Prstence Saturna

Prstence Saturna sú veľmi tenká a veľmi široká vrstva častíc, ktorá obieha planétu Saturn. Častice majú veľkosť od jedného mikrometra až po niekoľko metrov a sú zhromaždené v rovine Saturnovho rovníka. Každá častica obieha planétu samostatne. Pri obehu sa riadia Keplerovými zákonmi. Znamená to, že najbližšie častice obiehajú Saturn najrýchlejšie (raz za 4,9 hodiny) a najvzdialenejšie najpomalšie (raz za 2 dni).
Z väčšej vzdialenosti vyzerajú prstence ako niekoľko sústredných medzikruží oddelených medzerami. V skutočnosti sa každý z väčších prstencov skladá z veľkého množstva menších prstencov oddelených tmavými ryhami - miestami relatívne bez častíc. V rôznej vzdialenosti od Saturna majú prstence rôzne zafarbenie. Merania sondy Cassini pomocou spektrometru INMS, zistili, že prstenca sú zložené z vody, metánu, amoniaku, oxidu uhoľnatého, molekulárneho dusíka a oxidu uhličitého. Najvnútornejšie Saturnove mesiace obiehajú vo vnútri sústavy prstencov.
Pôvod prstencov dodnes nie je celkom známy. Podľa jednej teórie sa sformovali prirodzene z pôvodného materiálu protoplanetárneho disku, podľa inej ide o rozpadnutý mesiac.
Pozorovanie prstencov.
Hoci prstence voľným okom nie sú viditeľné, hlavné prstence A a B sa zobrazia už v menšom ďalekohľade, ale len za predpokladu, že planéta je vhodne naklonená. Dvakrát za svoj obeh totiž rovina Saturnových prstencov prechádza Zemou. Vtedy sa prstence zdanlivo stratia, pretože sú k nám natočené hranou. Natočenie prstenca voči Zemi zohráva aj svoju úlohu v jasnosti planéty, ktorá je najväčšia pri najväčšom náklone prstencov.
Medzera medzi prstencami A a B sa nazýva "Cassiniho delenie" alebo Cassiniho medzera. So šírkou je to najširšia a teda najlepšie pozorovateľná medzera medzi prstencami.
História pozorovania.
Po prvýkrát pozoroval zvláštny útvar okolo planéty Saturn už Galileo Galilei v roku 1610. Kvôli nedokonalosti svojho ďalekohľadu však nevedel, o čo ide. Najprv predpokladal, že sú to dve malé planéty. Keď zrazu „planéty“ zmizli a o niekoľko rokov sa opäť objavili, domnieval sa, že sú to ramená alebo čosi ako „uši na šálke“, ktoré z neznámych príčin periodicky rastú a miznú. Galilei si túto záhadu nevedel do konca svojho života vysvetliť. Dnes vieme, že prstence zdanlivo miznú a opäť sa objavujú podľa toho, ako sa mení ich sklon voči Zemi v priebehu obehu Saturna okolo Slnka. 
Ďalší pokrok v pochopení prstencov urobil až v roku 1659 Holanďan Christiaan Huygens. Predpokladal, že prstence sú pevné, tenké a ploché. Stále však nebolo jasné, ako sa prstenec môže okolo planéty udržať.
V roku 1676 Giovanni Cassini objavil v prstenci medzeru, ktorá bola pomenovaná po ňom. Matematik a astronóm Pierre Simon markíz de Laplace, zakladateľ nebeskej mechaniky, presvedčivo dokázal, že taký útvar nemôže byť jednoliate tuhé teleso. Podľa Laplacea je prstenec tvorený sústavou do seba zapadajúcich obručí, ale James Clerk Maxwell v roku 1857 dokázal, že prstenec je obrovská sústava samostatne obiehajúcich telies. V roku 1848 bol objavený prstenec C, ktorý je pozorovateľný len väčšími ďalekohľadmi.
Množstvo poznatkov o sústave prstencov Saturna priniesli prelety kozmických sond Pioneer a Voyager okolo Saturna v sedemdesiatych a osemdesiatych rokoch a hlavne sondy Cassini, ktorá Saturn študuje zblízka od roku 2004 až do súčasnosti. Okrem toho sa Saturnove prstence sledujú tiež prístrojmi umiestnenými na povrchu Zeme, ako aj vo vesmíre. Už v roku 1973 vysielal rádioteleskop Arecibo k prstencom impulzy a zachytávaním ich ozvien bolo možné študovať štruktúru prstencov. Anténa rádioteleskopu Arecibo je však nepohyblivá a Saturn sa často dostáva mimo jej pozorovacieho dosahu. Arecibo tak môže sledovať prstence Saturna len v pomerne krátkych obdobiach, tzv. oknách, pričom posledné okno sa otvorilo v rokoch 1999 – 2008. Pozorovania Areciba pomohli napríklad spresniť hrúbku prstenca, ako aj veľkosť jeho častíc. Spitzerov vesmírny ďalekohľad zase v roku 2009 umožnil objaviť najväčší prstenec Saturna (pozri nižšie).
Výskum zblízka.
Výsledky výskumu sondami Pioneer a Voyager ukázali, že prstence sú tvorené hlavne vodným ľadom. Ich materiál nie je homogénny, ale vo vnútri prstencov A a B je roztriedený. Sonda Voyager 2 zistila, že prstence A, B a C tvoria stovky až tisícky menších prstencov.
Posledné poznatky o prstencoch Saturna z miesta sprostredkovala sonda Cassini. Už pred navedením na obežnú dráhu okolo Saturna skúmala planétu a jej prstence a rovinou prstencov dokonca preletela. Pri druhom prelete cez prstence (1. júla 2004) zaznamenala 100 000 jednotlivých nárazov zrniečok prachu na sondu, ale žiadny z nich ju nepoškodil. Krátko po 12:30 UT začali do riadiaceho strediska prichádzať prvé snímky, ktoré boli urobené z bezprostrednej blízkosti prstencov. Snímky z Cassini spoločne s údajmi ostatných vedeckých prístrojov by mali dať odborníkom návod, ako stanoviť zloženie rôznych častí sústavy prstencov. Sonda Cassini sledovala sústavu Saturna až do septembra 2017. S blížiacim sa plánovaným koncom svojej misie vedci zaraďovali do jej programu čoraz riskantnejšie manévre. Na jar 2017 sonda preletela medzi Saturnom a jeho prstencami, čo podľa pesimistickejších prognóz nemusela ani zvládnuť, pretože hrozilo jej zničenie nárazmi malých častíc. Počas preletu však sonda namerala nárazy menšieho počtu častíc ako sa očakávalo. Za vonkajším okrajom prstenca zistila častíc podstatne viac. 
Spitzerov vesmírny ďalekohľad zase v roku 2009 umožnil objaviť najväčší prstenec Saturna (pozri nižšie).
Známou sa stala unikátna snímka Saturna z októbra roku 2006, kedy nastalo z pohľadu sondy zatmenie Slnka Saturnom. Priaznivá poloha sondy v čase expozície umožnila, že slnečné svetlo zviditeľnilo aj nepatrné mikroskopické častice dvoch novoobjavených prstencov, ktorých existencia však dovtedy nebola dokázaná. Sonda v priebehu troch hodín urobila 165 snímok, z ktorých sa zložila výsledná fotografia. Údaje z optického a infračerveného spektrometra Cassini zviditeľnili značné rozdiely v sfarbení prstencov. Tieto rozdiely sú spôsobené jednak rozdielnym chemickým zložením materiálu prstencov, jednak rôznou veľkosťou ich častíc.
Častice prstencov.
Prstence sa skladajú z častíc rôznych rozmerov. Z pozorovaní rádioteleskopu Arecibo vyplynulo, že najväčšie častice majú rozmer 10 metrov. Každá z častíc okrem toho, že obieha materskú planétu, tiež samostatne rotuje. Zatiaľ čo veľké častice (nad ) majú osi rotácie namierené k Slnku, menšie častice ich majú približne kolmé na obežnú rovinu, ako je to aj u mesiacov. Tieto malé častice zároveň rotujú o jeden až dva rády rýchlejšie, ako obiehajú okolo planéty.
Štruktúra prstencov.
Celkovo sa prstence delia smerom od planéty na D, C, B, A, F, G, a E. Jednotlivé prstence od seba oddeľujú medzery, ktoré vznikli gravitačnými silami Saturna a jeho mesiacov. Ani v medzerách však nie je prázdny priestor, vypĺňa ich množstvo tenkých riedkych prstencov. Komplex tvorený prstencami je široký približne , ale jeho hrúbka je maximálne , väčšinou ešte oveľa menšia. Ich hmotnosť predstavuje len 1 % hmotnosti Mesiaca, podľa iného zdroja 1/70 (1,429 %) hmotnosti Mesiaca.
Zoznam obsahuje prvých 15 pomenovaných prstencov Saturna
Najbližšie mesiace Saturna obiehajú vo vnútri Saturnových prstencov, napríklad obežná dráha mesiaca Pan je situovaná v "Enckeho medzere". Jeho prítomnosť v prstencoch je dôvodom stáleho otvorenia Enckeho medzery. Aj niektoré ďalšie mesiace sa vo veľkej miere podieľajú na rozložení prstencov a medzier. Napríklad dva malé mesiačiky Prometheus a Pandora vymedzujú tenký vonkajší prstenec F a niekedy sa označujú ako „pastierske mesiace“. Prstenec E je zase závislý od mesiaca Enceladus, ktorý poskytuje častice na jeho neustálu obnovu.
Najvnútornejší prstenec D siaha od oblačnej vrstvy planéty do vzdialenosti 1,21 RS (polomerov Saturna, pričom 1 RS = ). Je tvorený len časticami mikroskopických rozmerov. Prstenec C leží vo vzdialenosti 1,21 až 1,53 RS a jeho častice majú rozmer až do 10 metrov. Prstenec A je tvorený zhruba 5-krát väčšími časticami, ako sú častice prstenca B a rozprestiera sa vo vzdialenosti 2,01 až 2,26 RS. Prstence F a G sú tenké, tvorené mikroskopickými časticami. Najvzdialenejší ľahko pozorovateľný prstenec, prstenec E, končí vo väčšej vzdialenosti od planéty, ako je vzdialenosť Mesiaca od Zeme, čo je zhruba 8 polomerov Saturna.
Prstenec A.
Prstenec A je najvzdialenejší z veľkých svetlých prstencov Saturna. Z jeho vnútornej strany sa nachádza zdanlivo voľný priestor, Cassiniho delenie, v ktorom sa však v skutočnosti nachádza 5 ďalších prstencov. Vonkajšia hrana prstenca A je blízko obežnej dráhy mesiaca Atlas. Prstenec je prerušený Enckeho medzerou so šírkou 22 % šírky prstenca. Užšia Keelerova medzera so šírkou 2 % prstenca sa nachádza pri vonkajšom okraji prstenca.
Prstenec B.
Prstenec B sa rozprestiera vo vzdialenostiach medzi 1,53 až 1,95 RS a od prstenca A ho oddeľuje Cassiniho delenie. Častice v prstenci majú veľkosť asi až . Saturn obehnú za približne 7,9 hodín pri vnútornom okraji. Vo väčších vzdialenostiach od planéty obežná doba častíc vzrastá až po 11,14 hodiny pri vonkajšom okraji. Celková hmotnosť častíc v tomto prstenci sa odhaduje na 3 x .
Lúče.
V prstenci B sa nachádzajú tmavé lúčovité škvrny (angl. "spokes"), ktoré rotujú ako špice na kolesách, čo na prvý pohľad odporuje zákonom nebeskej mechaniky. Pravdepodobne ide o častice podliehajúce vplyvu magnetického poľa planéty. Objavené boli na snímkach zo sond Voyager, ale pravdepodobne sú pozorovateľné aj zo Zeme ďalekohľadom s minimálne objektívom. Na prvých záberoch sondy Cassini však tieto lúče z doteraz neznámych príčin chýbali. Analýza snímok sondy Voyager priviedla vedcov k záveru, že lúče sú len prechodným javom z elektricky nabitých vrstiev malých prachových častíc.
Prstenec C.
Prstenec C je široký, no tenký prstenec ležiaci z vnútornej strany prstenca B. Bol objavený v roku 1850 Williamom Cranchom Bondom a Georgom Phillipsom Bondom. Vo vnútri prstenca C sa nachádzajú Colombova medzera a Maxwellova medzera. Colombova medzera obsahuje úzky, ale svetlý Colombov prstenec, ktorý leží vo vzdialenosti od Saturna.
Prstenec G.
Prstenec G je ťažko pozorovateľný a pomerne úzky prstenec, ktorý objavila až sonda Voyager. Nemá nijaký „pastiersky mesiac“, ale merania ukázali, že naň vplýva vzdialený mesiac Mimas. V prstenci sa totiž nachádza jasný oblúk, ktorého obežná doba je v rezonancii s obežnou dobou Mimasu.
Prstenec E.
Prstenec E je veľmi tenký, najvzdialenejší súvislý optickým ďalekohľadom pozorovateľný prstenec Saturnu. Na rozdiel od ostatných prstencov sa skladá viac z mikroskopických ako z makroskopických častíc. V roku 2005 boli za zdroj materiálu tohto prstenca určené kryovulkány nachádzajúce sa v južnej polárnej oblasti mesiaca Enceladus. Sonda Cassini vo februári roku 2007 zistila, že prstenec je v skutočnosti dvojitý, ale pravdepodobne len v určitej sekcii. 
Prstenec F.
F je vzdialeným prerušovaným prstencom Saturnu. Nachádza sa 3 000 km za vonkajším okrajom prstenca A. Bol objavený v roku 1979 tímom sondy Pioneer 11. Je veľmi tenký, iba 150 kilometrov široký, a pohromade je udržiavaný dvoma mesiacmi, Prometheus a Pandora, ktoré ho obiehajú z vnútornej a vonkajšej strany. Gravitácia týchto dvoch mesiačikov pôsobí na častice v prstenci tak, že vytvárajú rôzne zauzlené štruktúry.
Najväčší vonkajší prstenec.
V jeseni 2009 Spitzerov vesmírny ďalekohľad, ktorý pozoruje kozmické objekty v infračervenom spektre, objavil nový prstenec okolo Saturna. Tento prstenec je veľmi riedky a vo viditeľnom svetle takmer nepozorovateľný. Rozprestiera sa vo vzdialenostiach 6 až 12 miliónov kilometrov od Saturna a ide zďaleka o najväčší známy prstenec okolo plynnej planéty. Je 50-krát väčší ako najväčší dovtedy známy Saturnov prstenec, prstenec E. Odkláňa sa od roviny jasnejších prstencov o 27° a rotuje retrográdnym smerom. Vo vnútri prstenca obieha (tiež retrográdnym smerom) mesiac Phoebe, ktorý je pravdepodobne zdrojom materiálu na jeho tvorbu. Je tiež možné, že tento prachový prstenec poskytuje tajomný materiál, ktorý pokrýva časť Saturnovho mesiaca Japetus obiehajúceho blízko vnútorného okraja tohto prachového prstenca.
Pôvod.
Nie je celkom známe, ako prstence vznikli. Pôvodne vedci predpokladali, že prstence sa sformovali spolu s planétou asi pred 4,5 miliardami rokov. Keďže častice prstenca ležia vnútri Rocheovej medze, spodnej hranice priestoru okolo planéty, pod ktorou už slapové sily Saturna roztrhajú každé väčšie teleso na kusy, častice prstencov sa nikdy nemohli sformovať do mesiaca. Taktiež môže ísť o pozostatky mesiaca alebo viacerých mesiacov, ktoré najprv obiehali vo väčších vzdialenostiach od planéty, ale špirálovite sa k nej približovali natoľko, až prekročili Rocheovu medzu a boli roztrhané. Ak by však bol vek prstencov skutočne porovnateľný s vekom planéty, boli by veľmi tmavé v dôsledku postupného usadzovania kozmického prachu. Prstence sú však svetlé a preto sa ich vek v súčasnosti odhaduje len na 100 miliónov rokov. Prelet sondy Cassini umožnil merania, na základe ktorých sa vek prstencov odhaduje na 10 až 100 miliónov rokov.
Zánik.
Podľa meraní Keckových teleskopov prúdi hmota z prstencov do planetárnej ionosféry pozdĺž magnetických siločiar a vytvára „prstencový dážď“. Odhaduje sa, že prstence zaniknú za 292 miliónov rokov.