Các vành đai của Sao Thổ có thể là đặc điểm mang tính biểu tượng nhất trong Hệ Mặt trời và trong nhiều thập kỷ, các tàu thăm dò hành tinh khác nhau đã tiết lộ rất nhiều điều về các cấu trúc hấp dẫn này, bao gồm cả manh mối về cách chúng hình thành, cấu tạo của chúng và cách chúng có. thay đổi theo thời gian.
Các hành tinh khác có thể có các vành đai, nhưng không có vành đai nào ngoạn mục như của Sao Thổ. Galileo là người đầu tiên quan sát các vành đai của Sao Thổ vào năm 1610, nhưng ông không chắc mình đang nhìn thấy hai mặt trăng hay liệu Sao Thổ có tay cầm hay ‘tai’ hay không. Và tại sao họ dường như đến và đi hàng năm?
Năm 1656, Christiaan Huygens là người đầu tiên đề xuất rằng Sao Thổ có một vành đai không gắn với hành tinh này, và vào năm 1675, Giovanni Domenico Cassini đã xác định sự hình thành bao gồm một loạt các vành đai và khoảng trống, xác định các vành đai A và B và vành đai lớn nhất. gap, được đặt tên là Cassini Division theo tên ông.
Người ta cho rằng các vành đai là rắn hoặc lỏng, nhưng vào năm 1859, James Clerk Maxwell đã chứng minh rằng chúng được tạo thành từ các hạt và quay quanh Sao Thổ một cách độc lập.
Các vành đai chính đã được đặt tên theo thứ tự khám phá ra chúng; do đó, vành đai C được phát hiện vào năm 1850, vành đai D vào năm 1933 và vành đai E vào năm 1967. Vành đai Phoebe khuếch tán, được phát hiện vào năm 2009, kéo dài 6–16,2 triệu km tính từ Sao Thổ.
Từ trong ra ngoài, các cấu trúc chính trong các vành đai của Sao Thổ là:
Nhiều trong số này có các phân khu, khoảng trống, cấu trúc và mặt trăng riêng bên trong.
Tại sao các vành đai lại phẳng như vậy, rộng 250.000 km và chỉ dày vài chục mét? Câu trả lời nằm ở cách những chiếc nhẫn phát triển theo thời gian.
Khi mỗi hạt vành đai di chuyển quanh Sao Thổ, có nhiều va chạm giữa các hạt.
Hạt nào nằm trong quỹ đạo nghiêng thì xác suất va chạm với các phần tử khác cao hơn, và theo thời gian chúng sẽ bị đào thải.
Cuối cùng, hệ thống lắng xuống thành đĩa, để lại hệ thống vòng phẳng mà chúng ta thấy ngày nay.
Quá trình hình thành đĩa này không chỉ xảy ra ở các vành đai hành tinh mà còn ở những nơi khác trong Vũ trụ, chẳng hạn như trong các hệ mặt trời trẻ và các đĩa bao quanh các lỗ đen.
Khi ngày càng có nhiều hạt vòng lắng xuống đĩa, va chạm tăng lên và các thành viên giảm kích thước.
Chúng ta cũng nhìn thấy các hạt ngày càng nhỏ hơn do nhìn thấy nó qua kính thiên văn có độ phân giải cao hơn.
Cho đến nay, 4 sứ mệnh đã chạm trán gần với Sao Thổ. Pioneer 2 là người đầu tiên, đi ngang qua vào năm 1979 khi nó phát hiện ra vòng F rất hẹp.
Thông thường, sự va chạm giữa các hạt sẽ lan rộng vòng cả về phía trong và hướng ra ngoài của hành tinh để tạo ra một vòng khuếch tán rộng. Nhưng vành đai F bị giới hạn trong phạm vi hẹp do ảnh hưởng của hai mặt trăng chăn cừu, được gọi là Prometheus và Pandora.
Năm 1980, Du hành 1 đã xác định được vành đai G và năm sau, Du hành 2 đã phát hiện ra một số vành đai nhỏ hơn khi nó đi ngang qua.
Vào tháng 7 năm 2004, sứ mệnh Cassini bắt đầu chuyến thăm kéo dài 13 năm tới hành tinh này, khám phá ra nhiều mặt trăng và vòng tròn mới.
Các hạt trong các vòng bao gồm nước đá gần như tinh khiết; điều này làm cho chúng cực kỳ sáng. Suất phản chiếu của sao Thổ, lượng ánh sáng mà nó phản xạ, thay đổi từ –0,5 khi các vành đai ở cạnh đến +0,9 khi chúng mở hoàn toàn.
Các hạt có kích thước từ kích thước của hạt cát đến đường kính 10m trở lên. Tổng khối lượng của các vành đai bằng với mặt trăng Mimas của Sao Thổ.
Các khoảng trống không phải là những khoảng trống được xác định rõ ràng, mà là những vùng mà mật độ hạt giảm xuống. Lớn nhất trong số này, Phân khu Cassini, rộng 4.700 km.
Các vành đai quay cùng hướng với Sao Thổ nhưng với tốc độ khác nhau, các vành đai bên trong nhanh hơn các vành đai bên ngoài theo định luật thứ ba của Kepler.
Các vành đai chính kéo dài từ 7.000km đến 80.000km tính từ đường xích đạo của hành tinh, nhưng chúng chỉ dày trung bình 10m.
Sự biến mất của các vành đai khiến Galileo bối rối là do trục của Sao Thổ nghiêng 27° so với đường hoàng đạo.
Từ Trái đất, chúng ta nhìn thấy các vành đai từ các góc độ khác nhau khi cả hai hành tinh quay quanh: đầu tiên là từ bên dưới, sau đó chúng gần như biến mất khi chúng ta nhìn từ trên xuống, sau đó chúng lại mở rộng ra khi chúng ta nhìn từ trên xuống và sau đó chúng lại xuất hiện ở cạnh trên, vì vậy nhẫn dường như biến mất khoảng 15 năm một lần.
Nguồn gốc của các vành đai Sao Thổ đã được tranh luận sôi nổi.
Một giả thuyết cho rằng chúng là tất cả những gì còn sót lại của một trong những mặt trăng của Sao Thổ đã bị xé toạc bởi lực hấp dẫn khi quỹ đạo của nó bị phân rã, đưa nó đến quá gần hành tinh mẹ. Điều đó có nghĩa là các vành đai trẻ hơn hành tinh.
Một giả thuyết khác cho rằng các vành đai có cùng tuổi với hành tinh, là tàn tích của tinh vân mà sao Thổ hình thành.
Vào tháng 4 năm 2017, khi kết thúc chuyến hành trình của Cassini tới hệ thống Sao Thổ, tàu vũ trụ đã thực hiện giai đoạn Grand Finale trong sứ mệnh của mình, đi qua giữa Sao Thổ và các vành đai của nó 22 lần trước khi lao vào và bốc cháy trong bầu khí quyển của hành tinh.
Dữ liệu từ những màn nhào lộn này về độ sáng và độ tinh khiết của những chiếc nhẫn cho thấy chúng có thể đã hình thành cách đây 100 triệu năm, khi loài khủng long vẫn còn thống trị Trái đất.
Theo lý thuyết, nếu chúng già hơn, chúng sẽ bị bụi vũ trụ làm tối dần theo thời gian, mặc dù các nhà khoa học khác cho rằng việc tái chế vật chất bên trong các vành đai, khi các hạt va chạm, vỡ ra và tái tạo, có thể pha loãng bất kỳ chất ô nhiễm nào.
Dù chúng được hình thành như thế nào, các vành đai liên tục mất đi vật chất dưới dạng một trận mưa băng giá rơi xuống Sao Thổ, với tốc độ cứ nửa giờ lại tạo thành một bể chứa đầy vật chất.
Vẫn còn nhiều thời gian để xem chúng: ước tính chúng sẽ không biến mất vĩnh viễn trong 100 triệu năm nữa.