Хронограф
18152229
29162330
310172431
4111825
5121926
6132027
7142128

<декабрь>

Путеводители

Наблюдения за окольцованным гигантом

Если бы все кольца Сатурна светились достаточно ярко, он занял бы на ночном небе больше места, чем Луна

Хайлайн парк, Нью-Йорк, 25 мая 2010 года. Сейчас хорошее время, чтобы наблюдать Сатурн. И хотя Международный год астрономии уже кончился, любителей смотреть в небо от этого не стало меньше. Фото (Creative Commons license): Karen aka SpecialKRB

Начало нынешнего года проходило под знаком масштабного всемирного фестиваля — Международного года астрономии. Видимо, отчасти благодаря этому интерес граждан к различным астрономическим явлениям был особенно велик. Но дело все-таки не только в этом. Количество уникальных явлений подобного рода было в этом году и в самом деле больше обычного. Дело дошло до того, что в конце позапрошлой недели астрономии посвящалась главная тема новостных выпусков CNN. Речь в них шла о Юпитере, но и другой газовый гигант Солнечной системы старался не отстать: в этом июне кольца Сатурна можно будет видеть если и не невооруженным глазом, то, по крайней мере, вооружив его самым непритязательным оптическим прибором. А незадолго до этого, в середине мая, астрономам представилась почти уникальная возможность увидеть, как те же самые кольца «разрезали» напополам самый большой спутник Сатурна Титан.

Хотя сложная и развитая система колец у Сатурна наиболее заметна, она оказалась далеко не единственной в Солнечной системе. Более того, кольца оказались скорее нормой, чем исключением. Сейчас подобные системы известны у Урана, Юпитера, Нептуна и Плутона. Только если Галилею удалось заметить кольца у Сатурна при помощи своего довольно слабого телескопа, то для открытия всех остальных понадобились орбитальные обсерватории. Появление этих мощных исследовательских инструментов резко увеличило и объем знаний о кольцах Сатурна, но одновременно возросло и количество связанных с ними загадок. Новое его кольцо было открыто совсем недавно — осенью прошлого года. Об этом на собрании Американского астрономического общества сообщила Энн Вербишер (Anne Verbiscer) из Виргинского университета в Шарлоттесвилле (University of Virginia).

Призрачное дитя Фебы

Вновь обнаруженное кольцо оставалось незамеченным, хотя является самым большим известным околопланетным кольцом в Солнечной системе. Его внутренний радиус оценивается в 6 млн км, более чем на два порядка превышая радиус самого Сатурна в 128 раз, внешний — в 12–13 млн км. Толщина кольца составляет 2,4.106 км, то есть она в 20 раз больше диаметра планеты и всего в 62 раза меньше радиуса земной орбиты. Тем не менее в видимом свете его наблюдать крайне затруднительно. Обнаружили его с помощью космического телескопа Спитцер (Spitzer Space Telescope), зарегистрировавшего яркое пятно в инфракрасной части спектра. Источниками излучения оказались освещаемые Солнцем пылевые частицы кольца.

Самое большое кольцо Сатурна невидимо в оптическом диапазоне, и даже в инфракрасном его оказалось непросто обнаружить. Но если бы оно было видно, то Сатурн оказался бы примерно такого же размера, как Луна и Солнце. Однако, как говорят, астрономия не терпит сослагательного наклонения. Иллюстрация: NASA/JPL-Caltech/a Verbiscer(Univ. of Virginia), NASA/ESA/STScI/AURA

Следует заметить, что уже шесть лет — начиная с 2004 года, когда окрестности Сатурна начал исследовать зонд NASA «Кассини», — сообщения об относящихся к Сатурну открытиях регулярно появляются в прессе. Однако открытие нового кольца Сатурна занимает в этом ряду особое место — поскольку сделано было не с помощью аппаратуры на борту космического зонда, а благодаря находящемуся на околоземной орбите телескопу. Впрочем, это почти и не удивительно: «Если бы мы обладали способностью так же хорошо видеть инфракрасные лучи, как телескоп Спитцера, — говорила Энн Вербишер, — новое кольцо предстало перед нашими глазами размером с Луну».

Можно только удивляться, что столь внушительный по размерам и относительно недалекий от Земли космический объект до сих пор никем не был замечен. Но и на это есть ответ: плотность частиц в кольце довольно низкая, она не превосходит 10–20 частиц на кубический километр пространства. Их спектральный анализ позволяет предположить, что своим происхождением они обязаны Фебе, одному из удаленных спутников Сатурна, открытого в 1898 году Уильямом Пикерингом (William Henry Pickering, 1858–1938).

У Фебы есть свои хорошо известные астрономам странности. Например, она движется по орбите в «неправильном» направлении, то есть против вращения самого Сатурна. Обычно такое поведение спутника объясняется тем, что его тело никогда не было частью планеты, на орбите которой он теперь поселился. Феба могла бы оказаться бывшим астероидом, но эта гипотеза плохо согласуется с ее слишком низкой плотностью и слишком темными ландшафтами.

Плоскость кольца совпадает не с экваториальной плоскостью самого Сатурна — как у остальных колец, — а с плоскостью орбиты Фебы, образуя угол в 27° с плоскостями всех остальных колец. Несмотря на низкую плотность кольца, его частицы все же достаточно часто сталкиваются друг с другом, чтобы терять заметную часть своей кинетической энергии. Как ни странно, это дало решение одной давней загадки в истории изучения спутников Сатурна.

Самый дальний из крупных спутников, Япет, в не меньшей степени заслуживал бы названия Януса: один его лик светел, как и у большинства остальных спутников, а другой — темен, как Феба. Кажется естественным допустить, что темные частицы Фебы как-то перекочевывают на Япет. Но как? Теперь ясно, что по пути они долгое время существуют в виде частиц самого большого кольца Сатурна.

Воспользовавшись моментом, когда «Кассини» и Земля находились по разные стороны от колец, наблюдателям удалось по пространственным гармоникам индикатрис рассеяния переданного с Земли радиоизлучения установить распределение по размерам частиц в разных кольцах. Лиловым цветом показаны области, где нет частиц меньше 5 см в диаметре, зеленым — те, где преобладают частицы меньше 5 см, а голубым — меньше 1 см. Белыми остались те области, где плотность частиц и их размеры слишком велики, чтобы сквозь них мог проникать радиосигнал. Фото: NASA/JPL

Кольца, деления и щели

Во время своих первых телескопических наблюдений Сатурна Галилей разглядеть колец не смог. По одной из версий, высказанных не так давно Паоло Галлуцци (Paolo Galluzzi), причиной была уже быстро прогрессировавшая в то время болезнь глаз. Галилей увидел, что планета имеет странную сплюснутую форму, которую он объяснил наличием на низких орбитах двух спутников, «компаньонов», как он их назвал.

Лишь в 1659 году Христиан Гюйгенс (Christiaan Huygens, 1629–1695) установил, что «компаньоны» на самом деле представляют собой тонкое плоское кольцо, опоясывающее планету, но не соприкасающееся с нею. Очень скоро после этого выяснилось, что кольцо у Сатурна не одно, даже правильнее говорить о сложной кольцевидной структуре. К началу XVIII века это было уже почти трюизмом: законы небесной механики устанавливали зависимость периода вращения колец от их радиусов, из-за чего слишком широкое и плотное кольцо с неизбежностью должно было бы разрываться. Первый такой разрыв обнаружил в 1675 году французский астроном итальянского происхождения Жан-Доминик Кассини (Giandomenico или Jean-Dominique Cassini, 1625–1712). Этот разрыв в его честь до сих пор называют «щелью Кассини» (Cassini Division).

Со временем была построена большая и обстоятельная теория планетарных колец, к созданию которой приложил свою руку и величайший английский физик Джеймс Клерк Максвелл (James Clerk Maxwell 1831–1879), творец электродинамики. Однако до сих пор остается непонятным как и когда приобрел Сатурн свои кольца и почему таких же кольца других планет Солнечной системы не образуют такой сложной и обширной конструкции? Есть только несколько гипотез, разной степени убедительности.

Некоторые из них приписывают определяющую роль в возникновении колец спутникам Сатурна, а их к настоящему времени известно уже более шестидесяти, если считать только спутники с регулярными орбитами. А если учитывать все, так их окажется около двух сотен. Себастьян Чарнос (Sebastien Charnoz) из Парижского университета Дидро (Université Paris Diderot) и его коллеги опубликовали в 2008 году в журнале «Icarus» статью, в которой утверждалось, что кольца образовались примерно через 700 млн лет после образования самого Сатурна, то есть от 3,8 до 4,1 млрд лет назад.

Примерно так, по мнению астрофизиков из Гарварда Лизы Кальтенеггер и Весли Трауба и в художественном воплощении Дэвида Агиляра, должна была выглядеть Земля во время «большой бомбардировки». Атмосфера имела красноватый оттенок из-за избытка в ней углекислого газа и сульфатов азота, один океан, полный коричневой и мутной жижи, покрывал всю поверхность планеты. И на все это сверху непрерывно валились раскаленные обломки небесных тел. Иллюстрация: David A. Aguilar (CfA)

К этому времени относится процесс, получивший в англоязычной литературе название Late Heavy Bombardment («поздней тяжелой бомбардировки»). Именно тогда на Луне образовалось большое количество ударных кратеров. В то же самое время аномально большое число столкновений с метеоритами испытали Земля, Марс и Венера. В статье утверждается, что тогда же произошло столкновение одного из спутников Сатурна с неким космическим объектом. А поскольку спутник находился на относительно небольшом расстоянии от Сатурна, то его осколки не рассеялись в космосе, а послужили своего рода «затравкой» для будущих колец.

Исследовать детали такого процесса можно исключительно методами компьютерного моделирования. В частности, модель должна была показать, на каком максимальном расстоянии от Сатурна мог находиться спутник, чтобы его осколки не покинули окрестностей планеты. Кроме того, надо было выяснить, при каких условия достаточно близкие к планете спутники «доживали» до этой бомбардировки. Ведь у других планет подходящих спутников не оказалось.

Впрочем, эта версия довольно близка к опубликованной еще в XIX веке версии Эдуарда Роша (Édouard Albert Roche, 1820–1883). Только в его редакции спутник разваливался не из-за соударения с неким посторонним небесным телом, а разрывался приливными силами, обусловленными гравитационным полем Сатурна.

С ними конкурирует другая группа гипотез, в которых кольца сформировались из того же небулярного вещества, что и сам Сатурн, а происходило это в то же самое время, что и формирование Сатурна. С технической точки зрения это гораздо более трудоемкая задача, оно требует большего объема вычислений, и соответственно о ней пока мало что можно сказать.

Информация, получаемая с помощью космических зондов, существенным образом изменила (и продолжает изменять) наши представления об устройстве колец — поэтому не исключено появление новых гипотез их происхождения. Согласно современным представлениям о структуре колец, колец насчитывается всего восемь (включая только что открытое). В пространстве над экватором Сатурна, начиная с расстояния от его центра в 7000 км и заканчивая 80 000 км, находятся плотные основные кольца A, B и C (из которых кольцо, А — самое удаленное от Сатурна, а кольцо С — самое близкое) , на 99,9% состоящие из чистого водяного льда. Эти кольца состоят из более плотных и больших по размеру частиц, чем «пылевые кольца» D, G, E и F. Только одно из «пылевых» колец, а именно D, находится ближе к Сатурну, чем кольцо С, в то время как G, E и F являются внешними относительно А. «Пылевыми» они названы из-за крайне малого размера составляющих их в основном частиц водяного льда (обычно порядка микрометра).

Если во времена первых исследований колец их структура представлялась в основном однородной, то сейчас приходится даже проводить различие между широкими разрывами между кольцами, вроде деления Кассини между кольцами А и В, и узкими — внутри, вроде щелей Энке и Килера в кольце А. Схема: NASA/JPL/Space Science Institute 

Щель Кассини шириной в 4800 км, разделяющая кольца А и B, — не единственный «пустой» промежуток в системе колец. Весьма значительна по своему размеру также щель Роша (Roche Division), отделяющая друг от друга кольца A и F — 2600 км. В то же время уже информация с «Вояджеров» показала, что кольца на самом деле представляют собой систему тысяч небольших по ширине колец и разделяющих их промежутков. Так, на снимках, сделанных «Вояджером-1», удалось увидеть три узких кольца внутри кольца F. Тонкая структура колец объясняется воздействием гравитационных полей со стороны многочисленных спутников Сатурна. Для терминологического различения широких разрывов между кольцами и относительно узких — внутри колец первые (divisions) иногда называют «делениями», сохраняя термин «щель» (gap) только для вторых.

«Вояджер» обнаружил и еще одно труднообъяснимое явление, связанное с кольцами. На поверхности кольца В он заметил поперечные полосы — то светлые, то темные, в зависимости от угла зрения. Эти полосы получили название «спиц» (spokes). Со спицами оказалось связано много странностей. Сколь непонятно было их появление в начале 80-х, столь же загадочно было их исчезновение в 2004-м, когда к Сатурну приблизился зонд «Кассини». Тогда было высказано предположение, что это своего рода сезонное явление — скажем, спицы появляются, когда планета проходит через точки солнцестояний, но исчезают, когда она находится вблизи положений равноденствия. Однако в сентябре 2005, до того как произошла смена сезона, их заметили на снимках «Кассини» вновь.

Тяжелый венец

Общая масса всех колец Сатурна оценивается в 3.1019 кг. Много это или мало? Мало, если сравнивать ее с массой самого Сатурна — 5,7·1026 кг; в то же время масса Мимаса — ближайшего к Сатурну регулярного спутника — 4·1019 кг, что лишь немного больше массы колец. Впрочем, открытие Энн Вербишер, как последние данные с борта «Кассини», могут вынудить увеличить оценку массы колец в разы.

Среди недавних неожиданных открытий, сделанных с помощью «Кассини», — существование у колец собственной атмосферы, состоящей в основном из молекулярного кислорода. Своим происхождением этот кислород обязан разложению молекул воды, в изобилии присутствующей и в кольцах, и в составе спутников — тот же Мимас, как сейчас принято считать, состоит почти исключительно из льда. Установлено также, что в атмосфере колец присутствует и некоторое количество гидроксила OH.

В ходе изучения колец с помощью зонда «Кассини» астрономам также пришлось пересмотреть и устоявшиеся представления о неизменности облика колец Сатурна. Так, на полученных в 2006 года с борта зонда изображениях внутреннего кольца Сатурна — кольца D — были отчетливо видны чередующиеся светлые и темные полосы. Эксперты убеждены, что зонду удалось «увидеть» существующие на «поверхности» кольца своеобразные «канавки», глубина которых, по их оценкам, достигала километра.

Спутник Прометей, приближаясь к кромке кольца F, создает в нем волнообразные изломы. Компьютерное моделирование показывает, что такая сложная форма вполне объяснима гравитационным воздействием. Фото: NASA/JPL/Space Science Institute

Заинтригованный этим открытием, Мэтью Хедман (Matthew Hedman) из Корнеллского университета (Cornell University) построил компьютерную модель процессов, которые, по его мнению, могли привести к формированию таких канавок. Он предположил, что некоторое время назад кольцо отклонилось от экваториальной плоскости Сатурна и что причиной этого отклонения стало его соударение с кометой или астероидом. После этого, согласно модели Хедмана, эволюцию частиц кольца стала определять неоднородность гравитационного поля Сатурна. Поскольку Сатурн не является идеальным шарообразным телом, разные фрагменты смещенного кольца испытывали разное по интенсивности воздействие его гравитационного поля. Вследствие этого внутренние части кольца начали смещаться относительно друг друга, что и стало причиной образования канавок.

Последние изображения колец, переданные с борта «Кассини», показали, что канавки есть не только на кольце D. В августе 2009 года косые солнечные лучи позволяли рассматривать на поверхности колец тени даже от небольших неоднородностей. Благодаря этому выяснилось, что канавками покрыта и поверхность примыкающего к кольцу D кольца С, хотя и не столь глубокими — не более сотни метров. При этом ширина кольца C достигает 17 000 км, что почти в два раза превышает ширину кольца D, при приблизительно той же толщине в 3–4 км.

Этот факт ставит под сомнение гипотезу, связывающую возникновение канавок со столкновением кольца с кометой или астероидом. Более правдоподобным оказывается другой сценарий, согласно которому причиной появления канавок могла быть дополнительная неоднородность гравитационного поля Сатурна. Например, она могла возникнуть из-за перемещения в атмосфере планеты гигантских облаков.

Минули времена, когда к кольцам относились как к однородному и достаточно простому объекту. Исследования последнего десятилетия — и даже, можно сказать, последних двух лет — коренным образом изменили отношение к этому необычному и загадочному космическому образованию. Многие из обнаруженных странностей невозможно объяснить, опираясь только на небесную механику: нет сомнений, что за формирование спиц, а, возможно, и канавок ответственны электромагнитные явления в магнитосфере газового гиганта. Перефразируя классика, можно сказать, что кольца Сатурна оказались так же неисчерпаемы, как и сама Солнечная система, понимая под неисчерпаемостью их неисчерпаемость как источника информации.

Кольца могут быть не только у планет Солнечной системы, но даже у их природных спутников. Правда, на этой иллюстрации художнику пришлось сильно преувеличить плотность кольца Реи, второго по величине спутника Сатурна, чтобы сделать его видимым. Иллюстрация: NASA/JPL/JHUAPL  http://photojournal.jpl.nasa.gov/catalog/PIA10246

Открытия, сделанные в кольцах Сатурна, позволят, несомненно, многое понять и в устройстве гораздо более темных и менее заметных — а потому более сложных в изучении — колец других планет.

Борис Булюбаш, 03.06.2010

 

Новости партнёров