Ringsystemer består af utallige småpartikler, der varierer i størrelse fra små korn til boldformede klippeblokke, som kredser individuelt omkring kæmpeplaneterne, ligesom de mange små måner. Som det er tilfældet med månerne, der er omtalt i Matematiske værktøjer 10.1, dikterer Keplers love, at hastigheden og omløbsperioderne for alle ringpartiklerne, varierer med deres afstand fra planeten – de nærmeste bevæger sig hurtigst og har de korteste omløbsperioder. Omløbsperioderne for partikler i Saturns lyse ringe, spænder for eksempel fra 5 timer og 45 minutter ved deres inderste kant, til 14 timer og 20 minutter ved deres yderste kant. I de tæt pakkede ringe ved Saturn, cirkelformer kollisioner mellem disse partikler deres baner, og tvinger dem også ind i samme plan. Enhver partikel, der bevæger sig på en ikke-cirkulære eller skrå kredsløb kolliderer (meget langsomt, fordi partiklerne har lave relative hastigheder) med andre partikler, og bliver tvunget tilbage i et cirkulært og mindre skråt omløb.
Kredsløbene for ringpartiklerne, kan også påvirkes af planetens større måner såvel som at selve planeten. Hvis månen er massiv nok, udøver den et tyngdekraftmæssigt ryk i ringpartiklerne når de passerer forbi. Saturns måne Mimas, er i en 1:2 kredsløbsresonans med Cassini delingen, hvilket giver en ringpartikel placeret i Cassini delingen en omløbsperiode omkring Saturn, der svarer til halvdelen af omløbsperioden for Mimas. Sådanne resonanser med andre måner, er kendt for at danne nogle af mellemrummene i Saturns lyse ringe. Et af mellemrummene i Saturn C-ring, skyldes en 1:4 resonans mellem ringpartiklerne og Mimas. Nogle mellemrum i Saturns ringe forbliver uforklarlige. En mulighed er, at disse mellemrum er resultatet af sammenstød mellem ringpartikler. Enhver kollison mellem to ringpartikler, vil medføre at en af partiklerne bevæger sig til et kredsløb der ligger længere ude, og den anden til at bevæge sig til et kredsløb tættere på. Over tid, kan denne proces rense nogle områder for ringpartikler som danner mellemrum, mens ringpartikler ophobes i smalle ringsegmenter mellem mellemrummene.
Mange planetariske ringe har skarpe kanter uden synligt materiale i rummet uden for kanten. I disse ringe, holder noget ringpartiklerne på plads og forhindrer ringene i at sprede sig. Nøglen til de skarpe kanter og stabiliteten af ringene, ligger i den samme form for kredsløbsresonans, som forårsager Cassini delingen. Når månerne kredser om en planet, kan deres tyngdekraft knuse ringpartikler der er i resonante baner, og holde dem på plads. Se for eksempel på den bratte ydre kant af Saturns yderste lyse ring (A-ringen). Ringpartiklerne ved kanten af denne ring, er i en 7:6 kredsløbsresonans med Saturns co-orbitale måner Janus og Epimetheus, hvilket betyder at ringpartiklerne foretager præcis syv kredsløb for hver seks kredsløb af disse måner (co-orbitale måner, er måner der har samme kredsløb). Janus er den mere massive af de to måner, og den har også større tyngdekraft.
Forestil dig nu en partikel der rammes af en kollison, og bliver tvunget lidt uden for kanten af ringen. Hver gang Janus passerer partiklen, en gang ud af hver sjette kredsløb for Janus og for hvert syvende partikelkredsløb, gør den det i samme position i partiklens kredsløb. Og her gang månen passerer, modtager partiklen et lille tyngdemæssigt skub fra månen i samme retning, hvilket får partiklen til at miste en smule af sin orbitale energi. Til sidst, mister partiklen nok energi til at falde tilbage i ringen. Den skarpe kant af selve ringen, er ligesom den skarpe kant af et resonansmellemrum, som for eksempel Cassini delingen.
Tyngdeinteraktioner forekommer også mellem ringpartiklerne selv. Disse vekselvirkninger bestemmer ringformerne ved kanterne af mellemrummene. Da formene på ringkanterne er bestemt af tyngdekraften, kan forskere bruge disse former til at estimere ringenes masser. Selv om planetariske ringe kan være store og fremtrædende, tegner de sig kun for den mindste del af materialet omkring en kæmpeplanet. Saturns lyse ringe er langt de mest massive ringe i Solsystemet. De indeholder mere materiale end alle andre planetariske ringe i Solsystemet til sammen. På trods af dette, vurderes deres samlede masse at være mindre end Mimas’, Saturns lille is-måne, som er mindre end 400 km i diameter. Mængden af materiale i Solsystemets smalle ringe, er naturligvis meget mindre. Alle partikler i Uranus’ største ring, Epsilon ringen, kunne komprimeres til et enkelt objekt der ikke var mere end 20 km i diameter. Alt materiale i nåde Neptuns ringe og i Jupiters ringe, kunne du samle til et objekt ikke mere end et par kilometer i diameter.
Hver gang en måne skubber en ringpartikel indad, absorberes den lille mængde energi der tabes af partiklen, af den mere massive måne, hvilket får månen til at bevæge sig umærkeligt længere væk fra ringen og planeten. Over tid, kan en måne bevæge sig så langt fra ringkanten, at den ikke længere kan yde stabilitet til ringen. Ringen kan så frit forsvinde. I tilfældet med Saturns lyse ringe er situationen mere kompliceret, fordi Janus også er i resonans med andre af Saturns måner. Det betyder, at alle Saturns måner skal bevæge sig væk, før de lyse ringe kan spredes, og derfor kan Saturns lyse ringe være langt mere stabile end de fleste andre ringe er.
Mærkelige ting blandt ringene
Andre former for kredsløbsresonanser er mulige i ringsystemer. For eksempel er de smalleste ringe, fanget i en periodisk tyngdemæssig kappestrid med de nærliggende måner. Disse måner, der ligger tæt på de smalle ringe, kaldes for hyrdemåner i erkendelse af den måde, hvorpå de hyrder en flok af ringpartikler. Hyrdemåner er normalt små, og optræder ofte i par, en der kredser lige indenfor og en der kredser lige uden for en smal ring. Hyrde-resonansen er meget som de tidligere diskuterede resonanser. En hyrdemåne lige uden for en ring, stjæler kredsløbsenergi fra alle partikler, der bevæger sig ud over kanten af ringen, hvilket for partiklerne til at bevæge sig indad. En hyrdemåne lige inden for en ring overfører kredsløbsenergi til ringpartikler, der er blevet drevet for langt ind, og skubber dem tilbage til kredsløbet for resten af ringen. I nogle tilfælde, er smalle ringe fanget mellem do hyrdemåner med lidt forskellige kredsløbsbaner.
Blandt de mange mærkelige ringe fotograferet af Voyager er arketypen klart Saturns F-ring (vist i figur 10.32 ved et nyligt billede taget af Cassini). Billederne af ringen, der først blev taget af Pioneer 11 et år tidligere, viste intet ud over det sædvanlige, men de første højopløsningsbilleder af F-ringen, der blev taget af Voyager 1, fik rumforskerne til at stirre i vantro. Ringen blev adskilt i adskillige tråde, der syntes at være sammenflettet. Nogle af medernes journalister, hævdede hurtigt, at F-ringen ”var i strid med fysikkens love”. Dette var selvfølgelig ikke tilfældet, men tydelige forklaringer på denne tilsyneladende ikke-kepleriske opførsel af ringpartiklerne, fremkom ikke umiddelbar. Og som om de mange tråde ikke var forvirrende nok, viste ringen også, hvad der syntes at være et antal knuder og knæk.
Saturns F-ring er nu forstået som et dramatisk eksempel på et par hyrdemåners handlinger. F-ringen flankeres af Prometheus (en måne der kredser 850 km inde i ringen) og Pandora, en anden måne, der kredser 1.490 km fra ydersiden af ringen (se figur 10.33a). Begge måner er uregelmæssige i form, med gennemsnitlige diametre på henholdsvis 85 og 80 km. På grund af deres forholdsvise store størrelser og nærhed, udøver månerne betydelige tyngdemæssige kræfter på de nærliggende ringpartikler. Den resulterende tyngemæssige kappestrid mellem Prometheus der trækker ringpartikler i nærheden til større kredsløb, og Pandora der skubber nærliggende ringpartikler til mindre kredsløb, er årsagen til den bizarre struktur, der oprindeligt forvirrede forskere og journalister.
Saturns F-ring er ikke et isoleret tilfælde. Det 360 km brede Enckes Deling i den yderste del af Saturns A-ring, indeholder to smalle ringe, der viser lyse knuder og mærke huller (se figur 10.34a) – En struktur, der skal relateres til den 20 km store måne Pan, som kredser inden for delingen. Ringene i Enckes Deling er usædvanlige, men ikke unikke, for de har nogen lighed med buerne i Neptuns Adams Ring (se figur 10.31). Hvis hyrdemåner befinder sig i excentriske eller skrå baner, forårsager de også at den indesluttede ring er excentrisk eller skrå. Dette er tilfældet for Uranus’ Epsilon Ring (se figur 10.33b). Fordi hyrdemåner kan være så små, undgår de ofte at blive opdaget. Ifølge de nuværende teorier om ringdynamik, må en række af stadig uopdagede hyrdemåner, eksistere i ringsystemerne i det ydre Solsystem.
Små måner, der kredser i ringdelinger, kan også forstyrre ringpartiklerne langs kanterne af hullerne. Figur 10.34b viser det flossede mønster, der er forårsaget af Pan, der befinder sig langs indersiden af Enckes Deling. Figur 10.34c, fanger den 7 km store måne Daphnis’ forstyrrelse af de indre og ydre kanter af Saturns 35 km brede Keeler Deling, som ligger nær den ydre kant af A-ringen.
En af de mere forbløffende opdagelser foretaget af Voyager 1, var udseendet af snesevis af mørke eger-lignende træk, i den ydre del af Saturns B-ring (se figur 10.35). Disse strukturer er ikke permanente. Da de blev dannet, har egerne haft en mere eller mindre radial retning, men de bliver forvrænget, fordi de ydre dele af ringen roterer langsommere end de indre dele. Ingen enkelte eger, synes at forblive i mere end en halv omgang. Denne halve omløbsoverlevelse indikerer, at partiklerne i egerne suspenderes over ringplanet, sandsynligvis af elektrostatiske kræfter. Enhver partikel, der ikke er i ringplanet, må være i et skråt kredsløb og passere gennem planet to gange under hvert kredsløb om planeten. Som eger-partiklerne forsøger at trænge igennem den tæt pakkede B-ring, kolliderer de med B-ringens partikler og absorberes. Denne forklaring forklarer hvad der forårsager egernes forsvinden, men ikke hvorfor de opstår i første omgang.
En hypotese, forbinder egernes oprindelse med meteoridenedslag på store ringpartikler. Når disse partikler rammes. Kan meteoriderne kollidere med så meget energi, at de skaber en ioniseret sky af små ladede partikler – et plasma, der kortvarigt suspenderes over ringplanet. Før partikelskyen vender tilbage til ringplanet, bevirker Saturns magnetfelt at de ladede partikler skubbes udad og danner de eger-lignende strukturer. Vigtige spørgsmål forbliver dog ubesvarede. For eksempel, forklarer denne model ikke hvorfor, Voyager og Cassini, kun har afbildet eger i de ydre dele af B-ringen og ikke i den indre del af ringen, eller i en af de to andre brede ringe.
Planetære ringe er flygtige
Planetære ringe har ikke den langsigtede stabilitet som andre objekter i Solsystemet. Ringpartikler kolliderer konstant med hinanden i deres tæt pakkede miljø, enten ved at få tilført eller tabe kredsløbsenergi. Denne omfordeling af kredsløbsenergi kan medføre, at partikler ved kanten af ringene, kan forlade ringene og glide væk, støttet af ikke-tyngdemæssige påvirkninger, som for eksempel trykket fra sollyset. Skønt forskellige kredsløbsresonanser fra måner kan hjælpe med at lede ringpartiklernes kredsløb, og forsinke rydningen af ringene selv, kan denne tilstand i bedste fald, kun være midlertidig. De fleste planetariske ringe, møder i sidste ende deres uundgåelige skæbne: total spredning. Mindst en ring synes imidlertid at være immun over for denne afvikling (se Matematiske værktøjer 10.3).
Ringsystemer er kommet og gået igennem Solsystemets historie. Nogle astronomer har hævdet, at Saturns ringe geologisk set er gamle; andre, at ringene er relativt nye. Selv Jorden, kan have haft kortvarige ringe på forskellige tidpunkter i sin lange historie. Enhver komet eller asteroide, kan have kommet inden for Jordens Roche grænse (cirka 25.000 km for klippeholdige objekter og mere end det dobbelte for isobjekter) og er blevet tilintetgjort til en sværm af små fragmenter, der midlertidigt har dannet ringe. Men Jorden mangler hyrdemåner til at yde kredsløbsstabilitet til ringe. Interaktionen mellem ringpartikler villa have fået en sådan ring til at sprede sig og opløses. Derudover ville de indre dele af en ring rundt omkring Jorden, føle det atmosfæriske træk fra Jordens atmosfære og danne spektakulære meteorstorme som de faldt mod Jorden i spiraler. Et lignende fravær af små indre måner, forhindrer også Venus og Merkur i, at holde på ringe over geologiske tidsperioder. Selv om inden ring endnu er kendt omkring Mars, kan de to små måner – Phobos og Deimos – i princippet hyrde en samling af materiale i kredsløb.
Planetære ringe i det ydre Solsystem, vil fortsætte med at blive dannet og spredt, så længe kæmpeplaneterne opretholder de små måner der yder midlertidig ringstabilitet. Hvorvidt nogen vil komme til at konkurrere med glansen af Saturns lyse ringsystem som ses i dag, er selvfølgelig ukendt.