Кольца вокруг крошечного тела изменились за последнее десятилетие.

В недавнем исследовании Сантос-Санс и его коллеги использовали космический телескоп Джеймса Уэбба, чтобы наблюдать за тем же самым телом, теперь известным как Харикло, проходящим перед фоновой звездой. Они обнаружили, что одно из его колец стало плотнее, а другое почти исчезло. Точная причина этого неизвестна.

Следуя за звездой

Методика наблюдения проста. «Мы предсказываем, когда объект Солнечной системы проходит перед звездой», — сказал Сантос-Санс. Свет звезды на мгновение тускнеет, и форма этого затемнения показывает размер, форму и окружение объекта, вызвавшего это явление. «Это особенно сложно для малых тел, и еще сложнее для далеких малых тел», — добавил он.

Трудность заключается в том, что силуэт объекта на небе ничтожно мал, и для определения момента пересечения им конкретной звезды требуются очень точные данные о его местоположении. Тем не менее, в 2013 году мы использовали наземные телескопы, чтобы различить два кольца Харикло, C1R и C2R. Они располагались на расстоянии 390 и 405 километров от центра, имели ширину всего несколько километров и находились на расстоянии около 7 километров друг от друга.

Однако, использование космического телескопа значительно усложняет выравнивание. JWST находится в точке Лагранжа L2, и операторам приходится корректировать орбиту телескопа каждые несколько недель, чтобы поддерживать её стабильность. «Это довольно сложная задача», — сказал Сантос-Санс. Его команда выявила возможное затмение Харикло в августе 2022 года и пересчитывала прогноз каждую неделю. Между первым и последним прогнозом проекционная линия зрения сместилась примерно на 110 километров, чего оказалось достаточно, чтобы полностью сместить телескоп с орбиты. К сожалению, для JWST такие наблюдения необходимо планировать как минимум за 14 дней.

«Возможно, мы действовали немного вслепую, потому что точно не знали, где находится линия визирования», — сказал Сантос-Санс. «Я собираюсь переместить один из самых больших и лучших телескопов в космосе, и мы не знаем, удастся ли нам в итоге это обнаружить или нет». Но в итоге все получилось.

Затмение произошло 18 октября 2022 года. Восстановленная геометрия показывает, что линия визирования телескопа JWST на фоновую звезду прошла на расстоянии 7,4 километра над поверхностью Харикло, миновав небесное тело, но запечатлев его кольца.

Кольцо, которое утолщилось

Телескоп JWST зафиксировал это событие одновременно в двух ближних инфракрасных диапазонах, на длинах волн 1,5 и 3,2 микрометра, что сделало его первым случаем обнаружения колец малого тела в диапазоне, превышающем три микрометра — диапазон, недоступный для наземных телескопов из-за особенностей земной атмосферы.

Внутреннее кольцо проявилось безошибочно, с резкими, отчетливыми краями, но оно было гораздо темнее, чем раньше. В среднем по примерно 10 предыдущим наземным затмениям нормальная непрозрачность C1R (доля звездного света, которую оно блокирует) составляла 0,303. JWST измерил ее как 0,431. «Вначале мы не верили этому, поэтому долго боролись с данными», — сказал Сантос-Санс.

Наиболее простое объяснение заключалось в геометрии. Кольца не всегда однородны, и телескоп JWST мог просто пройти сквозь более плотное скопление. Чтобы исключить этот сценарий, команда создала модель кольца с неровной поверхностью и провела 10 миллионов смоделированных затмений. Воспроизведение такой высокой непрозрачности, какую зафиксировал телескоп JWST, оказалось примерно с вероятностью 1 к 1000 на расстоянии 1,5 микрометра и 4 к 100 000 на расстоянии 3,2 микрометра для одного измерения. Телескоп дважды зафиксировал кольцо, войдя и выйдя из него, что еще больше уменьшило вероятность.

Сантос-Санс пришел к выводу, что внутреннее кольцо, скорее всего, утолщилось. В то же время внешнее кольцо претерпело противоположную тенденцию.

Кольцо, которое потускнело

Кольцо C2R едва регистрировалось на длине волны 1,5 микрометра и совсем не проявлялось на длине волны 3,2 микрометра, хотя телескоп регистрировал один и тот же участок кольца в обоих диапазонах в один и тот же момент времени. «Вначале мы даже не видели внешнего кольца на кривой блеска», — сказала Сантос-Санс. «Нам пришлось использовать модели. Оно было действительно едва различимо, поэтому мы задались вопросом: „Что здесь происходит?“»

Команда предложила два возможных объяснения. Первое заключается в том, что JWST, наблюдая за явлениями в диапазонах длин волн, где почти никогда не регистрировались затмения, просто видит частицы, которые по-разному рассеивают свет в инфракрасном диапазоне. Второе объяснение состоит в том, что кольца действительно физически изменились. Сантос-Санс утверждает, что модели переноса излучения указывают на последнее объяснение. Более ранние наблюдения в видимом свете соответствовали смеси льда и силикатов, но после добавления данных JWST никакая комбинация материалов и размеров частиц не может объяснить то, что наблюдал телескоп.

«Мы наблюдаем реальную эволюцию колец во времени», — сказал Сантос-Санс. «Конечно, это не абсолютная истина, но для меня это предпочтительное объяснение». Более того, эта эволюция, скорее всего, заключалась не только в миграции материала с исчезающего внешнего кольца внутрь, во внутреннее кольцо. Если измерять по эквивалентной ширине, внутреннее кольцо увеличилось примерно в 10 раз больше, чем внешнее кольцо потеряло.

«Мы не знаем, откуда берется этот дополнительный материал, но есть несколько гипотез», — сказала Сантос-Санс.

Призрачная луна

По словам Сантос-Санса, наиболее вероятное объяснение — это небольшой спутник-пастух, находящийся на орбите внешнего кольца. Такой объект должен объяснять стабильность колец и их острые края, а также мог бы сбрасывать обломки, пополняющие кольцевую зону C1R. «Этот спутник пока не обнаружен, если он вообще существует», — сказал Сантос-Санс.

Компьютерная модель, основанная на данных телескопа JWST, также намекает на состав двух колец. Однако Сантос-Санс ясно дает понять, что эта часть работы еще не завершена. «После создания этой модели мы пришли к выводу, что внутреннее кольцо должно состоять из более крупных частиц, чем внешнее. Мы считаем, что внешнее кольцо более пыльное», — сказал он. «Но это работа в процессе. Я не могу с уверенностью сказать: "Это пыльное кольцо, а это нет"».

Команда исследователей утверждает, что лучшим способом проверки было бы зафиксировать еще одно затмение Харикло, на этот раз в видимом свете, что позволило бы отделить подлинные изменения от эффекта, связанного с длиной волны. «Мы ищем новые затмения», — сказал Сантос-Санс. Понимание того, как кольца вокруг малых тел эволюционируют с течением времени, объясняет он, важно, потому что Харикло — не единственное тело, у которого они есть.

Теперь известны кольца вокруг другого тела той же категории, что и Харикло, называемого Хироном, карликовой планеты Хаумеа и транснептунового объекта Кваоар. Известно, что кольца гигантских планет смещаются в течение месяцев и лет; кольцо D Сатурна заметно уменьшилось, а дуги Адамса Нептуна перестраиваются. Теперь, похоже, это происходит и с малыми телами.

«Я думаю, что эта работа — лишь часть головоломки, — сказала Сантос-Санс, — но она может стать важной подсказкой для более широких исследований колец вокруг малых тел и вокруг гигантских планет».