Солнечная система (Астрономия и астрофизика)

Сурдин Владимир Георгиевич

Возвращаясь в прошлое, отметим, что кольцо Сатурна стало первым известным в Солнечной системе пылевым комплексом — так будем называть собрание твердых частиц размерами от микрометра до километра. Позднее выяснилось, что в известном смысле вся Солнечная система представляет собой подобный комплекс. В поясе малых планет из-за постоянных столкновений образуется множество все более мелких частиц. К такому же результату приводит дезинтеграция комет. Указанные частицы мы регистрируем как метеоры и метеориты. Мелкая фракция проявляет себя как зодиакальный свет, перемещаясь к Солнцу благодаря эффекту Пойнтинга-Робертсона. Последний означает торможение солнечным излучением: даже падающие перпендикулярно траектории солнечные фотоны имеют относительно движущейся

частицы компоненту скорости, направленную против движения, т.е. тормозящую, подобно тому как вертикально идущий в безветренную погоду дождь бьет бегущему всегда в лицо. Гелиоцентрические пылевые пояса обладают интереснейшими свойствами, но нельзя объять необъятное, и дальше мы будем говорить лишь о планетоцентрических комплексах, упомянув об околосолнечном лишь ради общей картины.

Вплоть до недавнего времени кольцо Сатурна считалось уникальным, не имеющим аналогов и потому с величайшим трудом поддающимся исследованию. Даже два основных вопроса оставались без ответа. Во-первых, откуда кольцо взялось? Во-вторых, почему оно не исчезло? Обсуждалась гипотеза образования кольца разрушением спутника приливными силами. Но обоснованность гипотезы едва превышала уровень знаменитого «а почему бы и нет!» С ответом на второй вопрос было еще хуже. Кольцо из камушков и песчинок несравненно устойчивее сплошного. Но и оно за миллиарды лет существования Солнечной системы должно было по существовавшим в небесной механике представлениям разрушиться. Время от времени столкновения частиц друг с другом все же происходят. Орбитальная энергия в результате этих процессов перераспределяется и в среднем уменьшается. Небольшая часть метеороидов кольца покидает систему Сатурна, большая выпадает на его поверхность. За космогоническое время кольцо должно если не исчезнуть, то истончиться и перестать быть видимым с Земли даже в крупные телескопы. Логика подсказывает три возможных решения парадокса видимости мощного кольца.

1. Существуют процессы, синхронизирующие движения частиц (исключающие столкновения или поддерживающие около-круговые траектории несмотря на столкновения). Кольцо в целом устойчиво. Сегодня его вид несильно отличается от того, который возник к концу эпохи формирования системы Сатурна.

2. Нам просто повезло: кольцо образовалось сравнительно недавно, при саблезубых тиграх. Когда его заметят с галактики Сомбреро, наши потомки застанут лишь жалкие остатки украшения Сатурна.

3. Существует источник пополнения частиц, как в случае водопада. Мы видим стационарную картину потому, что упавшие частицы воды все время замещаются новыми. Разница лишь в скорости замещения — миллионы лет и секунды соответственно.

Кольцо Сатурна теряет уникальность

Разрешить проблему для уникального объекта необычайно трудно. Помощь пришла неожиданно. В 1977 г. произошло покрытие Ураном слабой звезды SAO 158687. Регистрация события дает важную информацию об орбите Урана и свойствах его атмосферы, и потому наблюдения велись на нескольких обсерваториях. Измерялась яркость звезды. Ожидался такой вид фотометрической кривой: горизонтальная прямая, дифракционные колебания, нулевой уровень и симметричное повторение явления. Вместо этого до покрытия блеск звезды снижался несколько раз, и симметричная картина повторилась после покрытия. Был сделан вывод, впоследствии полностью подтвердившийся, что Уран обладает системой колец, как и Сатурн. Только кольца Урана несравненно менее мощные, к тому же они состоят из очень черных частиц в отличие от покрытых белым инеем метеороидов вокруг Сатурна. В 1979 г. тонкие кольца были открыты у Юпитера зондом «Вояджер-1». Вскоре они были вновь сфотографированы «Вояджером-2». Эти два космических разведчика принесли феноменальную информацию о планетах-гигантах. «Вояжер-2» в 1989 г. открыл кольца Нептуна.

Уместно заметить, что еще в 1960 г. С.К. Всехсвятский предсказал существование колец Юпитера: некоторые полосы в экваториальной зоне планеты киевский

астроном интерпретировал как тень от тонкого кольца, расположенного в экваториальной плоскости. Поскольку наклон последней к орбитальной плоскости всего 3° в отличие от 26° для Сатурна, то тень чрезвычайно узка. Так как столь узкая полоска на грани или даже за гранью ошибок наблюдений, то выводы Всехсвятского не были признаны астрономическим сообществом.

Кольца далеких планет обладают общими чертами: чрезвычайно плоские, разделенные несколькими промежутками. Есть, разумеется, и большие различия: лишь у Сатурна система столь мощна, что колечки для земного наблюдателя сливаются в сплошные кольца шириной, сравнимой с диаметром центральной планеты. С борта космического зонда видна их тонкая структура, напоминающая граммофонную пластинку. Есть и множество других удивительных деталей. Перечислим самые интересные свойства колец Сатурна.

* Они расслаиваются на отдельные колечки шириной вплоть до долей километра.

* Присутствуют и никак не ожидавшиеся радиальные структуры — спицы, живущие несколько часов.

* Существует несколько устойчивых некруговых эллиптических колечек.

* По мощным кольцам регулярно прокатываются спиральные волны плотности и изгибные волны.

* Спектр масс частиц простирается от микрометровых пылинок до декаметровых глыб. Стометровые практически отсутствуют.

* В частицах метрового размера заключена основная масса кольца. Поражает ничтожная толщина кольца — от 5 до 30 м.! Лишь внешние, чрезвычайно разреженные кольца G и Е имеют заметную толщину в сотни (G) и десятки тысяч (Е) километров.

* Сатурн обладает обширной системой из 60 спутников размерами от 3 до 5150 км., часть из которых движется в щелях между кольцами. Внутри же внешнего пылевого кольца Е движутся сразу десять спутников.

Кольца остальных планет-гигантов содержат гораздо меньше материи. У Юпитера кольца сплошные, широкие, круговые. На краю Главного кольца движутся два из 63 спутников планеты, внутри Паутинного кольца — еще два. Самое внутреннее кольцо погружено в гало заметной толщины.

Уран обладает десятком узких плотных колечек с эксцентриситетами до 0,01 и наклонами к плоскости экватора до 0,06°. Эксцентричные колечки имеют переменную ширину — наименьшую в перицентре и наибольшую в апоцентре. Промежутки между кольцами заполнены мелкой пылью. Пыль во внутренней области быстро оседает на планету, тормозясь ее обширной атмосферой.

В системе Нептуна два ярких узких колечка и два широких разреженных. Ярчайшее кольцо имеет три значительных уплотнения, которые только и можно наблюдать с Земли. Поэтому первоначально говорили об арках или разорванных кольцах Нептуна. Из 13-ти спутников Нептуна четыре находятся на краю или между кольцами.

«Вояджеры» открыли еще одно интересное для нас образование — плазменный тор вокруг орбиты первого галилеева спутника Юпитера Ио. Рой этот состоит не из пылинок, а из ионизованных атомов и молекул серы с примесью других веществ. Он не уплощен: меридиональное сечение тора напоминает эллипс со сравнимыми полуосями.

В результате описанной лавины открытий кольцо Сатурна потеряло уникальность. Вопрос «Откуда у Сатурна кольцо?» дополнился другим: Почему у планет земной группы нет колец? Мы можем хотя бы частично ответить на оба взаимосвязанных вопроса. «Частично» потому, что детальная информация с борта космических зондов охватывает годы для Юпитера и Сатурна, но ограничена временем порядка суток для Урана и Нептуна — практически мгновенные фотографии. Наблюдения от Земли, хотя и приносят некоторые результаты (например, космический телескоп «Хаббл» в 2003-05 гг. открыл два новых кольца Урана), не обладают желаемой детальностью. И все же полученные данные достаточно полны. По-видимому, уже открыты все крупные спутники планет диаметром более 20 км. и все сколько-нибудь плотные кольца.