System pierścieni

Pierścienie Urana były pierwszymi, jakie odkryto wokół planety innej niż Saturn. Amerykański astronom James L. Elliot i współpracownicy odkryli system pierścieni z Ziemi w 1977 roku, dziewięć lat przed spotkaniem z Voyagerem 2, podczas okluzji gwiazdowej Urana – tzn. kiedy planeta przeszła między gwiazdą a Ziemią, tymczasowo blokując światło gwiazdy. Niespodziewanie, zaobserwowali oni, że gwiazda przygasła na krótko pięć razy w znacznej odległości nad atmosferą Urana, zarówno przed jak i po tym jak planeta zakryła gwiazdę. Spadki jasności wskazywały, że planeta była otoczona przez pięć wąskich pierścieni. Późniejsze obserwacje z Ziemi ujawniły cztery dodatkowe pierścienie. Voyager 2 wykrył dziesiąty pierścień i znalazł wskazówki na istnienie innych. Na zewnątrz od Urana, te 10 nazwano 6, 5, 4, Alfa, Beta, Eta, Gamma, Delta, Lambda i Epsilon. Uciążliwa nomenklatura powstała, ponieważ nowe pierścienie zostały znalezione w miejscach, które nie pasowały do oryginalnej nomenklatury. Charakterystykę pierścieni podano w tabeli.

Pierścienie są wąskie i dość nieprzezroczyste. Obserwowane szerokości są po prostu odległościami radialnymi pomiędzy początkiem i końcem poszczególnych przypadków przyciemnienia. Równoważne szerokości to iloczyn (dokładniej, całka) odległości radialnej i frakcji zablokowanego światła gwiazd. Fakt, że szerokości równoważne są na ogół mniejsze od szerokości obserwowanych wskazuje, że pierścienie nie są całkowicie nieprzezroczyste. Zestawienie jasności pierścieni obserwowanych na zdjęciach Voyagera z szerokościami równoważnymi z okultacji pokazuje, że cząstki pierścieni odbijają mniej niż 5 procent padającego światła słonecznego. Ich niemal płaskie spektrum odbicia oznacza, że cząsteczki mają w zasadzie szary kolor. Zwykła sadza, która składa się głównie z węgla, jest najbliższym ziemskim analogiem. Nie wiadomo, czy węgiel pochodzi z przyciemniania metanu przez bombardowanie cząstkami, czy jest nieodłącznym elementem cząstek pierścienia.

Efekty rozpraszania na sygnale radiowym Voyagera propagowanym przez pierścienie na Ziemię ujawniły, że pierścienie składają się głównie z dużych cząstek, obiektów większych niż 140 cm (4,6 stopy) średnicy. Rozpraszanie światła słonecznego, gdy Voyager znajdował się po dalekiej stronie pierścieni i kierował swoją kamerę z powrotem w stronę Słońca, również ujawniło małe cząsteczki pyłu w zakresie wielkości mikrometrów. Tylko niewielka ilość pyłu została znaleziona w głównych pierścieniach. Większość mikroskopijnych cząstek znajdowała się natomiast w przestrzeniach pomiędzy głównymi pierścieniami, co sugeruje, że pierścienie tracą masę w wyniku kolizji. Czas życia pyłu na orbicie wokół Urana jest ograniczony przez opór wywierany przez rozbudowaną atmosferę planety oraz przez ciśnienie promieniowania słonecznego; cząsteczki pyłu są kierowane na niższe orbity i w końcu wpadają w urańską atmosferę. Obliczony czas życia orbitalnego jest tak krótki – 1000 lat – że pył musi być tworzony szybko i nieustannie. Opór atmosferyczny Urana wydaje się być tak duży, że obecne pierścienie mogą być krótkotrwałe. Jeśli tak, pierścienie nie powstały z Uranem, a ich pochodzenie i historia są nieznane.

Kolizje pomiędzy ciasno upakowanymi cząstkami pierścieni naturalnie prowadziłyby do zwiększenia promienistej szerokości pierścieni. Księżyce bardziej masywne niż pierścienie mogą powstrzymać to rozprzestrzenianie się w procesie zwanym shepherding. Niektóre orbity, leżące wewnątrz lub na zewnątrz orbity danego pierścienia, mają odpowiedni promień, aby księżyc na takiej orbicie mógł nawiązać stabilny rezonans dynamiczny z cząstkami pierścienia. Warunkiem rezonansu jest to, że okresy orbitalne Księżyca i cząstek pierścienia są do siebie odniesione w stosunku małych liczb całkowitych. W takiej relacji, gdy Księżyc i cząstki mijają się okresowo, oddziałują na siebie grawitacyjnie w sposób, który dąży do utrzymania regularności spotkań. Księżyc wywiera na pierścień moment obrotowy netto, a ponieważ Księżyc i pierścień wymieniają się momentem pędu, energia jest rozpraszana przez zderzenia między cząsteczkami pierścienia. W rezultacie cząsteczki Księżyca i pierścienia odpychają się od siebie. Którekolwiek ciało jest na zewnętrznej orbicie porusza się na zewnątrz, podczas gdy to na wewnętrznej orbicie porusza się do wewnątrz. Ponieważ Księżyc jest znacznie masywniejszy od pierścienia, zapobiega on rozprzestrzenianiu się pierścienia na promień, na którym dochodzi do rezonansu. Para księżyców-pasterzy, po jednym z każdej strony pierścienia, może utrzymać jego wąską szerokość.

Voyager 2 odkrył, że dwa najbardziej wewnętrzne księżyce, Kordelia i Ofelia, orbitują po obu stronach pierścienia Epsilon przy dokładnie takich promieniach, jakie są wymagane dla pasterzy. Pasterze dla pozostałych pierścieni nie zostali zaobserwowani, być może dlatego, że księżyce są zbyt małe, by można je było dostrzec na zdjęciach Voyagera. Małe księżyce mogą być również zbiornikami, które dostarczają pył opuszczający system pierścieniowy.

.