Rengasjärjestelmä

Uranuksen renkaat olivat ensimmäiset, jotka löydettiin muun planeetan kuin Saturnuksen ympäriltä. Amerikkalainen tähtitieteilijä James L. Elliot kollegoineen löysi rengasjärjestelmän Maasta käsin vuonna 1977, yhdeksän vuotta ennen Voyager 2:n kohtaamista, Uranuksen tähtipeiton aikana – eli kun planeetta kulki tähden ja Maan välistä peittäen väliaikaisesti tähden valon. Yllättäen he havaitsivat tähden himmenevän lyhyesti viisi kertaa huomattavan kaukana Uranuksen ilmakehän yläpuolella sekä ennen että jälkeen planeetan peittymisen. Kirkkauden heikkeneminen osoitti, että planeettaa ympäröi viisi kapeaa rengasta. Myöhemmin Maasta tehdyt havainnot paljastivat neljä muuta rengasta. Voyager 2 havaitsi kymmenennen renkaan ja löysi viitteitä muista renkaista. Uranuksesta ulospäin 10 renkaan nimet ovat 6, 5, 4, Alpha, Beta, Eta, Gamma, Delta, Lambda ja Epsilon. Hankala nimistö syntyi, kun uusia renkaita löydettiin paikoista, jotka eivät sopineet alkuperäiseen nimistöön. Renkaiden ominaisuudet on esitetty taulukossa.

Kehät ovat kapeita ja melko läpinäkymättömiä. Havaitut leveydet ovat yksinkertaisesti yksittäisten himmennystapahtumien alun ja lopun välisiä säteittäisiä etäisyyksiä. Ekvivalenttiset leveydet ovat säteittäisen etäisyyden ja estetyn tähtivalon osuuden tulo (tarkemmin sanottuna integraali). Se, että ekvivalenttiset leveydet ovat yleensä pienempiä kuin havaitut leveydet, osoittaa, että renkaat eivät ole täysin läpinäkymättömiä. Voyagerin kuvissa havaittujen renkaiden kirkkauden yhdistäminen peittokuvista saatuihin ekvivalenttisiin leveyksiin osoittaa, että renkaiden hiukkaset heijastavat alle 5 prosenttia osuvasta auringonvalosta. Niiden lähes tasainen heijastusspektri tarkoittaa, että hiukkaset ovat pohjimmiltaan harmaita. Tavallinen noki, joka koostuu enimmäkseen hiilestä, on lähin maanpäällinen analogi. Ei tiedetä, onko hiili peräisin hiukkaspommituksen aiheuttamasta metaanin tummumisesta vai onko se renkaiden hiukkasille ominaista.

Sirontailmiöt Voyagerin radiosignaalissa, joka eteni renkaiden läpi Maahan, paljastivat, että renkaat koostuvat enimmäkseen suurista hiukkasista, yli 140 senttimetrin läpimittaisista kappaleista. Auringonvalon sironta Voyagerin ollessa renkaiden toisella puolella ja suunnatessa kameransa takaisin kohti Aurinkoa paljasti myös pieniä mikrometrin kokoisia pölyhiukkasia. Päärenkaista löytyi vain pieni määrä pölyä. Suurin osa mikroskooppisen pienistä hiukkasista oli sen sijaan jakautunut päärenkaiden väleihin, mikä viittaa siihen, että renkaat menettävät massaa törmäysten seurauksena. Uranuksen kiertoradalla olevan pölyn elinikää rajoittaa planeetan laajan ilmakehän aiheuttama vetovoima ja auringonvalon säteilypaine; pölyhiukkaset ajautuvat alemmille kiertoradoille ja putoavat lopulta Uranuksen ilmakehään. Lasketut kiertoradan elinajat ovat niin lyhyitä – 1 000 vuotta – että pölyä täytyy syntyä nopeasti ja jatkuvasti. Uranuksen ilmakehän vetovoima näyttää olevan niin suuri, että nykyiset renkaat itsessään saattavat olla lyhytikäisiä. Jos näin on, renkaat eivät muodostuneet Uranuksen mukana, ja niiden alkuperä ja historia ovat tuntemattomia.

Tiiviisti pakkautuneiden rengashiukkasten väliset törmäykset johtaisivat luonnollisesti renkaiden säteittäisen leveyden kasvuun. Renkaita massiivisemmat kuut voivat pysäyttää tämän leviämisen prosessissa, jota kutsutaan paimennukseksi. Tietyt radat, jotka sijaitsevat tietyn renkaan radan sisä- tai ulkopuolella, ovat sopivalla säteellä, jotta tällaisella radalla oleva kuu voi muodostaa vakaan dynaamisen resonanssin renkaan hiukkasten kanssa. Resonanssin edellytyksenä on, että kuun ja rengashiukkasten kiertoaikojen suhde toisiinsa on pienten kokonaislukujen suhde. Tällaisessa suhteessa kuun ja hiukkasten kulkiessa toistensa ohi jaksoittain ne ovat gravitaatiovuorovaikutuksessa tavalla, joka pyrkii säilyttämään kohtaamisten säännöllisyyden. Kuu aiheuttaa renkaaseen nettovääntömomentin, ja kun kuu ja rengas vaihtavat kulmamomenttia, energiaa haihtuu renkaan hiukkasten törmäyksissä. Lopputuloksena on, että Kuu ja renkaan hiukkaset hylkivät toisiaan. Ulommalla kiertoradalla oleva kappale liikkuu ulospäin, kun taas sisemmällä kiertoradalla oleva kappale liikkuu sisäänpäin. Koska kuu on paljon massiivisempi kuin rengas, se estää rengasta leviämästä säteelle, jolla resonanssi tapahtuu. Pari paimentavaa kuuta, yksi renkaan kummallakin puolella, voi säilyttää renkaan kapean leveyden.

Voyager 2 havaitsi, että kaksi sisintä kuuta, Cordelia ja Ophelia, kiertävät Epsilon-renkaan kummallakin puolella täsmälleen oikeilla sädehalkaisijoilla, joita paimentaminen edellyttää. Muiden renkaiden paimenia ei havaittu, ehkä siksi, että kuut ovat liian pieniä näkyäkseen Voyagerin kuvissa. Pienet kuut voivat myös olla säiliöitä, jotka toimittavat rengasjärjestelmästä lähtevää pölyä.