Долгое время кольца в астрономии связывали исключительно с планетами-гигантами Солнечной системы — Юпитером, Сатурном, Ураном и Нептуном. Однако в 2013 году ситуация изменилась: специалисты обнаружили два плотных кольца вокруг Харикло — небольшого объекта диаметром около 250 километров, который обращается между Сатурном и Ураном, примерно в 17 раз дальше от Солнца, чем Земля.
Новые наблюдения космического телескопа имени Джеймса Уэбба (JWST) показали, что эти кольца не так стабильны, как считалось ранее. Исследование, опубликованное в журнале Science Advances под руководством Института астрофизики Андалусии (IAA-CSIC), впервые подтверждает, что система колец Харикло изменилась всего за несколько лет.
Ключевое наблюдение состоялось 18 октября 2022 года: учёные с помощью JWST следили за тем, как Харикло проходит на фоне далёкой звезды. Такое событие, называемое звёздным покрытием, позволяет изучать объекты, которые слишком малы или удалены для прямых снимков. Когда Харикло и его кольца пересекали диск звезды, они на короткое время перекрывали часть её света, что приводило к измеримым падениям яркости.
Исследователи сравнили данные JWST с более ранними наблюдениями звёздных покрытий, собранными за предыдущее десятилетие. Сопоставление выявило, что два кольца Харикло изменились по-разному. «Сравнивая наблюдения JWST с данными других звёздных покрытий за последнее десятилетие, мы обнаружили противоположные изменения в двух кольцах: внутреннее кольцо демонстрирует значительно более высокую непрозрачность, а внешнее — более низкую», — поясняет Пабло Сантос-Санс, исследователь IAA-CSIC, возглавляющий работу. Иными словами, внутреннее кольцо теперь блокирует больше света, чем прежде, а внешнее — меньше. Этот неожиданный контраст говорит о том, что кольца Харикло представляют собой активные, эволюционирующие структуры, на которые влияют физические процессы, возможно, более сложные, чем предполагалось.
Наблюдение стало и технологической вехой: впервые звёздное покрытие было специально предсказано и запланировано для JWST, а затем успешно проведено с помощью космического телескопа. Для этого требовалась исключительная точность — учёным нужны были высокоточные сведения об орбите Харикло, положении фоновой звезды и собственном движении JWST в пространстве. «Для этого требовалось с необычайной точностью знать орбиту Харикло, положение звезды — благодаря миссии Gaia Европейского космического агентства — и траекторию самого JWST вокруг точки Лагранжа L2, области космоса примерно в 1,5 миллиона километров за Землёй, в стороне от Солнца. JWST движется по орбите вокруг этой области, что требует периодических корректировок с помощью манёвров удержания», — отмечает Юджель Кылыч, постдокторант IAA-CSIC и соавтор исследования.
Во время покрытия Харикло двигался относительно JWST со скоростью всего 2,5 километра в секунду. Это необычно медленное относительное движение дало исследователям исключительно детальную пространственную информацию о структуре колец. Прямая съёмка невозможна: Харикло чрезвычайно удалён, а его кольца настолько узки, что даже JWST и крупнейшие наземные телескопы не могут различить их на изображении. Звёздные покрытия позволяют обойти это ограничение, используя далёкую звезду в качестве подсветки. Каждый раз, когда одно из колец пересекает звезду, количество звёздного света ненадолго уменьшается, что позволяет астрономам измерить свойства кольца, которые иначе остались бы скрытыми.
Ранее учёные в целом считали кольца вокруг малых тел Солнечной системы относительно стабильными структурами. Теперь Харикло даёт основания пересмотреть это предположение. Изменения, замеченные всего за несколько лет, указывают на то, что такие кольцевые системы могут эволюционировать на удивительно коротких временных отрезках. «Наши результаты заставляют нас переосмыслить, как они формируются, как эволюционируют и какие механизмы поддерживают их стабильность. Способность обнаруживать эти изменения открывает новое окно для понимания эволюции таких систем и, возможно, других кольцевых систем в Солнечной системе», — говорит Сантос-Санс. Что именно вызвало видимые перемены, остаётся неясным. Они могут отражать подлинную эволюцию внутри колец Харикло, различия, вызванные фильтрами, использованными при разных наблюдениях, или сочетание обоих факторов. Институт астрофизики Андалусии (IAA-CSIC) руководил всеми ключевыми этапами исследования, включая научное проектирование проекта, предсказание покрытия Харикло, наблюдавшегося JWST, анализ полученных данных и интерпретацию задействованных физических процессов. Команда IAA-CSIC также сыграла центральную роль в моделировании колец и статистическом анализе, подтвердившем реальность наблюдаемых изменений. В работе участвовали исследователи из Испании, Бразилии, Франции, Венгрии и США. Показав, что кажущиеся стабильными кольца Харикло могут меняться всего за несколько лет, наблюдения дают астрономам новый способ изучать, как кольцевые системы вокруг малых миров формируются, эволюционируют и сохраняются с течением времени.