Астрономия. Популярные лекции - Владимир Георгиевич Сурдин

Теперь поговорим о кольцах планет.

Кольца планет-гигантов

Все знают, что «окольцованная планета» — это Сатурн. Но при внимательном наблюдении выясняется, что кольца есть у всех планет-гигантов. С Земли их заметить сложно. Например, кольцо Юпитера мы не видим в телескоп, но замечаем его в контровом освещении, когда космический зонд смотрит на планету с ее ночной стороны (рис. 6.7). Это кольцо состоит из темных и очень мелких частиц, размер которых сравним с длинной волны света. Они практически не отражают свет, но хорошо рассеивают его вперед.

Рис. 6.7. Юпитер. Фото зонда «Галилео» (NASA)

Тонкими кольцами окружены Уран и Нептун (рис. 6.8 и 6.9). Вытянутые изображения звезд указывают, что экспозиция была длительной, поэтому диск планеты получился с передержкой и его пришлось закрыть. Только так удалось заснять кольца. Но все же они заметны в прямом свете, а не в контровом, т. е. их частицы неплохо отражают свет.

Как видим, кольца совершенно разные. Размер их частиц — от метров до микрометров; поверхность частиц — от светлой (А = 0,6) до очень темной (А = 0,02); толщина колец — от десятков метров до сотен километров, а масса вещества в них различается в миллиард раз! Единственное, что объединяет кольца, — их радиусы относительно радиуса своей планеты (R). Внешний радиус кольца в (2÷2,5)R определяется влиянием приливных сил. Это размер так называемой зоны Роша — расстояние от центра планеты, на котором мягкое тело ее же плотности разрушается под действием приливных сил.

Рис. 6.8. На этом фото кольца Урана сняты в ИК-диапазоне. Снимки получены на 10-метровом телескопе «Кек» с использованием системы адаптивной оптики.

Рис. 6.9. Кольца Нептуна. Фото зонда «Вояджер-2» (NASA), сделанное при пролете вблизи Нептуна в 1989 г.

Заметить какую-либо взаимосвязь между параметрами колец довольно сложно. Материал колец Сатурна белый как снег (альбедо 60 %), а остальные кольца чернее угля (А = 2–3 %). Все кольца тонкие, а у Юпитера довольно толстое. Все из «булыжников», а у Юпитера — из пылинок. Структура колец тоже разная: одни напоминают граммофонную пластинку (Сатурн), другие — матрешкообразную кучу обручей (Уран), третьи — размытые, диффузные (Юпитер), а кольца Нептуна вообще не замкнуты и похожи на арки.

Рис. 6.10. Кольца и внутренние спутники планет-гигантов. Все расстояния масштабированы к экваториальному радиусу соответствующей планеты.

В голове не укладывается относительно малая толщина колец: при диаметре в сотни тысяч километров их толщина измеряется десятками метров. Мы никогда не держали в руках столь тонкие предметы. Если сравнить кольцо Сатурна с листом писчей бумаги, то при его известной толщине размер листа был бы с футбольное поле!

Рис. 6.11. Спутники на геостационарных орбитах образуют «кольцо» вокруг Земли.

В шутку можно сказать, что и у Земли есть кольцо — искусственное. Оно состоит из нескольких сотен спутников, выведенных на геостационарную орбиту (рис. 6.11). Здесь показаны не только геостационарные спутники, но и те, что находятся на низких орбитах, а также на высоких эллиптических орбитах, но геостационарное кольцо выделяется на их фоне вполне заметно. Впрочем, это рисунок, а не фото. Сфотографировать искусственное кольцо Земли пока никому не удалось, ведь его полная масса невелика, а светоотражающая поверхность ничтожна. Едва ли суммарная масса спутников в кольце составит 1000 тонн, что эквивалентно астероиду размером 10 м. Сравните это с параметрами колец планет-гигантов.

Рис. 6.12. Последовательные снимки Сатурна, сделанные в 2004–2009 гг. (снизу вверх). Фото: Alan Friedman.

Рис. 6.13. Результат расчета того, как меняется внешний вид Сатурна для земного наблюдателя за период в 28 лет. Весьма благоприятными для наблюдения кольца будут 2018–2020 гг. Так что, если вы хотите полюбоваться кольцом Сатурна, поторопитесь — даже в слабый телескоп вы сможете увидеть это замечательное творение природы.

Плоскость кольца совпадает с экватором планеты. Иного и быть не может, поскольку у симметричной сплющенной планеты вдоль экватора в гравитационном поле — потенциальная яма. На серии снимков, полученных с 2004 по 2009 гг. (рис. 6.13), мы видим Сатурн и его кольцо в разных ракурсах, поскольку экватор Сатурна наклонен к плоскости его орбиты на 27°, а Земля всегда недалеко от этой плоскости. В 2009 г. мы точно оказались в плоскости колец. Сами понимаете: при толщине несколько десятков метров самогó кольца мы не видим. Тем не менее черная полоска на диске планеты заметна — это тень кольца на облаках. Она видна нам, поскольку Земля и Солнце смотрят на Сатурн с разных направлений: мы находимся точно в плоскости кольца, но Солнце освещает Сатурн немного под другим углом, и тень кольца ложится на облачный слой планеты. Раз есть тень, значит, в кольце — довольно плотно «упакованное» вещество. Тень кольца исчезает только в дни равноденствия на Сатурне, когда Солнце оказывается точно в его плоскости, и это еще одно указание на малую толщину кольца.

Рис. 6.14. Слева: снимок Сатурна с однократной экспозицией в любительский телескоп. Примерно так же он виден при наблюдении в телескоп глазом. Справа: лучшее из 4800 изображений, полученных с профессиональным телескопом (B. Combs). Но и на нем у кольца еще не видно почти никакой структуры. Давно была замечена темная «щель» — разрыв Кассини, который более 300 лет назад открыл итальянский астроном Джованни Кассини. Кажется, что в разрыве ничего нет.

Рис. 6.15. На этом снимке особенно хорошо видна тень кольца на облачной поверхности Сатурна и, разумеется, тень самой планеты на кольце. В данном случае мы видим ночную сторону кольца, недоступную для наблюдения с Земли. Взгляд на любой предмет с другой стороны всегда полезен. Там, где