A gyűrűrendszer

Az Uránusz gyűrűi voltak az elsők, amelyeket a Szaturnuszon kívül más bolygó körül találtak. James L. Elliot amerikai csillagász és munkatársai 1977-ben, kilenc évvel a Voyager 2 találkozása előtt fedezték fel a gyűrűrendszert a Földről, az Uránusz csillagfedése során – vagyis amikor a bolygó egy csillag és a Föld között haladt el, ideiglenesen elzárva a csillag fényét. Váratlanul megfigyelték, hogy a csillag öt alkalommal rövid időre elhomályosodott az Uránusz légköre fölött jelentős távolságban, mielőtt és miután a bolygó elfedte a csillagot. A fényességcsökkenések azt jelezték, hogy a bolygót öt keskeny gyűrű veszi körül. A későbbi földi megfigyelések további négy gyűrűt mutattak ki. A Voyager 2 egy tizedik gyűrűt is észlelt, és továbbiakra utaló jeleket talált. Az Uránusztól kifelé haladva a 10 gyűrűt 6, 5, 4, Alfa, Béta, Eta, Gamma, Delta, Lambda és Epsilon gyűrűnek nevezték el. A nehézkes elnevezés azért alakult ki, mert az új gyűrűket olyan helyeken találták, amelyek nem illettek bele az eredeti elnevezésbe. A gyűrűk jellemzőit a táblázat tartalmazza.

A gyűrűk keskenyek és meglehetősen átlátszatlanok. A megfigyelt szélességek egyszerűen az egyes halványodási események kezdete és vége közötti radiális távolságok. Az ekvivalens szélesség a radiális távolság és a csillagfény blokkolt részarányának szorzata (pontosabban integrálja). Az a tény, hogy az egyenértékű szélességek általában kisebbek, mint a megfigyelt szélességek, azt jelzi, hogy a gyűrűk nem teljesen átláthatatlanok. A Voyager-felvételeken megfigyelt gyűrűk fényességének és az okkultációkból származó ekvivalens szélességek kombinálása azt mutatja, hogy a gyűrű részecskéi a beeső napfény kevesebb mint 5 százalékát verik vissza. A közel lapos visszaverődési spektrumuk azt jelenti, hogy a részecskék alapvetően szürke színűek. A leginkább szénből álló közönséges korom a legközelebbi földi analóg. Nem tudni, hogy a szén a metánnak a részecskék bombázása általi sötétedéséből származik-e, vagy a gyűrű részecskéinek sajátja.

A Voyager rádiójelének a gyűrűkön keresztül a Földre terjedő szórási hatásaiból kiderült, hogy a gyűrűk többnyire nagy részecskékből, 140 cm-nél nagyobb átmérőjű objektumokból állnak. A napfény szóródása, amikor a Voyager a gyűrűk túlsó oldalán tartózkodott, és kameráját a Nap felé fordította, szintén apró, mikrométeres méretű porszemcséket mutatott ki. A fő gyűrűkben csak kis mennyiségű port találtak. A mikroszkopikus méretű részecskék nagy része ehelyett a főgyűrűk közötti terekben oszlott el, ami arra utal, hogy a gyűrűk ütközések következtében tömeget veszítenek. Az Uránusz körül keringő por élettartamát a bolygó kiterjedt légköre és a napfény sugárzási nyomása által kifejtett ellenállás korlátozza; a porszemcsék alacsonyabb pályára kerülnek, és végül az uráni légkörbe zuhannak. A számított keringési élettartam olyan rövid – 1000 év -, hogy a pornak gyorsan és folyamatosan kell keletkeznie. Az Uránusz légköri ellenállása olyan nagynak tűnik, hogy maguk a jelenlegi gyűrűk is rövid életűek lehetnek. Ha ez így van, akkor a gyűrűk nem az Uránusszal együtt alakultak ki, és eredetük és történetük ismeretlen.

A szorosan egymáshoz szorított gyűrűrészecskék közötti ütközések természetesen a gyűrűk sugárirányú szélességének növekedéséhez vezetnének. A gyűrűknél nagyobb tömegű holdak megállíthatják ezt a terjedést egy pásztorkodásnak nevezett folyamat során. Bizonyos pályák, amelyek egy adott gyűrű pályáján belül vagy kívül helyezkednek el, megfelelő sugarúak ahhoz, hogy egy ilyen pályán keringő hold stabil dinamikus rezonanciát alakítson ki a gyűrű részecskéivel. A rezonancia feltétele, hogy a hold és a gyűrű részecskéinek keringési periódusai kis egész számok arányában viszonyuljanak egymáshoz. Ilyen viszonyban, amikor a Hold és a részecskék periodikusan elhaladnak egymás mellett, olyan gravitációs kölcsönhatásba lépnek, amely a találkozások szabályosságának fenntartására törekszik. A Hold nettó nyomatékot gyakorol a gyűrűre, és ahogy a Hold és a gyűrű szögimpulzusmomentumot cserél, a gyűrű részecskéi között ütközésekkel energia disszipálódik. Az eredmény az, hogy a Hold és a gyűrű részecskéi taszítják egymást. Amelyik test a külső pályán van, az kifelé mozog, míg a belső pályán lévő befelé. Mivel a Hold sokkal nagyobb tömegű, mint a gyűrű, megakadályozza, hogy a gyűrű szétterjedjen azon a sugaron, ahol a rezonancia bekövetkezik. Egy pásztorhold-pár, egy-egy a gyűrű mindkét oldalán, képes fenntartani annak keskeny szélességét.

A Voyager 2 megállapította, hogy a legbelső két hold, a Cordelia és az Ophelia az Epsilon-gyűrű két oldalán pontosan a pásztorkodáshoz szükséges megfelelő sugarakkal kering. A többi gyűrű pásztorait nem figyelték meg, talán azért, mert a holdak túl kicsik ahhoz, hogy a Voyager képein látszódjanak. A kis holdak lehetnek a gyűrűrendszerből távozó por utánpótlását biztosító tartályok is.