Існує 3 основних кільця, названих індексами A, B і C. Вони помітні без особливих проблем із Землі. Є і більш слабкі кільця – D, E, F. При детальному огляді у великому розширенні – кілець виявляється безліч. Між кільцями існують щілини, де немає часток. Ту щілину, яку можна побачити в середній телескоп із Землі (між кільцями А і В), названо щілиною Кассіні. У ясні ночі можна побачити навіть менш помітні щілини. Внутрішні частини кілець обертаються швидше за зовнішні.

Ширина кілець сягає 400 тис. км, однак їхня товщина не перевищує кількох десятків метрів. Крізь кільця можна побачити зірки, хоча їхнє світло при цьому помітно слабшає. Всі кільця складаються з окремих шматків криги різних розмірів: від пилинок до кількох метрів в поперечнику. Ці частинки рухаються з практично однаковими швидкостями (близько 10 км/с, їх швидкості так добре врівноважені, що сусідні частинки видаються нерухомими по відношенню одна до одної), й лише іноді відбуваються зіткнення між ними. Під дією супутників кільце трохи вигинається, перестаючи бути плоским: видно тіні від Сонця. Та все ж таки частинки повільно переміщаються в різних напрямках – зі швидкістю 1–2 мм/с.

Зовнішній вигляд кілець змінюється рік від року. Це обумовлено нахилом площини кілець до площини орбіти планети. Площина кілець нахилена до орбітальної площини на 26°. Саме тому протягом року ми бачимо їх максимально широкими, після чого їх видима ширина зменшується, і, приблизно через 15 років, вони перетворюються в ледь помітну риску. У 1610 році Галілео Галілей вперше побачив в телескоп кільця Сатурна, але не зрозумів, що це таке, тому записав, що Сатурн складається з окремих частин.

У липні 1610 р Галілео Галілей опублікував зашифроване повідомлення такого змісту: «…найвіддаленішу з планет спостерігав потрійну». «Найвіддаленішою з планет» в той час вважали Сатурн, а його кільця виглядали в телескопі Галілея двома туманними плямами обабіч планети.

Через півстоліття Християн Гюйгенс повідомив про наявність у Сатурна кільця, а в 1675 року Кассіні виявив між кільцями щілину.

Кільця Сатурна постійно тривожили уяву дослідників своєю унікальною формою. Кант першим передбачив існування тонкої структури кілець Сатурна. Користуючись своєю моделлю протопланетної хмари, він уявляв собі кільце у вигляді плоского диска з частинок що зіштовхуються й диференційно обертаються навколо планети за законом Кеплера. Саме диференціальне обертання, згідно Канту, є причиною розшарування диска на серію тонких кілець. Пізніше Симон Лаплас довів нестійкість твердого широкого кільця. В середині дев’ятнадцятого століття астрономи виявили десять кілець навколо Сатурна. Видатний внесок у дослідження стійкості кілець Сатурна вніс Джеймс Максвелл, який отримав премію Адамса за працю, в якій показав, що такі вузькі кільця також нестійкі і будуть падати на планету. І хоча твердження Maксвелла про падіння гіпотетичного суцільного крижаного кільця на планету було неправильним (таке кільце набагато раніше має розвалитися на шматки), висновок з нього – метеорна будова кілець Сатурна – виявилася вірною. Так, до кінця XIX століття гіпотеза метеорної будови кілець Сатурна, висловлена вперше Жаном Кассіні, отримала теоретичне, а в 1893 році – і підтвердження внаслідок телескопічних спостережень. Протягом XX століття відбувалося поступове накопичення нових даних про планетні кільця: отримані оцінки розмірів і концентрації частинок в кільцях Сатурна, спектральним аналізом встановлено, що кільця – крижані, відкрито загадкове явище азимутальної зміни яскравості кілець Сатурна.

Протягом 29,5 років із Землі кільця Сатурна двічі видно в максимальному розкритті і двічі настають періоди, коли Сонце і Земля знаходяться в площині кілець, і тоді кільця або висвітлюються Сонцем «з ребра», або для земного спостерігача їх видно «з ребра». У цей період кільця практично не видно, що свідчить про їхню надто малу товщину. Різні дослідники, ґрунтуючись на візуальних і фотометричних спостереженнях і їх теоретичній обробці, приходять до висновку, що середня товщина кілець становить від 10 см до 10 км. Звичайно, кільце такої товщини побачити із Землі «з ребра» неможливо.

Відповідно до законів Кеплера частки на різних радіусах кільця рухаються з різною швидікістю: чим ближче до планети, тим швидше. У найбільш щільному кільці є область, де частки обертаються з періодом 10,5 год., тобто з тією ж кутовою швидкістю, з якою обертається і сам Сатурн. Це означає, що відносно поверхні планети вони залишаються нерухомими.

Про що дізналися «Вояджери»?

Уже перші знімки кілець, передані АМС «Вояджер-1», показали невеликі колірні варіації в кільцях, щілину в кільці С, наявність речовини в щілині Кассіні і зміни в розподілі і яскравості речовини в кільцях С і В. Найбільш цікавими деталями на перших знімках були «спиці» – радіальні темні утворення, що перетинають деякі ділянки яскравого кільця В. Іноді «спиці» спостерігалися протягом декількох годин, хоча внутрішній край кільця біля основи «спиці» обертається навколо планети з більшою швидкістю, ніж зовнішній край поблизу вершини «спиці», і ці утворення мали б були зруйнуватися.

Пізніше були отримані знімки «спиць» при розсіюванні сонячного світла вперед. На цих знімках області «спиць» світлі, а не темні, як на перших знімках, зроблених при розсіюванні світла назад. Це дозволило припустити, що області «спиць» містять дуже дрібні пилоподібні частки. Область, де спостерігаються «спиці», перекриває зону кільця, що обертається навколо Сатурна з такою ж швидкістю, як його магнітне поле. Це, на думку деяких вчених, може пояснити стійкість «спиць», незважаючи на різну швидкість руху частинок. Вчені припустили, що в результаті взаємодії з цими дрібними частинками електростатичних сил, може відбуватися їхня концентрація в окремих областях, а також призводити до локальних здіймань над площиною кілець. Якщо кільце заряджене, частки в ньому повинні відштовхуватися одна від одної, проте сили гравітації утримують їх в кільці. Для великих частинок сили гравітації більше сил відштовхування, і вони залишаються в кільці, для дрібних частинок сила відштовхування більша, і вони піднімаються над площиною кільця. Була висловлена гіпотеза, що магнітне поле планети впливає на заряджені дрібні частинки, що знаходяться над кільцем В, «вибудовуючи їх подібно до залізної стружки» або змушуючи злипатися. Ще одна гіпотеза пояснює існування «спиць» хвильовими явищами навколо кільця, що впливають на дрібні частинки, які знаходяться на шляху хвилі. Механізм, який зумовлює зарядженість кільця досі неясний. Пропонувалися гіпотези про те, що цей процес відбувається під впливом атмосфери Сатурна або високоенергетичного ультрафіолетового випромінювання Сонця.

Знімки показали, що кожне з шести кілець Сатурна (D, С, В, A, F, Е – в порядку зростання відстані від планети), які спостерігалися раніше складаються з великої кількості вузьких кілець. Вважали, що після повної обробки знімків можуть нарахувати 500–1000 вузьких кілець. Кілька вузьких кілець було виявлено і в щілині Кассіні, яку раніше вважали простором, відносно вільним від речовини.

Зйомка при розсіюванні світла вперед показала, що частки в кільцях мають розміри від декількох мікронів до декількох метрів. На підставі специфіки проходження радіосигналів АМС «Вояджер-1», через кільце С зроблено висновок, що розмір часток в ньому становить від 10 см до 10 м, причому на кожну частку розміром 10 м припадає приблизно 1000 частинок розміром 1 м і приблизно мільйон дрібних частинок. Дрібні частинки, мабуть, складаються з льоду, а більші – зі снігу з включеннями льоду. Пізніше повідомлялося, що, за даними радіозондування, середній розмір частинок в кільці С – 1 м, а деякі досягають 10 м. При цьому зазначалося, що раніше припускали менший середній розмір частинок. Повідомлялося також, що завдяки радіозондуванню і вимірюванню в інфрачервоному діапазоні, встановлено, що частинки є шматками льоду або силікатами з крижаним покриттям. Все ж основна маса кілець складається з частинок метрових розмірів.

Час від часу можна спостерігати ефектне видовище – зіткнення двох великих часток. Ось дві брили розміром з крихітний будиночок починають повільно стикатися одна з одною, зрушуючи з поверхні цілі кучугури пухкого снігу. Їм не пощастило: вони не витримали взаємного тиску при ударі і повільно розвалилися на частини. Типова для кілець «катастрофа» при швидкості міліметр в секунду! Два залишку первинних тіл продовжують рух, а скинуті з них кучугури снігу, грудки і сніжний пил неспішно розлітається в різні боки, виблискуючи в променях далекого Сонця. Через кілька днів «постраждалі» частинки знову виростуть, піймавши і поглинувши величезну кількість дрібніших сніжинок в кільцях.

Кільце С – найменш яскраве з трьох «класичних» кілець (А, В і С). Мабуть, там речовина більш розосереджена. Найяскравішим є кільце В, де повинна бути найбільша щільність речовини. У кільці В частинки розташовані так щільноо, що, залетівши всередину, ми б втратили з поля зору зірки.

Крім класичних кілець на знімках, переданих АМС «Вояджер-1», видно найближче до планети кільце D. Припускають, що воно утворено речовиною, яке проникло через бар’єр, що формує внутрішній край кільця С.

Кільце F, судячи зі знімків, може мати дещо еліптичну форму: деякі ділянки цього тонкого кільця розташовані ближче до планети, ніж інші. Це кільце, мабуть, утворено двома, а можливо, і трьома вільно переплетеними «пасмами». Вчені не можуть пояснити це явище. Згідно з однією гіпотезою, оскільки кільце F складається з пилоподібних частинок, вони можуть набути електричного заряду від сонячного світла або від частинок сонячного походження і отримати властивості мініатюрних електромагнітів. У цьому випадку їхня взаємодія з магнітним полем Сатурна здатна привести до переплетення кілець. Навколо кільця F виявлені згустки речовини. Один такий був настільки щільним, що його спочатку прийняли за супутник. Подальший аналіз показав, що це область концентрації речовини з розмірами від 100 до 200 км. Висловлювалося припущення, що більш широка частина цього згустку в якійсь мірі контролюється супутниками S-13 і S-14 або що згусток містить велике тіло, від якого відколюються шматки в результаті зіткнень, і саме тому в даній області спостерігається збільшена щільність речовини. Згустки, мабуть, рухаються по орбіті навколо Сатурна. Припускають, що згадані супутники S-13 і S-14, які розташовані по обидва боки кільця F, контролюють рух частинок в цьому кільці.

Зйомка кілець при розсіюванні світла вперед виявила ще одне кільце, якому попередньо присвоєно позначення G. Орбітальний радіус кільця G 150000 км. Вважають, що воно знаходиться поблизу орбіт «коорбітальних» супутників S-10 і S-11. Тінь, що спостерігалася на одному з цих супутників, можливо, відкидалася саме цим кільцем. На знімках видно також кільце Е, що можливо тягнеться на відстань до 480000 км від планети.

Взагалі система кілець, мабуть, є відносно стабільним явищем для Сатурна. На відміну від нього, кільце Юпітера, як вважають, являє собою динамічну систему, яка постійно саморегулюється, але має обмежену тривалість існування. Кільце Юпітера, мабуть, існує завдяки тому, що якісь тіла безперервно підживлюють кільце речовиною або ж в самому кільці є невиявлені тіла, які генерують частки. Що ж стосується кілець Урана, то про них відомо відносно мало.

Походження кілець Сатурна

Довгий час вважалося, що до Сатурна наблизився необережний супутник, який був розірваний його приливними силами «на шматки». Але дані «Вояджер» спростували цю поширену думку. Зараз встановлено, що кільця Сатурна (й інших планет теж) представляють собою залишки величезної навколопланетної хмари протяжністю в один мільйон кілометрів.

Із зовнішніх областей цієї хмари сформувалися супутники, а у внутрішній утворення супутників було «припинено». Оскільки швидкості взаємних зіткнень ростуть при наближенні до планети, біля кожної планети є область, де частинки, досягнувши певних розмірів, починають розвалюватися від взаємних зіткнень. Мільярди років зіткнень – і 10-метрові частки дійшли до такого пухкого стану, що розсипаються від найменшого поштовху на швидкості всього кількох мм/с. Будь-яка велика частка за кілька днів або тижнів проходить повний цикл від руйнування до відновлення.

Ця взаємна конкуренція, що не дає утворитися великим супутникам, слабшає в міру віддалення від планети, і на деякій відстані частина речовини перетворюється в супутники, а частина все ще перебуває в роздробленому стані – у вигляді кілець. До речі, кільця за час свого існування зробили вже трильйон оборотів – набагато більше, ніж супутники або планети по своїх орбітах. Сумарна маса крижаних кілець Сатурна порівнянна з масою його супутника Мімаса, радіус якого 200 км.

Чому кільця плоскі? Їх сплющування – це результат протиборства двох основних сил: гравітаційної та відцентрової. Гравітація прагне стиснути систему з усіх боків, а обертання перешкоджає стисненню поперек осі обертання, але не може перешкодити її сплющенню вздовж осі. Саме таке походження різних космічних дисків, включаючи і планетарні кільця.

Серед кілець Сатурна є вузькі потоки, що відхиляються від кругової орбіти. Краї деяких кілець із зазублинами, а самі вони колишуться під гравітаційним напором супутників, згинаючись і утворюючи хвилі. Спіральні хвилі, еліптичні кільця, дивні переплетення вузьких кілець… всі сюрпризи кілець важко перерахувати.