Вокруг Света # 7-2005 (2778)
Шрифт:
Толщина газовой оболочки вокруг Нептуна достигает нескольких тысяч километров – от пяти до восьми, по разным расчетам. В ее составе 80% водорода, 19% гелия и 1% метана. Метан хорошо рассеивает синие лучи, что придает Нептуну цвет, вполне соответствующий его «морскому» названию – синий со слабым зеленоватым оттенком. Динамика атмосферы Нептуна весьма активная, несмотря на то что планета расположена очень далеко от Солнца и получает от светила в 900 раз меньше энергии на единицу площади, чем Земля. Температура на внешней поверхности облаков чрезвычайно низкая – всего лишь –214°С. Однако Нептун излучает в пространство энергии в 2,5 раза больше, чем ему достается от Солнца. Это свидетельствует о том, что внутри планеты происходит выделение энергии. О причине такого процесса четкого суждения нет – это может быть либо естественный радиоактивный распад в породах каменного ядра Нептуна, либо высвобождение гравитационной энергии, если его недра все еще сжимаются в продолжающемся процессе формирования планеты. В любом случае атмосфера нагревается изнутри и находится в постоянном движении. Ветры дуют с запада на восток, перенося воздух в направлении, параллельном экватору. Вблизи полюсов их скорость намного больше, чем около экватора. Удивительно, что у планеты, атмосфера которой с наружной стороны самая холодная в Солнечной системе, скорости ветров – самые большие. Не последнюю роль в этом играют и низкие температуры, уменьшающие вязкость газов, образующих атмосферу, а также быстрое вращение самой планеты. На Нептуне ветры достигают ураганной силы, перемещаясь со скоростью до 2 000 км/ч (560 м/с). На Земле ураганом считается ветер, скорость которого превышает 30 м/с. Такие ветры оказались большим сюрпризом для ученых, предполагавших до полета «Вояджера», что холодная атмосфера Нептуна представляет собой малоподвижное «сонное царство», а вместо этого обнаружился бушующий мир ураганов. Наиболее крупные атмосферные вихри на Нептуне достигают нескольких тысяч километров в поперечнике. На общем светло-синем
О внутренней структуре Нептуна известно не так уж много, ведь судить о ней можно только на основе косвенных данных, поскольку сейсмического зондирования этой планеты не проводилось. Диаметр Нептуна – 49 600 км – почти в 4 раза больше, чем у Земли, а его объем превышает земной в 58 раз. Но вот по массе Нептун лишь в 17 раз больше Земли. Из этих данных определено, что средняя плотность Нептуна составляет около трети земной – всего лишь 1,6 г/см3, то есть примерно в полтора раза больше, чем у воды. Низкие плотности характерны для всех четырех планет-гигантов – Юпитера, Сатурна, Урана и Нептуна. Причем первые два – наименее плотные, они состоят преимущественно из газов, а более плотные «близнецы» Уран и Нептун – в основном изо льдов. По расчетам, в центре Нептуна должно находиться каменное или железокаменное ядро диаметром в 1,5—2 раза больше нашей Земли. Основную часть Нептуна составляет расположенный вокруг этого плотного ядра слой толщиной около 8 000 км, состоящий главным образом из водных, аммиачных и метановых льдов, к которым, возможно, примешан и каменный материал. По расчетам, температура в этом слое должна с глубиной увеличиваться от +2 500 до +5 500°С. Однако лед при этом не испаряется, поскольку он находится в недрах Нептуна, где давление в несколько миллионов раз выше, чем атмосферное давление на Земле. Такие чудовищные «объятия» прижимают молекулы друг к другу, удерживая их от разлетания в стороны и испарения. Вероятно, вещество там находится в ионном состоянии, когда атомы и молекулы «раздавлены» на отдельные заряженные частицы – ионы и электроны. Конечно, трудно вообразить себе подобный «лед», поэтому иногда этот слой Нептуна называют «ионным океаном», хотя представить его в виде обычной жидкости также весьма затруднительно. Затем следует третий слой – внешняя газовая оболочка толщиной около 5 000 км. Эта атмосфера, состоящая из водорода и гелия, переходит в ледяной слой постепенно, без резко выраженной границы, по мере того, как плотность вещества увеличивается под давлением вышележащих слоев. В глубоких частях атмосферы газы преобразуются в кристаллы, своего рода иней. Этих кристаллов в более глубоких слоях становится все больше, и они начинают напоминать пропитанную водой снеговую кашу, а еще глубже – полностью преобразуются в лед, находящийся под действием огромного давления. Переходный слой от газовой до ледяной оболочки довольно широкий – около 3 000 км. В общей массе Нептуна на газы приходится 5%, на льды 75%, а на каменный материал 20%.
Одно из самых холодных тел в Солнечной системе – это Тритон, наибольший из спутников Нептуна. Достоверные сведения о нем появились лишь в 1989 году после исследований со станции «Вояджер-2». Даже диаметр этого спутника, определенный наблюдениями в телескоп, был сильно преувеличен – вместо 4 000 км он оказался равным 2 700 (это 3/4 диаметра нашей Луны). Вокруг спутника имеется сильно разреженная атмосфера толщиной около 10 км, которая состоит из азота с небольшой примесью метана. Давление этой атмосферы в 70 тысяч раз ниже, чем на Земле. Вместо ожидавшихся морей и озер жидкого азота на Тритоне обнаружилось царство льдов. Значительная территория вокруг его южного полюса покрыта льдом и инеем, поэтому отражает от 70 до 95% падающего на ее поверхность света. Причем льды и иней весьма экзотические – азотные, поскольку температура на этом спутнике чрезвычайно низкая, около –240°С (а азот замерзает при –210°С). Однако Тритон – не просто глыба льда. Средняя плотность этого спутника – 2 г/см3. Поэтому считается, что он состоит из каменного ядра диаметром 2 000 км, окруженного слоем водного льда толщиной 350 км. На Тритоне обнаружены разнообразные формы рельефа, свидетельствующие о его геологической активности в прошлом. Трещины шириной 30 км и длиной до 1 000 км пересекают его поверхность. Еще одна особенность – области, рельеф которых напоминает сетку на кожуре дыни. Подобного нет ни на одном из планетных тел. Эти участки покрыты ячейками поперечником 20—30 км, которые окружены валами высотой 300 метров. Происхождение такого рельефа не вполне ясно. Скорее всего, это результат весьма экзотического криогенного (низкотемпературного) вулканизма, где роль расплавленной магмы играет холодная жидкость, которая поднимается из недр и замерзает на поверхности, образуя причудливые ледяные формы рельефа. Водный лед в условиях Тритона становится очень твердым и ведет себя как каменная горная порода, образуя высокие гряды, крутые склоны, трещины с резкими очертаниями. А вот метановый и азотный льды – пластичные, они расползаются и создают пологий рельеф.
Главным сюрпризом Тритона оказалась его современная геологическая активность, которую до полета «Вояджера» никто и не предполагал. На снимках обнаружены газовые гейзеры – темные столбы азота, идущие строго вертикально до высоты 8 км, где они начинают стелиться параллельно поверхности Тритона и вытягиваться в «хвосты» длиной до 150 км. Обнаружено десять действующих гейзеров. Все они «дымят» в южной полярной области, над которой Солнце в этот период находилось в зените. Причиной активности газовых гейзеров считают нагрев Солнцем, приводящий к плавлению азотного льда на некоторой глубине, где имеются также водный лед и метановые соединения темного цвета. Давление газовой смеси, возникающее в глубинном слое при его нагреве всего на 4°C, хотя и небольшое, но вполне достаточное, чтобы выбросить газовый фонтан высоко в разреженную атмосферу Тритона.
Самое первое сообщение о кольце вокруг Нептуна сделал британский астроном Уильям Ласселл в октябре 1846 года – спустя несколько дней после открытия этой планеты. Наблюдал он кольцо неоднократно и лишь через шесть лет пришел к выводу, что это – оптическая иллюзия, обусловленная недостатком его нового телескопа. Первый реальный намек на то, что Нептун окружен кольцами, появился почти полтора века спустя. В 1984 году французский астроном Андрэ Браик проводил наблюдения Нептуна на обсерватории «Серро-Тололо», расположенной в Чили. Обнаружилось, что при прохождении Нептуна на фоне далекой звезды свет от нее трижды прерывался какими-то объектами, расположенными на одном и том же расстоянии от Нептуна. Эти объекты были названы дугами, и их стали считать участками несформировавшегося кольца. Пять лет спустя на фотографиях, полученных со станции «Вояджер-2», действительно были обнаружены кольца, окружающие планету. Их оказалось шесть, и все они очень темные, отражают менее 3% падающего на них света. А вот при взгляде «сзади», с неосвещенной стороны, кольца выглядят гораздо светлее. Этот парадокс, обнаружившийся на снимках с «Вояджера-2», объясняется тем, что кольца состоят из очень мелких темных частиц, пылинок, плохо отражающих свет назад, но из-за своей малости хорошо рассеивающих его вперед.
Кольца Нептуна получили названия в честь астрономов, причастных к открытию этой планеты. Самое удаленное от Нептуна кольцо называется Адамс, оно узкое (50 км), но ярче остальных. Затем следует блеклое безымянное кольцо шириной 500 км, внутри которого движется небольшой, диаметром 180 км, спутник Галатея. Еще ближе к планете расположено самое широкое (4 000 км) и наиболее прозрачное кольцо Ласселл, к которому вплотную примыкают более яркие кольца шириной по 100 км – внешнее названо Араго, а внутреннее – Леверье. Далее находятся орбиты трех небольших спутников – Деспины, Талассы и Наяды, а затем – самое ближнее к планете кольцо Галле, не особенно яркое, но широкое (2 000 км). По иронии судьбы четырем наиболее ярким участкам, так называемым дугам, в пределах «английского» кольца Адамс присвоены французские названия Liberte, Egalite, Fraternite и Courage (Свобода, Равенство, Братство и Отвага). Объясняется это тем, что их открыл французский астроном Андрэ Браик. А вот сообразительный немецкий студент д`Арре остался неувековеченным в названиях колец Нептуна, хотя без его смекалки эта планета, возможно, и не была бы открыта столь молниеносно. Правда, одно из колец осталось безымянным – может быть, как раз ему и присвоят имя д`Арре?
Еще год назад никаких реальных планов полета к Нептуну не существовало. Считалось, что долететь туда за разумный срок с работоспособными приборами можно лишь при благоприятном расположении планет-гигантов, получая от каждой из них гравитационный импульс, ускоряющий станцию в нужном направлении. Такое расположение планет наступит в середине XXII века. Ситуация изменилась в 2004 году, когда вплотную приступили к разработке сценариев полета к Нептуну. С основной станции, которая станет искусственным спутником Нептуна, намечено отправить
Погожим осенним днем 23 сентября 1846 года почтальон доставил в Берлинскую обсерваторию письмо из Парижа, адресованное астроному Иоганну Галле. Прочитав письмо, Галле тут же отправился к директору, маститому профессору Иоганну Энке. Надежда на то, что тот разрешит проводить незапланированные наблюдения, была невелика, поскольку Энке очень педантично соблюдал заранее намеченный план использования телескопа. А в письме как раз была просьба провести наблюдения, запланировать которые никому бы и в голову не пришло. К берлинскому коллеге обращался французский астроном-теоретик Урбен Леверье. Он работал в парижском Бюро долгот, которое возглавлял крупнейший французский астроном Франсуа Араго. Именно Араго и поставил перед молодым ученым задачу по определению возможного местоположения неизвестной планеты, которая своим гравитационным влиянием вызывает неправильности в движении Урана, считавшегося тогда самой крайней из планет. Эти отклонения от расчетной траектории первым заметил петербургский академик Андрей Лексель еще в 1783 году, спустя два года после открытия Урана. Изучив особенности движения этой планеты, Лексель предположил, что на нее воздействует притяжение неизвестного космического тела, расположенного еще дальше. Почему же Леверье не обратился к своим коллегам в Парижской обсерватории, а отправил письмо в далекий Берлин? В том-то и дело, что он обращался, но парижские астрономы не проявили интереса к таким поискам, полагая, что это невозможно – пытаться вычислить расположение планеты, не зная о ней почти ничего. Леверье жаждал воплощения своих расчетов в виде реальной планеты и подумал, что помочь ему сможет именно Галле. Тут сыграли роль наблюдения, сделанные за полтора века до этого датским астрономом Оле Рёмером, известным по первым измерениям скорости света. Рёмер был уважаем не только как крупный астроном, но и как мэр Копенгагена, без устали хлопотавший о городском хозяйстве. Однако после смерти мэра судьба сыграла злую шутку с его архивом астрономических наблюдений. Созданная и хорошо экипированная им пожарная команда не спасла его бумаги от уничтожения во время большого копенгагенского пожара 1728 года, когда пламя, занявшееся в маленькой свечной мастерской, уничтожило почти весь город – более 1 700 домов, включая ратушу и университет. От обсерватории Рёмера осталось только пепелище. Брандмейстеры не смогли одолеть огонь, поскольку были пьяны – они как раз отмечали получение премии за успешно проведенный смотр пожарных команд. Но малая часть записей Рёмера все же сохранилась. Там были и наблюдения планеты Уран, сделанные за 75 лет до ее открытия. В течение трех ночей в 1706 году Рёмер фиксировал координаты Урана, считая его одной из звезд. Именно эти материалы и попали затем в Берлин, где их исследовал молодой астроном Иоганн Галле. Обработка наблюдений Урана, выполненных Рёмером, стала его диссертационной работой. Публикацию ее в научном журнале Галле разослал тем европейским астрономам, которые занимались вычислениями особенностей движения планет. Получил эту статью и Леверье. Однако ответил он на письмо берлинского коллеги лишь год спустя, направив ему просьбу о поиске новой планеты.
Леверье повезло самым неожиданным образом. Письмо из Парижа пришло в Берлин именно в тот день, когда директор обсерватории, придворный астроном прусского короля Иоганн Энке отмечал 55-летие и отменил в предстоящую ночь наблюдения. Поэтому он разрешил своему ассистенту Иоганну Галле выполнить просьбу парижского коллеги. Правда, Энке не преминул заметить, что занятие это весьма сомнительное и будет лишь пустой тратой времени. Живший при обсерватории немецкий студент Генрих д’Арре (фамилия досталась ему от французских предков) попросил разрешения поучаствовать в наблюдениях, на что Энке также согласился. Это стало вторым везением, поскольку именно благодаря д’Арре предстоящим наблюдениям суждено было стать успешными. Как только стемнело, Галле навел телескоп на участок неба, координаты которого были указаны в письме, и попытался увидеть там новую планету, которая должна была отличаться от звезд наличием заметного диска. Такого объекта в поле зрения телескопа не оказалось. Это означало, что для поиска планеты, которая, по словам Леверье, «ожидает своего открытия», предстояло записать координаты множества звезд на этом участке неба, а на следующий день повторить наблюдения, чтобы обнаружить объект, положение которого изменилось. Это и будет искомая планета, перемещающаяся на фоне неподвижных по отношению друг к другу звезд. Работа предстояла долгая и тщательная. Однако Генриху д’Арре пришла мысль ускорить и облегчить ее, воспользовавшись подробной картой звездного неба. Такие карты для различных участков как раз и готовила в те годы Берлинская обсерватория. Пройдя темными коридорами, они стали рыться в шкафах, и снова везение – карта на нужный район обнаружилась! Причем это был самый последний из листов, только что отпечатанный и еще не разосланный в другие обсерватории. И вот Галле вновь смотрит в телескоп, произнося вслух координаты каждой звезды, а д’Арре сличает их с картой, отвечая: «Есть, есть…» Полчаса спустя, в начале первого ночи, в башне обсерватории раздался радостный возглас: «Этой звезды нет на карте!» Расхождение с координатами, указанными Леверье, было менее 1°. Несмотря на поздний час, Генрих д’Арре побежал домой к директору обсерватории, чтобы сообщить ему экстраординарную новость. Энке тут же отправился в обсерваторию и успел увидеть новую планету еще до того, как это тусклое пятнышко скрылось за горизонтом. Но с сообщением об открытии берлинские астрономы торопиться не стали – нужно было абсолютно точно убедиться, что это планета, а не звезда. На следующий день с погодой вновь повезло – небо было совершенно ясным, поэтому, как только стемнело – около девяти вечера, – все трое продолжили наблюдения и увидели, что за прошедшие сутки объект сместился относительно неподвижных звезд. Теперь стало ясно, что планета, предвычисленная Леверье, обнаружена! На следующее утро в Париж полетело письмо с радостной вестью, а оттуда в скором времени пришли поздравление и благодарность, а также предложение Леверье назвать новую планету Нептуном, а не Янусом, как хотел Галле. Поначалу это название не стало общепринятым, и в газетах ее называли просто планетой Леверье. Сам же факт открытия стал крупнейшим событием – найдена еще одна, восьмая, планета Солнечной системы. Причем найдена не случайно, а путем научных расчетов, безукоризненность которых получила абсолютное подтверждение. История открытия Нептуна навечно поселилась во всех учебниках астрономии. По указанным координатам новую планету отыскали астрономы разных стран. Началось с Европы, а затем новость достигла и России, где Нептун первым наблюдал в ноябре 1846 года ректор Казанского университета знаменитый астроном Иван Симонов, один из первооткрывателей Антарктиды. Франция награждает и Леверье, и Галле орденом Почетного легиона. Лондонское королевское общество (Британская академия наук) присуждает Леверье высшую награду – медаль Копли. Петербургская академия наук избирает его почетным членом. И еще никто не подозревает, что вот-вот дело об открытии новой планеты получит совсем иной оборот – на бесспорный приоритет Леверье будет брошена незаслуженная тень. Сделают это коллеги по профессии – астрономы из соседней Англии.
Полтора месяца спустя после триумфального открытия Нептуна миру было поведано о том, что Англия претендует на приоритет в открытии этой планеты, которую даже предлагалось переименовать в Океан. На собрании Королевского астрономического общества было объявлено, что английский астроном-теоретик из Кембриджа Джон Адамс еще осенью 1845 года (за год до открытия Нептуна) вычислил положение новой планеты, о чем он сообщил краткой запиской Королевскому астроному – директору Гринвичской обсерватории Джорджу Эри. Начали англичане с разбирательства между собой, задавая вопрос, почему Эри не организовал поисков новой планеты, в результате чего Британия упустила приоритет. Тут вскрылась целая цепь невезений, прямо-таки злой рок преследовал английских астрономов. Отвечая на записку Адамса, Королевский астроном задал в своем письме вопрос об особенностях вычислений. Самое странное, что Адамс не дал никакого ответа и дело продолжало стоять на месте. Вскоре он обратился к астроному-наблюдателю Джеймсу Чаллису, работавшему в том же Кембриджском университете, с просьбой организовать поиски. Чаллис после долгих проволочек приступил к поискам в июле 1846 года. Но ему невероятным образом не повезло. Самым обидным оказалось то, что Чаллис неоднократно наблюдал планету, записывал ее координаты, но все никак не удосуживался сравнить результаты наблюдений, проведенных в разные дни. А ведь это позволило бы ему распознать планету за два месяца до того, как ее обнаружили берлинские астрономы. Защищаясь от нападок коллег, Чаллис обвинил в своей неудаче немецких астрономов, которые, экономя на почтовых расходах, рассылали свои звездные карты только попарно, а к тому листу, на котором немцы обнаружили в сентябре новую планету, еще не было пары, поэтому карта имелась только в Берлинской обсерватории. Впоследствии обнаружилось, что Чаллис лукавил, поскольку новая планета в период, когда он проводил наблюдения, была на соседнем участке неба, карта которого в Кембриджской обсерватории имелась, но он ею не воспользовался.