wymyka się wyjaśnieniu” – mówi Erik Asphaug z University of Arizona, który bada interakcje pomiędzy pierścieniami Saturna i jego licznymi księżycami.
Młode pierścienie, zrobione na zamówienie
Nawet mimo to, pozostaje wiele przekonujących argumentów przeciwko rzekomo młodym pierścieniom Saturna. Okazuje się, że stworzenie tak rozległego systemu pierścieni tak niedawno nie jest zadaniem łatwym; szanse na to są bardzo duże. Jasne, planeta mogła roztrzaskać przelatującą kometę w całości lub w części, rozrzucając rozrzucone szczątki w pierścienie; albo, owszem, może jakiś przelatujący obiekt rozbił się o jeden z księżyców Saturna, tworząc pierścienie z rozpryśniętych, sproszkowanych kawałków księżyca. Ale dla każdego uczciwego teoretyka, takie scenariusze na zamówienie smack of special pleading.
„Mamy całkiem dobry pomysł, spis, jak wiele komet lata wokół zewnętrznego układu słonecznego, i po prostu nie masz ich wystarczająco dużo, aby uczynić ten scenariusz prawdopodobnym,” mówi Dones. „W ciągu ostatnich setek milionów lat, szansa na to jest może kilka procent.”
Załóżmy jednak, że żadne komety nie były zaangażowane w ogóle – że ciała macierzyste pierścienia pochodziły całkowicie z wewnątrz, a nie spoza układu Saturna. Matija Ćuk z Instytutu SETI i jego współpracownicy, badając orbity księżyców tej planety, odkryli coś zaskakującego. W modelach komputerowych, które prześledziły orbity tych księżyców w czasie, wszystko poszło trochę nie tak jak powinno około 100 milionów lat temu, a księżyce zostały wepchnięte na orbity, które po prostu nie są obserwowane dzisiaj.
„Ich orbity są wytrącane z płaszczyzny równika Saturna o wiele bardziej niż obserwujemy” – mówi Ćuk. „Oznacza to, że ta historia, którą modelujemy, nigdy się nie wydarzyła, a obecne księżyce muszą być młodsze od tego.”
Innymi słowy, wcześniejszy system księżyców musiał zostać przekształcony w system, który widzimy dzisiaj.
Na początku nie było jasne, co mogło sprowokować tę zmianę układu, ale kolejne prace wskazały nieoczekiwanego winowajcę: Słońce. Nawet przy dużych odległościach, grawitacja Słońca może zakłócać ruchy planet – a co ważniejsze dla tej historii, ich księżyców. Ćuk i jego koledzy odkryli, że jest możliwe, aby orbita Saturna zbliżyła się do punktu, w którym słaby wpływ grawitacyjny Słońca mógłby tak nieznacznie przesunąć duży, wewnętrzny księżyc na inną ścieżkę, prowadząc do kolizji z rodzeństwem.
„I wtedy tworzysz pierścień, który jest 10 razy większy niż ten, który masz teraz, a część z niego akreuje i tworzy nowe księżyce” – mówi Ćuk.
Jednym z mylących następstw tego scenariusza jest to, że istniejące wewnętrzne księżyce Saturna, jak mówi Ćuk, powstałyby z gruzu po kolizji – co oznacza, że Enceladus, Mimas i każde ciało orbitujące tak blisko lub bliżej planety jak duży księżyc Rhea również miałyby około 100 milionów lat. Ten scenariusz stoi jednak w jaskrawej sprzeczności z szacunkami wieku wewnętrznych księżyców opartymi na liczeniu kraterów na ich powierzchniach. Młody Enceladus mógłby również stanowić poważny problem dla astrobiologów mających nadzieję, że globalne, podpowierzchniowe morze księżyca istniało wystarczająco długo, by mogło tam rozwinąć się życie.
„Nie sądzę, by ludzie chcieli to usłyszeć” – mówi Ćuk.
Canup i inni twierdzą, że choć hipoteza Ćuka jest prawdopodobna, nie wyjaśnia ona, w jaki sposób materiał powstały w wyniku zderzenia księżyca z księżycem miałby utworzyć pierścień. Aby tak się stało, odłamki kolizji musiałyby znaleźć się wystarczająco blisko Saturna, aby grawitacja planety utrzymała je w rozproszeniu, zamiast w bardziej odległych regionach, gdzie tworzą się i żyją księżyce.
„Jak doprowadzić materiał z tego rodzaju kolizji z powrotem na niskie orbity, gdzie znajdują się pierścienie, i jak sprawić, aby ten materiał był tylko lodem?” pyta Canup.
Primordial Pollution?
Faktem jest, że starsze pierścienie są po prostu łatwiejsze do wytworzenia. Miliardy i miliardy lat temu, kiedy planety ustawiały się na swoich obecnych pozycjach, rozrzucały mniejsze ciała po całym Układzie Słonecznym niczym pijani gracze w bilard z chwiejnym celem. Więc, Canup mówi, że najbardziej prawdopodobnym wyjaśnieniem jest to, że jakiś starożytny kataklizm ozdobił wcześniej pozbawiony pierścieni świat, a naukowcy muszą zrewidować swój argument o zanieczyszczeniach wskazujący na młode pierścienie.
Jeśli tempo, w jakim ciemny pył opada na pierścienie zmienia się w czasie, lub jeśli podstawowe założenia dotyczące tego, jak ten pył przyciemnia pierścienie są błędne, możliwe jest, że pierścienie są pierwotne – choć z przedpotopowym, świetlistym połyskiem.
„To jasne, że śnieg jest piękny i jasny, gdy spada, i nie potrzeba wiele brudu, by śnieg wyglądał całkiem ciemno” – mówi Dones. Ale, jak zauważa, szybkie zderzenia pyłu z lodowymi cząstkami pierścieni mogą nie zabarwiać pierścieni w sposób, jaki naukowcy podejrzewają, być może pozostawiając mniej cienia niż się spodziewano.
Bardziej przekonujące dla historii o starych pierścieniach, mówi Canup, są symulacje starożytnej, tworzącej pierścienie kolizji. Jeśli początkowa masa odłamków jest znacznie większa niż ta w obecnych pierścieniach, szybko się rozproszy i rozproszy. Część z nich wpadnie do Saturna, część ucieknie na orbitę, a reszta ułoży się w księżyce i pierścienie. Co ciekawe, mówi ona, że niezależnie od tego, czy zaczniesz z masą jedno- czy dziesięciokrotnie większą od masy Mimasa, przez miliardy lat, podstawowa dynamika orbitalna sugeruje, że osiądzie on na prawie dokładnie takiej ilości materiału, jaką widzimy dzisiaj.
„Tak się składa, że pierścienie mają dokładnie taką masę, jakiej można by się spodziewać, gdyby zderzały się i rozprzestrzeniały przez cztery miliardy lat” – mówi Canup. A kiedy obserwacje Cassiniego jednocześnie wspierają stare i młode pierścienie, choć na różne sposoby, znalezienie ostatecznej odpowiedzi jest trudne.
„Kiedy masz przewidywania lub interpretacje, które są niezależne i kończą się sprzecznością ze sobą, robi się ciekawie” – mówi.
One Ring (System) to Rule Them All
Nasze meandryczne wysiłki zmierzające do poznania prawdy o Saturnie są dalekie od zakończenia. Coś umieściło pierścienie wokół planety, mimo że jeszcze nie rozumiemy jak.
„Widzę system Saturna jako znajdujący się w środku kaskady – chaotycznej kaskady. Nie wygląda mi to na skończone” – mówi Asphaug.
W rzeczy samej, cały system Saturna jest czymś w rodzaju zagadki. Nie tylko pierścienie planety wprawiają w zakłopotanie, ale także jej rozległa i zróżnicowana gama księżyców jest trudna do wyjaśnienia. Od Iapetusa, dwubarwnego księżyca, który przypomina orzech włoski z powodu dziwacznego grzbietu równikowego i spłaszczonych biegunów, przez mglistego Tytana, olbrzymi księżyc z oleistymi jeziorami i obcą chemią, po wewnętrzne księżyce, które kiedyś mogły mieć własne pierścienie, system Saturna jest rogiem dziwactw. Tak więc każda historia, która ma wyjaśnić pierścienie, musi również w jakiś sposób tłumaczyć te i inne dziwactwa.
„Widzę wiele niemożliwych geologicznych rzeczy. Widzę planetę, która powinna wyglądać jak Callisto, ale zamiast tego wygląda jak Tytan. Widzę satelity, które nie powinny istnieć, jak Enceladus i Mimas, które mają ciężką historię kraterowania – czy to oznacza, że są stare, czy nie, nie wiemy. A potem widzimy Enceladusa, który wybucha jak rakieta i jest najbardziej niezawodnym ciałem erupcyjnym w Układzie Słonecznym, co dla mnie jako geologa nie ma żadnego sensu” – mówi Asphaug. „Mimas dostaje więcej ciepła od pływów niż Enceladus, a jest martwy jak diabli! Nic z tego nie ma sensu!”
Rozwiązania tajemnic Saturna leżą być może w sferze dynamiki planetarnej, gdzie symulacje oddziaływań grawitacyjnych rekonstruują przeszłość (i przyszłość) tego, co obserwujemy dzisiaj. Odpowiedź może też polegać na laboratoryjnych badaniach szybkich zderzeń ciemnego pyłu z cząstkami lodu, aby określić, jak dokładnie pył barwi lód. Może to oznaczać ponowne przeanalizowanie założeń dotyczących prawdopodobieństwa fatalnego spotkania komety z Saturnem. Albo może wymagać bardziej szczegółowej analizy pokruszonych powierzchni wewnętrznych księżyców Saturna, aby lepiej poznać ich prawdziwy wiek, być może przez inny statek kosmiczny wysłany w okolice planety.
„Ten stary pomysł, że pierścienie są starożytne i były stale bombardowane przez zanieczyszczający materiał, który jest taki sam jak ten, który widzimy dzisiaj? Ten pomysł nie zadziała” – mówi Larry Esposito z Uniwersytetu Kolorado w Boulder. „Ale jaki możliwy mechanizm mógłby uformować pierścienie tak niedawno? Żadna z istniejących teorii nie jest zadowalająca.”