Солнечная система (Астрономия и астрофизика)

Сурдин Владимир Георгиевич

В 1980 г., когда Земля проходила через плоскость колец Сатурна, впервые удалось наблюдать с Земли кольцо Е в виде слабого повышения яркости на расстоянии 80 тыс. км. от внешнего края наружного кольца А. Такие прохождения повторяются через каждые 14—15 лет (экватор Сатурна наклонен к плоскости орбиты на 26°45'). Это редкое явление наблюдалось в 1966 г., а затем в конце 1979 и начале 1980 гг. — тогда Земля прошла через плоскость колец дважды: 27 сентября 1979 г. и 12 марта 1980 г. Повернутые к Земле ребром кольца почти не видны; астрономы используют эти моменты для поиска слабых объектов вблизи Сатурна.

Рис.

Кольцо Е, вдоль которого движется Энцелад (он виден как яркая точка в середине кольца). Этот уникальный спутник демонстрирует активный криовулканизм, результатом которого как раз и является кольцо Е: водно-ледяные фонтаны спутника выбрасывают часть вещества на орбиту. Когда «Кассини» прибыл в систему Сатурна, он обнаружил, что окрестности планеты заполнены атомами кислорода. Тогда ученые не имели представления, откуда берется кислород. И только теперь стало ясно, что Энцелад выбрасывает молекулы воды, которые расщепляются солнечным ультрафиолетом на кислород и водород. При этом за самим Энцеладом тянется шлейф из заряженных частиц.

Мы уже говорили о резонансах и соизмеримостях в движении планет. Еще более наглядно резонансы выражаются в движении частиц, образующих кольца планет. Под действием резонансов со спутниками планеты в кольцах возникают сгущения, разрежения и щели («деления»), формируются внешние и внутренние границы колец и даже происходит сортировка их материала.

Известная деталь в кольце Сатурна — деление Кассини — образована гравитационным влиянием спутника Мимас. Это деление носит имя астронома XVII в., который одним из первых отметил его существование. Орбитальный период частиц кольца на этом расстоянии от центра Сатурна составляет точно половину периода обращения спутника. Под влиянием Мимаса в движении частиц возникают возмущения, которые в конечном счете выражаются в образовании щели между кольцами А и В. Возмущения запрещают частицам перемещаться из одного кольца в другое, образуя так называемый резонансный барьер. Но не только резонансы определяют движение частиц кольца.

Снимки колец, сделанные «Вояджером-1», поставили много вопросов. Поэтому решено было сосредоточить усилия «Вояджера-2» на главных проблемах, связанных с динамикой колец, с делением Кассини и странными радиальными образованиями и пятнами на кольце В, получившими название «споки» (английское spoke значит «спица колеса»).

Кольца расположены в таком порядке от планеты: D, С, В, А, F, G, Е. Три основных кольца видны даже в небольшой телескоп. Новые кольца D и G, (открытые «Вояджерами») наблюдаются в определенных ракурсах. Кольцо D очень неплотное и доходит, по-видимому, до верхних слоев атмосферы, как у Юпитера. Невидимое оптическими приборами самое внешнее кольцо Е регистрировалось устройствами, реагирующими на поля и заряженные частицы.

Нельзя сказать точно, сколько колец у Сатурна. По снимкам «Вояджера-1» их насчитали несколько сотен. А измерения «Вояджера-2», пролетевшего ближе, говорят о тысячах колец. Тем не менее, выяснилось, что в качестве постоянных деталей следует все-таки рассматривать более или менее крупные образования. Причин две. Во-первых, есть основания считать, что очертания многих колец, даже больших, непостоянны. Во-вторых, кольца состоят из достаточно больших глыб и обломков, что не всегда позволяет точно указать, где кончается одно кольцо и начинается другое. Это же замечание относится и к толщине кольца: оно очень тонкое, но не может быть тоньше размера самых крупных включений.

Деление Кассини, которое считалось местом, свободным от материала колец, на самом

деле заполнено веществом с другой степенью измельченности и меньшей концентрацией частиц. Это установлено путем наблюдения колец с теневой стороны. Благодаря заметному поглощению света, плотные кольца В и А в контражуре выглядят темными. Если бы промежутки между ними были пустыми, то и они были бы темными. При ширине деления 4500 км. в нем видно не менее пяти широких колец, расположенных вплотную друг к другу.

После первых пролетов научных зондов вблизи Сатурна радикально изменились не только представления о делении Кассини. В момент сближения с планетой фотометр «Вояджера-2» с очень высоким разрешением (до 150 м. на кольцах) был направлен на яркую звезду Sco, и его поле зрения, благодаря движению аппарата, пересекло кольца. В результате, получился фотометрический разрез части кольца А вблизи деления Энке. На нем легко отождествить сравнительно крупные части кольца; но при высоком разрешении уже становится трудно указать, где проходит граница отдельных узких «колечек». Вполне вероятно, что многие минимумы кривой определяются отдельными глыбами и обломками. Их типичный размер составил 10 м. в кольце А, 8 м. в делении Кассини и 2 м. в кольце С. Разумеется, в каждом из них есть фрагменты и других размеров — от пыли до крупных блоков. Природа материала колец та же, что и у спутников Сатурна, — слегка загрязненный водяной лед и снег.

Очень резкими оказались внешние края колец А и В. Там резонансы проявляются весьма остро. Удалось оценить толщину края кольца А: она не превышает 150 м. Даже если предположить, что в какой-то части толщина колец достигает 0,5 км., их пропорциональной моделью будет диск толщиной в 0,5 мм. и диаметром 270 м. (круг из плотной бумаги диаметром в четверть километра!).

Интереснейшей теоретической проблемой является стабильность колец. Взаимные столкновения частиц должны переводить их с орбиты на орбиту, создавая эффект вязкости. Благодаря этому внутренние части кольца должны приближаться к планете, а наружные — удаляться. В результате жизнь колец, в космогонических масштабах, должна быть очень короткой.

В последнее время появились работы, связывающие в единый процесс катастрофические столкновения комет или астероидов со спутниками планет-гигантов, последующее образование колец и их постепенное разрушение. При этом время существования колец действительно может быть очень коротким (на что, возможно, указывают кольца Урана). Эта идея получила наглядную поддержку благодаря происшедшему в 1994 г. столкновению кометы Шумейкеров-Леви-9 с Юпитером. Но сторонники классической концепции (противники идеи недавнего возникновения колец) возражают, и приводят свои аргументы, в том числе присутствие колец у других планет — Юпитера, Урана, Нептуна. Они считают, что правильнее исходить из того, что кольца планет существуют уже очень давно. Стало быть, какой-то механизм не дает им разрушаться. Однако сомнения в этом все крепнут. Все кольца (кроме колец Сатурна) выглядят слабыми следами когда-то существовавших настоящих колец. И если предположить, что из менее крупных обломков могли когда-то возникнуть и сами кольца Сатурна, то возникает вопрос, будут ли любоваться кольцами Сатурна наши далекие потомки?

Кольцо F, споки и новые идеи

Очертания колец постоянно меняются. Особенно наглядно это показало кольцо F, открытое еще «Пионер-Сатурном» (1979 г.). Эта тонкая светлая полоска шириной от 50 до нескольких сотен километров находится на расстоянии 4000 км. от края кольца А (или в 140180 км. от центра планеты). В первых сообщениях указывалось, что по неизвестным причинам линия кольца выглядит прерывистой. Когда были получены снимки «Вояджера-1», выяснилось, что кольцо свито из двух тонких «шнуров» с шагом около 7000 км. Среди различных объяснений природы кольца F была гипотеза о том, что структура его определяется гравитационным воздействием небольших спутников, орбиты которых проходят вдоль кольца.