Tajemství krále planet: Proč Jupiter nemá výrazné prstence?
Ve všech ohledech se jedná o největší planetu Sluneční soustavy, přesto jí vedle dalších plynných oběžnic v čele se Saturnem něco chybí: Proč Jupiter nemá výraznější prstence?
Když přijde řeč na prstence planet, každý si automaticky vybaví Saturn. Jako první u něj ikonickou ozdobu pozoroval již Galileo Galilei v roce 1610. A než lidé odhalili pravou podstatu prstenců, nazývali Saturn „ušatou“ planetou. Dnes samozřejmě víme, že jde o uskupení částic vodního ledu, které nabývá tloušťky v řádu desítek až stovek metrů. Výraznost zmíněných útvarů a relativní blízkost Saturnu k Zemi navíc zajištují, že je lze spatřit i v malých dalekohledech.
O něco méně zřetelné, ale stále významné jsou prstence Uranu. Poprvé se o nich zmínil již objevitel ledového obra William Herschel pouhých osm let poté, co jej poprvé spatřil. Podstatně větší vzdálenost od Země činí jejich pozorování o mnoho obtížnějším než v případě Saturnu, ale výkonnější dalekohledy je dokážou zobrazit ve vysokém rozlišení. Sklon rotační osy Uranu nám je navíc umožňuje vidět hezky shora. Složením se podobají prstencům Saturnu, mimo vodní led bychom v nich ovšem našli rovněž organické sloučeniny.
Také Neptun obklopuje systém prstenců. Nejsou tak znatelné jako v případě Saturnu a Uranu, takže v kombinaci s ohromnou vzdáleností není divu, že je astronomové spatřili teprve před čtyřiceti lety. Jejich pozorování neusnadňuje ani fakt, že se skládají převážně z málo odrazivých organických sloučenin.
Na základě všech uvedených informací se tedy zdá, že prstence tvoří častý „doplněk“ plynných obrů. U Jupitera však jako by dané tvrzení neplatilo. Prstence u něj sice najdeme také, ale jsou mnohem hůř rozlišitelné než u zbylých oběžnic. Až do průletu Voyageru 1 v roce 1979 neměli vědci o jejich existenci tušení, přičemž je nezaznamenaly ani sondy Pioneer 10 a 11, které se k planetě dostaly o několik let dřív.
Nenápadný přízrak
Jupiterovy prstence lze rozdělit na tři oblasti. První z nich se označuje jako hlavní prstenec, začíná asi 50 000 km nad svrchní vrstvou atmosféry planety a na šířku měří přibližně 6 500 km. Předpokládá se, že se útvar zformoval z prachu dvou malých měsíčků Adrastea a Metis. Ty totiž kolem plynného obra krouží ve stejné oblasti, kde se rozkládá hlavní prstenec. Jeho tloušťku je přitom obtížné určit: Záleží, odkud se na něj díváme a jak se od jeho prachových částic odráží sluneční světlo. Může se však jednat až o několik desítek kilometrů. Zároveň připomeňme, že navzdory zdánlivě velké oblasti, kterou prstenec zaujímá, obsahuje velmi málo materiálu.
Tvar druhé oblasti prstenců, nazývané halo, můžeme přirovnat k donutu. Její vnitřní hranice leží pouhých 20 000 km nad horní vrstvou Jupiterovy atmosféry, zatímco vnější hranice celkem přesně kopíruje vnitřní linii hlavního prstence, asi 50 000 km nad atmosférou. V porovnání s ním je však halo mnohem tlustší a sahá až 27 000 km nad rovinu ostatních prstenců. Utvářejí ho prachové částice o rozměrech v řádech miliontin metru, takže je již zásadně ovlivňuje elektromagnetická síla a nejspíš je vytlačuje nejdál od roviny ostatních prstenců.
Dva tzv. Gosammerovy prstence se pak rozprostírají až do vzdálenosti 150 000 km od svrchní atmosféry, jejich tloušťka může dosahovat řádově tisíců kilometrů a mají podobný původ jako hlavní prstenec: Tvoří je prach z měsíců Thebe a Amalthea, které jsou však podstatně větší než souputníci Adrastea a Metis v případě hlavního prstence – dosahují průměru 50 km, respektive 80 km. Prach je z Gosammerových prstenců neustále vytlačován, a naopak z měsíců se do nich uvolňuje nový. Popsaný koloběh zároveň představuje důvod, proč zřejmě nikdy nebudou výraznější než nyní.
Od dob Voyageru 1 už Jupiterovy prstence pozorovala řada pozemních i vesmírných observatoří. Největší podíl na jejich výzkumu si připsaly Keckovy dalekohledy na havajské sopce Mauna Kea a Hubbleův kosmický teleskop. Před dvěma lety je zachytil rovněž Webbův dalekohled, ale zajímala se o ně také sonda Galileo, která soustavu Jupitera zkoumala celých osm let. Na své pouti k Saturnu spatřil prstence Jupitera rovněž automat Cassini a cestou k Plutu pak i sonda New Horizons. Víc o jejich původu nám však prozradily až superpočítačové simulace.
Zjevný nesoulad
Jupiter je o 15 % větší a třikrát hmotnější než Saturn, přičemž dokonce překonává souhrnnou hmotnost všech zbylých planet naší soustavy. Astronomové by u něj proto očekávali ještě výraznější prstence než u Saturnu. Právě značná hmotnost by mu totiž měla umožnit shromáždit ve svém okolí velké množství materiálu, z něhož by se mohly utvořit. Proč Jupiter takové prstence nemá, je tedy zdánlivě přímočarý dotaz. Přesto se o daný problém dlouho nikdo příliš nezajímal. Nedávno nicméně zmíněnou otázku nastolil planetární astrofyzik Stephen Kane z University of California v Riverside. On a jeho kolega Zhexing Li vypracovali studii, jež si neklade za úkol nic menšího než ožehavý problém objasnit.
Ke známým mechanismům tvorby prstenců patří impakty menších těles. V minulosti, kdy se ve Sluneční soustavě nacházelo mnohem víc volného materiálu než nyní, přitahoval Jupiter právě takováto tělesa ve velkém, a díky své hmotnosti dokonce podstatně víc než Saturn. Přestože tedy dnes zřetelné prstence nemá, nelze vyloučit, že v minulosti panovala jiná situace. Astronomové si totiž stále nejsou úplně jistí, o jak trvalou strukturu se jedná. Je docela dobře možné, že se prstence v průběhu stamilionů let u planet postupně objevují a opětovně mizí. Dané hypotéze nahrává i nedávná práce založená na datech sondy Cassini, podle níž ozdoba Saturnu existuje pouhých 400 milionů let, kdežto celkové stáří planety dosahuje asi 4,5 miliardy roků.
Jedna z hypotéz vysvětlujících, proč nyní u Jupitera podobně výrazné útvary nepozorujeme, hovoří o velikosti částic. Zatímco jeho prstence tvoří prachové částice o velikosti v řádech miliontin metru, v případě Saturnu jde o mnohem větší kusy ledu, které jsou tedy i hmotnější a víc ovlivňované gravitační silou. Malé částice, u nichž začíná hrát roli síla elektromagnetická, tudíž nemusí gravitace v blízkosti planety udržet. Další teorie staví na prostém nedostatku materiálu v okolí Jupitera.
Saturnovy prstence formuje z 98 % vodní led, nicméně v těch Jupiterových se nevyskytuje vůbec. Je tedy možné, že u „krále planet“ zkrátka nebyl ledu dostatek? I vzhledem k existenci jeho ledových měsíců zůstává bohužel taková hypotéza nepravděpodobná. Vědci z Riverside se proto rozhodli zkusit jiný přístup a využít simulace na superpočítačích – což je dovedlo k dosud nejlepšímu řešení popsané záhady.
Cesta do minulosti
Kane a Li prováděli simulaci tzv. problému N těles. Konkrétně pak simulovali systém Jupitera a jeho čtyř největších průvodců neboli Ganymedu, Io, Kallisto a Europy. Všechny ostatní z 95 potvrzených měsíců planety jsou totiž příliš malé, než aby pohyb dalších těles zásadně ovlivňovaly. Později vědci do simulace přidali zrnka prachu a s napětím očekávali, jak se budou v soustavě chovat v časovém rozmezí deseti milionů let.
Ukázalo se, že se kolem planety skutečně utvářely výraznější prstence. Gravitační síla Europy, Ganymedu a Io, které Jupiter obíhají ve vzdálenosti 15–29násobku jeho poloměru, však vytlačila takřka všechny částice z prostoru odpovídajícího 3–29 poloměrům planety. Měsíce tak zmíněné prstence soustavně ničily po celou dobu jejich formování. K podobnému efektu docházelo i u Saturnu, ale v mnohem menší míře.
U Saturnu se již podařilo potvrdit neuvěřitelných 146 měsíců, ale kromě Titanu nejsou tak velké. Přesto mohou způsobovat vyvrhování ledu z tamních prstenců. Vedle toho ovlivňuje ikonickou ozdobu i magnetické pole planety a někteří planetologové se domnívají, že do 300 milionů let prstence úplně zaniknou. Jupiter je však kvůli popsaným efektům neměl zřejmě nikdy. Jak ukázala simulace, většina využitelného materiálu byla z okolí planety vytlačena za pouhý milion let a po deseti milionech roků už nezbyl téměř žádný. A jelikož největší měsíce provázejí Jupiter nejspíš po většinu jeho existence, významnější prstence pravděpodobně nedostaly ke zformování potřebný čas.
Nepříjemná souhra
V porovnání se Saturnem hraje přitom v Jupiterův neprospěch souhra hned několika faktorů: Nejenže jsou měsíce Ganymed, Europa a Io velmi hmotné, ale navíc kolem planety krouží v tzv. Laplaceově rezonanci, a jejich oběžné doby tedy navzájem tvoří celočíselné násobky. Ganymedu tak trvá jeden oběh Jupitera dvakrát déle než Europě a té zas dvakrát déle než souputníkovi Io. Výsledkem se stávají ještě silnější gravitační účinky působící na částice prstenců než při odlišných oběžných periodách. Naopak v soustavě Saturnu vyznívají zjevně všechny podobné faktory ve prospěch zmíněných útvarů: Planetu neprovází příliš mnoho hmotných měsíců, nenacházejí se v orbitální rezonanci a gravitace plynného obra dokáže udržet vodní led v místech, kde se z něj mohou prstence formovat.
V budoucnu hodlají autoři studie provést podobnou simulaci s Uranem, s nímž se pojí další dlouho nevyřešená otázka. Jeho rotační osa se totiž nezvykle sklání vůči rovině oběhu kolem Slunce, konkrétně o celých 98° – zatímco například v případě Země se jedná o 23,5°. Ledový gigant se tak na své pouti okolo centrální hvězdy vlastně „kutálí“ na boku. Astronomové se domnívají, že k takovému vychýlení osy mohlo dojít v důsledku dávné gigantické srážky s jiným tělesem. Při uvedené události pak mohly vzniknout právě i prstence, a díky jejich studiu chtějí tudíž vědci zjistit víc rovněž o původu a formování planety.
Popsaná studie každopádně potvrdila, že přítomnost prstenců závisí na mnoha faktorech a velká hmotnost planety může oproti očekávání znamenat spíš překážku. V souvislosti s tím nám daná práce také přiblížila historii Jupitera a poukázala na potenciál studia prstenců při odhalování vývoje samotných planet. Nové poznatky by se pak daly v budoucnu uplatnit rovněž u oběžnic za hranicemi Sluneční soustavy.
Prstenec Země?
Prstence možná nemusejí představovat výsadu plynných obrů. Geologové totiž zjistili, že se v blízkosti zemského rovníku nachází podezřele mnoho impaktních kráterů starých přibližně 470 milionů let. Přivedlo je to k myšlence, že v uvedené době také naši planetu po několik desítek milionů roků obklopoval prstenec, podobný snad i tomu Saturnovu. Země nejspíš nejprve zachytila nějaký prolétající asteroid, načež jej roztrhaly slapové síly. Z materiálu se poté zformoval prstenec, postupně ovšem zanikl a jeho pozůstatky dopadly na povrch v podobě meteoritů. Popsaná událost mohla dokonce přispět k tehdejšímu rapidnímu ochlazení planety.
