Планетне кільце — диск або тор, що обертається навколо астрономічного об'єкта та складається з численних твердих частинок, таких як пилові частинки, метеороїди, малі планети, супутники.

Структуру, подібну до планетних кілець, також мають інші астрофізичні об'єкти — кільцеподібні галактики, навколозоряні диски, поясами малих планет (такі як пояс астероїдів або пояс Койпера), гіпотетичні диски навколо супутників або коричневих карликів.

У Сонячній системі всі чотири планети-гіганти (Юпітер, Сатурн, Уран і Нептун) мають системи кілець, але система кілець Сатурна є найбільшою та найпомітнішою з чотирьох. Методом покриттів також вдалося виявити системи кілець навколо малих планет. Деякі дослідження припускають, що Земля могла мати систему кілець у середині та в кінці ордовицького періоду.

Історія

Кільця Сатурна вперше побачив Галілей 1610 року, невдовзі після того, як він уперше застосував телескоп для астрономічних спостережень. Втім його слабкий телескоп не дозволяв чітко побачити кільця, і Галілею здалося, що він спостерігає Сатурн потрійним. Щоб закріпити свій пріоритет, але не скомпрометувати себе хибним відкриттям, Галілей повідомивши своє відкриття за допомогою анаграми: він описав відкриття короткою фразою «Я спостерігав, що найдальша планета має потрійну форму» () й перемішав у ній літери, опублікувавши лише беззмістовне на перший погляд послідовність літер «smaismrmil­mepoeta­leumibu­nenugt­tauiras». 1612 року Сатурн повернувся ребром і кільця зникли, змусивши Галілея замислитися, чи Сатурн не з'їв своїх дітей, але 1614 року Хрістоф Шайнер знову побачив Сатурн як «гілку зір», а 1616 — і сам Галілей. У 1630—1660 роках прояви кілець Сатурна спостерігали П'єр Ґассенді, , Джованні Батіста Річчолі, Ян Гевелій.

Християн Гюйгенс, найкращий на той час майстер з виготовлення телескопів, незабаром після відкриття Титана у 1655 році збагнув геометрію кілець Сатурна. Він також спочатку опублікував своє відкриття у формі анаграми «» Huygens' logogriph appears in the reproduction of a letter by him (De Saturni Luna (On Saturn's moon)), at the bottom of p. 63 of the Liber Secundus de Conspiciliis ... [Book Two, On [early] Telescopes ... ], in which the pages are numbered separately from those in the first book., перемішавши літери у фразі «Оточений кільцем тонким, плоским, яке ніде не торкається, до екліптики нахиленим» (). Він описав кільця у праці «Система Сатурна» (1659), правильно передбачивши наступні моменти зникнення кілець.

1664 року розділив кільця Сатурна на зовнішнє темне кільце A і внутрішнє яскравіше кільце B, а 1675 року Джованні Доменіко Кассіні відкрив щілину Кассіні між цими кільцями. З часом спостерігачам вдавалося побачити все складніші деталі: інші кільця, щілини, смуги тощо. Тим часом у першій половині XVIII століття теоретики розглядали кілька гіпотез про природу кілець: велика кількість дрібних супутників Сатурна (Жак Кассіні), хвости захоплених Сатурном комет (Мопертюї), залишки від стиснення Сатурна (Меран), матерія, відділена від Сатурна під впливом відцентрової сили (Бюффон). У «Загальній природній історії і теорії неба» (1755) Іммануїл Кант правильно припустив, що кільця складаються з окремих частинок, що рухаються кеплерівськими орбітами навколо Сатурна, і на основі цього передбачив, що кільця мають складатися з тонких підкілець.

П'єр-Сімон Лаплас у праці 1796 року наполягав, що кільця Сатурна складаються з окремих твердих кілець. 1848 року Едуар Рош порахував межу Роша, на якій супутник руйнується припливними силами планети, і припустив, що кільця утворилися в результаті припливного руйнування великого супутника Сатурна. 1859 року молодий Джеймс Клерк Максвелл опублікував статтю, в якій вперше розглянув колективні ефекти для частинок в кільцях Сатурна, дослідив їхню стійкість і довів, що вони складаються з окремих частинок. Ця стаття принесла йому Кембриджського університету. 1895 року Деландр в Паризькій обсерваторії, Кілер в Лікській обсерваторії й Бєлопольський в Пулковській обсерваторії, вимірявши ефект Доплера, показали, що обертання кілець узгоджується з законом Кеплера, підтвердивши цим, що кільця складені з окремих частинок — гіпотезу, висунуту ще Жаком Кассіні.

У XX столітті Мар Бобров в СРСР зробив перші надійні оцінки кількості й розмірів частинок в кільцях Сатурна. Спостереження кілець Сатурна під час проходження Землі через їхню площину в 1966 році, виконані в Абастумані і на , дозволили вперше виміряти їхню товщину — від 1 до 3 км. 1970 року Джерард Койпер, та Уве Фінк за допомогою інфрачервоної спектроскопії визначили, що кільця Сатурна складаються з льоду. Того ж 1970 року вийшла перша книга, присвячена планетним кільцям — «Кільця Сатурна» Мара Боброва. До початку дослідження кілець космічними апаратами в 1977 році поступово стала усталеною теоретична модель кілець як плоских конгломератів майже невзаємодіючих між собою дрібних супутників планети.

10 березня 1977 обсерваторія Койпера на літаку Боїнг, спостерігаючи покриття Ураном зорі з метою дослідження властивостей його атмосфери, несподівано зареєструвала 9 затемнень зорі перед (і після) основного покриття, що дозволило відкрити тонкі темні кільця Урана. 4 березня 1979 року американська автоматична міжпланетна станція Вояджер-1, пролітаючи повз Юпітер, вперше сфотографувала його напівпрозорі кільця. Незабаром кільця Сатурна зблизька дослідили космічні апарати Піонер-11 (жовтень 1979), Вояджер-1 (листопад 1980) і Вояджер-2 (серпень 1981), виявивши їхню складну структуру з ієрархічним поділом на тонші кільця (і тим підтвердивши передбачення Канта 1755 року). У середині 1980-х років відкрили кільця Нептуна, які не були повними замкнутими кільцями, а складалися з окремих незамкнутих дуг. У січні 1986 року Вояджер-2 дослідив систему кілець Урана, а в серпні 1989 — Нептуна, в обох випадках не виявивши супутників-пастухів, які за популярними на той час теоретичними моделями мали пояснювати спостережувану структуру цих кілець.

Утворення Запропоновано три основні механізми утворення щільних планетних кілець: з матеріалу протопланетного диска, який перебував всередині межі Роша й тому не міг злипнутися в супутники; з уламків супутника, зруйнованого потужним зіткненням; або з уламків супутника, який розірвали припливні сили, коли він опинився всередині межі Роша планети. Раніше вважали, що більшість кілець нестійкі й розсіюються протягом десятків або сотень мільйонів років, але тепер з'явилися свідчення, що кільця Сатурна можуть бути дуже давніми й походити ще з ранніх етапів існування Сонячної системи.

Розріджені планетні кільця можуть утворюватися внаслідок ударів метеороїдів по супутниках, що обертаються навколо планети, або — у випадку E-кільця Сатурна — з викидів кріовулканічного матеріалу.

Системи кілець можуть формуватися й навколо кентаврів, якщо під час близького проходження повз планету-гігант (на відстані 0,4–0,8 межі Роша) вони зазнають руйнування під дією припливних сил. Для диференційованого тіла, що наближається до планети-гіганта з початковою відносною швидкістю 3–6 км/с і початковим періодом обертання 8 годин, масу утворених кілець оцінюють у 0,1–10 % маси кентавра. Утворення кілець із недиференційованого тіла менш імовірне. Кільця мають складатися переважно або повністю з матеріалу крижаної мантії батьківського тіла. Після утворення кільце поступово розширюється в радіальному напрямку, що призводить до формування супутників із тієї його частини, яка виходить за межу Роша кентавра. Супутники можуть утворюватися і безпосередньо зі зруйнованої крижаної мантії. Цей механізм передбачає, що приблизно 10 % кентаврів пережили близькі зближення з планетами-гігантами, які потенційно могли призвести до утворення кілець.

Фізика планетних кілець

Склад частинок у планетних кільцях різноманітний — від силікатів до крижаного пилу. У кільцях можуть траплятися й досить великі камені та брили. Так 2007 року в кільцях Сатурна виявили припливні ефекти від восьми невеликих супутників розміром лише кілька сотень метрів. Максимальний розмір частинок у кільці визначається питомою міцністю матеріалу, з якого вони складаються, його густиною та припливною силою на відповідній відстані від планети. Припливна сила пропорційна середній густині всередині радіуса кільця, тобто масі планети, поділеній на куб радіуса кільця.

На деякі планетні кільця впливають супутники-пастухи — невеликі супутники, що обертаються поблизу внутрішніх або зовнішніх країв кільця чи в проміжках між кільцями. Гравітація таких супутників підтримує чітко окреслений край кільця: матеріал, що наближається до орбіти супутника-пастуха, або відхиляється назад у кільце, або викидається із системи, або ж акумулюється на самому супутнику.

Окремі приклади

Юпітер

Систему кілець Юпітера відкрили третьою: її вперше зафіксував зонд «Вояджер-1» у 1979 році, а детальніше дослідив орбітальний апарат «Галілео» у 1990-х роках. Вона має чотири основні складові: слабке товсте тороподібне кільце, відоме як «гало»; тонке, відносно яскраве головне кільце; а також два широкі слабкі кільця. Система складається переважно з пилу.

Сатурн

Кільця Сатурна — найрозвиненіша система кілець серед усіх планет Сонячної системи, тому про їх існування відомо вже давно. Галілео Галілей уперше спостеріг їх у 1610 році, але лише Християн Гюйгенс у 1655 році правильно описав їх як диск навколо Сатурна. Кільця утворюють диск зі змінною густиною. Вони складаються переважно з водяного льоду з незначними домішками гірських порід, а розміри частинок варіюються від мікрометрів до метрів.

Уран

Система кілець Урана за складністю займає проміжне місце між розвиненою системою кілець Сатурна та простішими системами кілець навколо Юпітера і Нептуна. Її відкрили 1977 року Джеймс Елліотт, Едвард Данем і . У період між відкриттям і 2005 роком спостереження апарата «Вояджер-2» та космічного телескопа «Габбл» дозволили виявити загалом 13 окремих кілець, більшість із яких є непрозорими й мають ширину лише кілька кілометрів. Вони, імовірно, складаються з водяного льоду та деякої кількості оброблених випромінюванням органічних речовин. Відносний дефіцит пилу пояснюється аеродинамічним опором з боку протяжної екзосфери Урана.

Нептун

Система кілець навколо Нептуна складається з п'яти основних кілець, які у своїх найщільніших ділянках можна порівняти з ділянками малої густини кілець Сатурна. Проте їхня структура значно більше нагадує кільця Юпітера. Дуже темна речовина, з якої складаються кільця, імовірно є органічними сполуками, переробленими випромінюванням, подібно до кілець Урана. Від 20 % до 70 % маси кілець становить пил, що є відносно великою часткою. Натяки на існування кілець спостерігали протягом десятиліть до їх остаточного відкриття апаратом «Вояджер-2» у 1989 році.

Доісторичні кільця Землі

Дослідження 2024 року припускає, що Земля могла мати систему кілець протягом приблизно 40 мільйонів років, починаючи із середини ордовицького періоду (близько 466 мільйонів років тому). Це кільце могло виникнути з великого астероїда, який у той час пройшов поблизу Землі. Земна гравітація відірвала від нього значну кількість уламків, що й утворили кільце. Свідченням цього можуть бути ударні кратери , які, як виявлено, утворюють характерну смугу поблизу тогочасного земного екватора. Таке кільце могло суттєво екранувати Землю від сонячного випромінювання і спричинити різке похолодання, що, ймовірно, призвело до  — найхолоднішого відомого періоду за останні 450 мільйонів років.

Майбутні кільця Марса Передбачається, що Фобос, супутник Марса, приблизно за 50 мільйонів років розпадеться або зіштовхнеться з Марсом й утворить планетне кільце. Зараз його низька орбіта з орбітальним періодом, коротшим за марсіанську добу, поступово зменшується через припливне тертя. Утворена тимчасова система кілець згодом може знову злипнутися в новий супутник — цикл, який, імовірно, уже повторювався кілька разів в історії Марса, як свідчать дослідження Північниого полярного басейну та орбіти Деймоса.

Харікло