Загадки астрономии
Шрифт:
Вряд ли космонавты посадят свои корабли на облака или попытаются выйти для исследования их поверхности, поэтому возникает вопрос…
Загадка 2. Обнаружат ли космонавты на Сатурне бóльшую силу тяжести, чем на Юпитере?
Если принять толщину атмосферы равной 28 000 км, какова будет действительная сила тяжести на твердой поверхности Сатурна диаметром не 120 000, а всего 64 000 км? Сила тяжести зависит от двух факторов — полной массы и расстояния до центра этой массы. Но изменение массы сказывается не так существенно, как уменьшение радиуса, который «концентрирует» поле силы тяжести и быстро увеличивает
Если теперь принять для наших расчетов уменьшенное значение массы Сатурна (массу атмосферы мы не будем учитывать), уменьшение радиуса примерно в два раза резко увеличит ускорение силы тяжести на поверхности до пугающего значения 2,7 g (по расчетам Форварда). На первый взгляд кажется, что «рекорд», установленный Юпитером, — в среднем 2,67 g, — побит, но на самом деле это не так. Действительно, если все сделанные нами допущения применить к Юпитеру, сила тяжести будет уже не та, что на границе облачного слоя, то есть выше 2,67 g, и вновь побьет рекорд Сатурна. Если же атмосфера Юпитера толще на 7000 км (то есть не 13 000, а 20 000 км), то ускорение силы тяжести на поверхности будет выше 3,0 g.
Прежде чем космонавты отправятся к внешним планетам, астрономы должны покончить с некоторыми своими заблуждениями, в том числе и относительно силы тяжести на поверхности Сатурна, якобы равной 1,17 g. Иначе разгневанные космонавты по возвращении на Землю потребуют объяснить, почему у них подкашивались ноги, когда они ступили на почву Сатурна — ледяной планеты, радиус твердого тела которой почти равен толщине облачного слоя.
Загадка 3. Может быть, Сатурн — «газовый пузырь», лишенный какой-либо твердой поверхности?
Некоторые астрономы считают, что Сатурн вообще не имеет твердого ядра. 20 % твердого вещества Сатурна рассеяно в виде отдельных кусков по заполненному газом объему планеты и нигде не образует твердой поверхности, на которой могли бы высадиться космонавты.
И все же, вероятнее всего, твердое ядро существует, поскольку всякое тяжелое вещество должно погружаться к центру газового шара. Но сжатие газов в недрах планеты может сильнее увеличить среднюю плотность, чем добавление каменистых горных пород или металлов. Поэтому астрономы считают, что если «добавка» твердого вещества на Сатурне включает лишь самые легкие металлы и неметаллы, например литий, бериллий, кальций, магний, кремний и серу, то на какой-то глубине они уже будут иметь меньшую плотность, чем окружающая среда чудовищно сжатых газов, и перестанут опускаться к центру. Такое вещество никогда не сгруппируется в твердое ядро.
Теоретические доказательства того, что Сатурн состоит только из газов, не убедительны, а полное отсутствие твердых веществ невозможно себе представить. Более вероятно, что планета все-таки имеет четко выраженную твердую поверхность, так как многие газы, например аммиак, окислы серы, метан, сжижаются при низких температурах и высоких давлениях. Ниже, где давление еще больше, они затвердевают, несмотря на тепло, выделяющееся при сжатии. Кроме того, вода наверняка составляет заметную часть полной массы планеты, а она может существовать не только в жидком, но и в твердом состоянии.
В широко известной модели Вилдта (Йельская обсерватория) Сатурн имеет ядро из железа, олова и цинка радиусом 25 000 км, которое окружено слоем льда, включающего замерзшую воду, аммиак и другие тяжелые газы; ядро покрыто тонкой корой из соединений легких металлов. Там, где кончается этот массивный ледяной шар, начинается газовая атмосфера, простирающаяся на 28 000 км; она-то и определяет
Если же на Сатурне имеет место парниковый эффект, как и на Юпитере, то льды в верхней части обширного ледяного покрова расплавлены и где-то под толщей атмосферы всю планету покрывает океан жидкого аммиака.
Кольца Сатурна
За пределами атмосферы расположены кольца Сатурна, за которые эту планету называют «жемчужиной солнечной системы». Система колец начинается приблизительно в 15 000 км от поверхности Сатурна кольцом С, которое затем сменяется последовательно кольцами В и А, причем все они разделены несколькими щелями. Наружный диаметр системы колец превосходит 270 000 км. Если поместить кольца между Землей и Луной, когда последние находятся на минимальном расстоянии друг от друга (356 000 км), то внешние края системы колец Сатурна находились бы лишь в 43 000 км от каждого тела.
Толщина колец не превышает 40 км; большинство ученых считают, что она составляет всего 15 км. Каждые 14,5 лет, когда кольца видны «с ребра», они превращаются в тонкую линию и становятся почти невидимыми. Сначала кольца считали сплошными и твердыми, затем жидкими, но в настоящее время нет сомнений в том, что они состоят из миллиардов крошечных частиц, движущихся по своим орбитам, подобно микроспутникам [20] . Это подтверждается наблюдениями покрытий звезд Сатурном, так как звезда видна сквозь кольца и при этом происходит лишь небольшое ослабление блеска.
20
Невозможность существования сплошных колец доказали Максвелл и С. В. Ковалевская. Сплошные кольца неустойчивы — их разорвали бы приливные силы. — Прим. ред.
Широко распространенное, но ошибочное представление о происхождении колец сводится к следующему: много лет назад Сатурн имел спутник, который находился в пределах «зоны Роша» на расстоянии менее 2,4 диаметра (около 290 000 км). Внутри этой зоны сила притяжения планеты, как бы «растягивающая» спутник, настолько велика, что разорвала его на множество кусков, рассеявшихся затем в форме блюда и продолжающих орбитальное вращение.
Но зона Роша опасна только для «жидкого» спутника (что соответствовало прежним представлениям о жидких кольцах). Твердый спутник в зависимости от своей плотности и прочности мог бы вращаться значительно ближе к Сатурну, не рискуя быть разорванным силой притяжения. Другое противоречие этой теории выражается в том, что высокое альбедо (69 %) колец указывает на существенную долю (по крайней мере половина) ледяных частиц в кольце, хорошо отражающих свет. Но, вообще говоря, нет никакой уверенности в том, что взрыв «ледяной луны» (подобной «снежным» спутникам Юпитера — Ганимеду и Каллисто) поблизости от Сатурна привел бы к образованию кольца. Тепло, выделившееся при взрыве, превратило бы лед в пар, который быстро рассеялся.
Итак, возникает еще один вопрос…
Загадка 4. Если кольца Сатурна образовались не из взорвавшегося спутника, то каково же их происхождение?
Некоторые ученые нерешительны в своих выводах, высказывая скорее догадки, чем теории.
1. Когда из первичного газо-пылевого сгущения образовался Сатурн, соседнее сгущение подверглось гравитационным возмущениям и не смогло конденсироваться как целое, а распалось на миллиарды мелких сгущений, которые впоследствии составили компоненты колец.