Космический телескоп Джеймс Уэбб обнаружил, что два кольца вокруг Харикло, небольшого ледяного тела между орбитами Сатурна и Урана, заметно изменились всего за несколько лет. Внутреннее кольцо стало значительно плотнее для проходящего через него света, тогда как внешнее резко ослабло. Авторы нового исследования считают наблюдения убедительным свидетельством того, что кольцевые системы малых тел Солнечной системы могут эволюционировать гораздо быстрее, чем предполагалось.
Харикло относится к кентаврам, группе небольших тел, чьи орбиты проходят среди планет-гигантов. Размер объекта составляет около 250 км. Два узких кольца C1R и C2R обращаются примерно в 390 и 405 км от центра Харикло, поэтому даже Джеймс Уэбб не может получить их отдельное прямое изображение.
Астрономы изучают кольца с помощью звёздных покрытий. Когда кольцо проходит перед далёкой звездой, поток света на короткое время уменьшается. По глубине и длительности такого провала можно определить ширину кольца, его непрозрачность и распределение вещества.
Джеймс Уэбб наблюдал такое звёздное покрытие 18 октября 2022 года с помощью камеры ближнего инфракрасного диапазона NIRCam. Событие стало первым заранее рассчитанным покрытием звезды, которое удалось успешно провести с помощью телескопа. Сам Харикло немного разминулся с линией на звезду, но её свет дважды прошёл через оба кольца.
Необычно низкая относительная скорость Харикло, около 2,5 км/с, позволила получить особенно подробную картину. Наблюдения велись в двух диапазонах ближнего инфракрасного излучения, благодаря чему исследователи смогли сравнить свойства колец не только между собой, но и с результатами покрытий, зарегистрированных в предыдущие годы.
Самые заметные изменения произошли с внутренним кольцом C1R. Его непрозрачность оказалась существенно выше прежних значений. Эквивалентная ширина, показатель, который учитывает одновременно размер кольца и количество перекрывающего звёздный свет материала, также заметно увеличилась. Авторы связывают результат либо с поступлением нового вещества, либо с перестройкой уже существующего материала.
Одно из возможных объяснений связано со столкновениями частиц. Если крупные фрагменты дробятся на множество мелких зёрен, суммарная площадь вещества возрастает даже без значительного увеличения массы. Кольцо в результате начинает сильнее перекрывать свет фоновой звезды.
Внешнее кольцо C2R изменилось в противоположную сторону. Его сигнал оказался намного слабее, чем при предыдущих наблюдениях. В одном из инфракрасных диапазонов исследователи зарегистрировали только слабое проявление кольца, а в другом уверенно обнаружить C2R не удалось. Сравнение с измерениями 2017 года указывает примерно на 60-процентное уменьшение эффективной площади вещества, перекрывающего звёздный свет.
Простым перемещением частиц из C2R во внутреннее кольцо такую картину объяснить нельзя. Увеличение количества материала, перекрывающего свет в C1R, примерно на порядок превышает уменьшение соответствующего показателя у внешнего кольца. Значит, исчезновение вещества из C2R не может само по себе объяснить усиление C1R.
Исследователи также проверили, мог ли Джеймс Уэбб случайно пересечь особенно плотный участок внутреннего кольца и одновременно разреженную часть внешнего. Расчёты показали очень низкую вероятность такого совпадения. Результат указывает на реальные изменения системы, хотя их физическая причина пока не установлена.
С внешним кольцом остаётся дополнительная неопределённость. Более ранние звёздные покрытия преимущественно наблюдались в видимом свете, тогда как Джеймс Уэбб работал в инфракрасном диапазоне. Частицы определённого размера могут по-разному поглощать и рассеивать свет на разных длинах волн. Поэтому более слабый сигнал C2R необязательно означает, что сопоставимая доля вещества действительно покинула кольцо.
Моделирование показало, что наблюдения можно объяснить большим количеством очень мелкой пыли, включая силикатные частицы размером около 0,2–0,5 мкм. Такой сценарий создаёт другую проблему. Солнечное излучение заметно воздействует на микроскопические зёрна и способно сравнительно быстро менять их орбиты, поэтому пылевое кольцо без дополнительного механизма удержания должно постепенно рассеиваться.
Авторы рассматривают два не исключающих друг друга сценария. C2R может действительно терять материал и представлять собой относительно недолговечную структуру. Одновременно необычный инфракрасный сигнал может зависеть от размеров и состава частиц. Новые наблюдения в видимом диапазоне помогут разделить эти эффекты.
Устойчивость самих орбит добавляет загадок. Несмотря на изменение оптических свойств, положение колец вокруг Харикло за годы наблюдений существенно не сдвинулось. Один из возможных механизмов удержания связан с небольшим спутником-пастухом, гравитация которого способна препятствовать рассеиванию частиц и поддерживать узкую структуру кольца. Подтверждённого спутника у Харикло пока не обнаружили.
Во время наблюдений Джеймс Уэбб также не зарегистрировал дополнительных падений яркости, которые могли бы уверенно указывать на другие кольца или спутники вдоль пройденной звездой линии. Отсутствие сигнала не исключает небольшие тела, размеры которых находятся ниже чувствительности наблюдений.
Сами кольца Харикло обнаружили в 2013 году также во время звёздного покрытия. Находка стала неожиданной, поскольку ранее выраженные кольцевые системы были известны прежде всего у планет-гигантов. Впоследствии кольца нашли и вокруг некоторых других небольших объектов внешней части Солнечной системы.
Первоначальные наблюдения показывали, что внутреннее кольцо C1R имеет ширину порядка нескольких километров и значительно плотнее внешнего C2R. Последующие покрытия позволили проследить их структуру на протяжении почти десятилетия. Именно длинная серия измерений дала возможность заметить перемены, которые невозможно было бы обнаружить по одному событию.
Новые результаты показывают, что небольшие кольцевые системы нельзя считать застывшими структурами. Частицы могут дробиться, покидать кольца, поступать из новых источников и перераспределяться под действием гравитации и солнечного излучения. При этом сама геометрия колец способна оставаться почти неизменной.
Следующие звёздные покрытия Харикло должны показать, продолжает ли C2R слабеть и сохраняется ли повышенная непрозрачность C1R. Если изменения продолжатся, астрономы смогут фактически наблюдать эволюцию кольцевой системы в реальном времени и проверить, какие процессы позволяют кольцам существовать вокруг объекта диаметром всего несколько сотен километров.