Soustava prstenců

Prvky Uranu byly jako první objeveny kolem jiné planety než Saturnu. Americký astronom James L. Elliot a jeho kolegové objevili systém prstenců ze Země v roce 1977, devět let před setkáním sondy Voyager 2, během zákrytu hvězdy Uranem – tj. když planeta prošla mezi hvězdou a Zemí a dočasně zablokovala světlo hvězdy. Nečekaně pozorovali, že hvězda pětkrát krátce pohasla ve značné vzdálenosti nad Uranovou atmosférou, a to jak před zákrytem hvězdy planetou, tak po něm. Poklesy jasnosti naznačovaly, že planetu obklopuje pět úzkých prstenců. Pozdější pozemská pozorování odhalila další čtyři prstence. Voyager 2 zjistil desátý prstenec a objevil náznaky dalších. Směrem ven od Uranu se jich deset jmenuje 6, 5, 4, Alfa, Beta, Eta, Gama, Delta, Lambda a Epsilon. Těžkopádné názvosloví vzniklo tím, že nové prstence byly nalezeny v místech, která neodpovídala původnímu názvosloví. Charakteristiky kroužků jsou uvedeny v tabulce.

Kruhy jsou úzké a poměrně neprůhledné. Pozorované šířky jsou jednoduše radiální vzdálenosti mezi začátkem a koncem jednotlivých stmívání. Ekvivalentní šířky jsou součinem (přesněji integrálem) radiální vzdálenosti a podílu blokovaného světla hvězd. Skutečnost, že ekvivalentní šířky jsou obecně menší než pozorované šířky, naznačuje, že prstence nejsou zcela neprůhledné. Kombinace jasnosti prstenců pozorovaných na snímcích Voyageru s ekvivalentními šířkami ze zákrytů ukazuje, že částice prstenců odrážejí méně než 5 % dopadajícího slunečního světla. Jejich téměř ploché spektrum odrazivosti znamená, že částice mají v podstatě šedou barvu. Nejbližší pozemskou analogií jsou obyčejné saze, které jsou tvořeny převážně uhlíkem. Není známo, zda uhlík pochází ze ztmavnutí metanu bombardováním částicemi, nebo je částicím prstence vlastní.

Vliv rozptylu na rádiový signál Voyageru šířený skrze prstence na Zemi odhalil, že prstence se skládají převážně z velkých částic, objektů o průměru větším než 140 cm. Rozptyl slunečního světla, když se Voyager nacházel na vzdálené straně prstenců a nasměroval svou kameru zpět ke Slunci, rovněž odhalil malé prachové částice o velikosti v řádu mikrometrů. V hlavních prstencích bylo nalezeno pouze malé množství prachu. Většina mikroskopických částic byla naopak rozmístěna v prostorách mezi hlavními prstenci, což naznačuje, že prstence ztrácejí hmotnost v důsledku srážek. Životnost prachu na oběžné dráze kolem Uranu je omezena odporem, který působí rozšířená atmosféra planety, a tlakem slunečního záření; prachové částice jsou hnány na nižší dráhy a nakonec spadnou do uranské atmosféry. Vypočtená doba života na oběžné dráze je tak krátká – 1 000 let – že prach musí rychle a neustále vznikat. Zdá se, že odpor atmosféry Uranu je tak velký, že samotné současné prstence mohou mít krátkou životnost. Pokud tomu tak je, prstence nevznikly spolu s Uranem a jejich původ a historie jsou neznámé.

Srážky mezi těsně nabalenými částicemi prstenců by přirozeně vedly ke zvětšení radiální šířky prstenců. Měsíce hmotnější než prstence mohou toto šíření zastavit v procesu zvaném pastýřství. Určité dráhy, které leží uvnitř nebo vně dráhy daného prstence, mají správný poloměr, aby měsíc na takové dráze mohl vytvořit stabilní dynamickou rezonanci s částicemi prstence. Podmínkou rezonance je, že oběžné periody Měsíce a částic prstence jsou ve vzájemném poměru malých celých čísel. V takovém vztahu, kdy se Měsíc a částice periodicky míjejí, na sebe gravitačně působí způsobem, který má tendenci udržovat pravidelnost setkání. Měsíc působí na prstenec čistým točivým momentem, a jak si Měsíc a prstenec vyměňují úhlový moment, energie se rozptyluje srážkami mezi částicemi prstence. Výsledkem je, že se částice Měsíce a prstence vzájemně odpuzují. Těleso, které je na vnější dráze, se pohybuje směrem ven, zatímco těleso na vnitřní dráze se pohybuje směrem dovnitř. Protože je Měsíc mnohem hmotnější než prstenec, brání prstenci v šíření přes poloměr, při kterém dochází k rezonanci. Dvojice pastýřských měsíců, jeden na každé straně prstence, může udržet jeho úzkou šířku.

Voyager 2 zjistil, že dva nejvnitřnější měsíce, Cordelie a Ofelie, obíhají po obou stranách prstence Epsilon přesně v poloměrech potřebných pro pastýřský pohyb. Pastýři pro ostatní prstence nebyli pozorováni, možná proto, že měsíce jsou příliš malé na to, aby byly vidět na snímcích Voyageru. Malé měsíce mohou být také zásobárnami, které dodávají prach opouštějící prstencovou soustavu.

.