Астрономия. Популярные лекции - Владимир Георгиевич Сурдин

Кольцу Сатурна посвящено много работ. Джеймс Клерк Максвелл, тот самый, что прославился своими уравнениями электромагнитного поля, исследовал физику кольца и показал, что оно не может быть единым твердым предметом, а должно состоять из мелких частиц, иначе центробежная сила разорвала бы его. Каждая частица летит по своей орбите — чем ближе к планете, тем быстрее.

Рис. 6.16. С ночной стороны Сатурна сразу появляются те слабо видимые части колец, которые в прямом свете не видно. Фото зонда «Кассини» (NASA).

Когда космические зонды прислали снимки кольца Сатурна, нас поразила его тонкая структура. Однако еще в XIX в выдающиеся наблюдатели на обсерватории Пик-дю-Миди во Франции именно эту структуру видели глазом, но им тогда никто особенно не поверил, потому что никто, кроме них, подобных тонкостей не замечал. Но оказалось, что кольцо Сатурна именно такое. Объяснение этой тонкой радиальной структуре кольца специалисты по звездной динамике ищут в рамках резонансного взаимодействия частиц кольца с массивными спутниками Сатурна вне кольца и мелкими спутниками внутри кольца. В целом теория волн плотности справляется с задачей, но до объяснения всех деталей еще далеко.

Рис. 6.17. Рисунок, выполненный на обсерватории Пик-дю-Миди (Франция) в XIX в.

Рис. 6.18. Вверху — дневная сторона колец Сатурна. Зонд пролетает через их плоскость, и на нижнем снимке они повернуты к нам ночной стороной: вещество в делении Кассини стало вполне заметно, а яркие кольца, плотные и непрозрачные, напротив, потемнели. Это связано с тем, что мелкие частицы не отражают свет, а рассеивают его вперед. Снимки показывают, что вещество есть везде, но его частицы — разного размера и структуры. Что заставляет эти частицы разделяться, пока не очень ясно. На верхнем фото виден Янус — один из спутников Сатурна.

Надо сказать, что, хотя космические аппараты пролетали близко от колец Сатурна, ни одному из них не удалось увидеть реальные частицы, составляющие кольца, мы видим лишь общее их распределение. Отдельные глыбы не видны — исследователи не рискуют запускать аппараты внутрь колец. Но когда-нибудь это придется сделать.

Рис. 6.19. Это не настоящий цветной снимок: цветами здесь показан характерный размер частиц, составляющих ту или иную область. Красные — мелкие частицы, бирюзовые — более крупные. Фото зонда «Кассини» (NASA)

Рис. 6.20. Гравитационные возмущения колец Сатурна, создаваемые небольшим спутником Дафнисом. Фото зонда «Кассини» (NASA).

Рис. 6.21. Кольца и некоторые спутники Сатурна (названия спутников даны курсивом).

Когда кольцо разворачивается ребром к Солнцу, тени от крупных неоднородностей ложатся на плоскость кольца (рис. 6.22, 6.23). Самая длинная тень здесь — от спутника Мимас, а многочисленные мелкие пики, которые в увеличенном изображении показаны на врезке, однозначного объяснения пока не получили. За них ответственны выступы километрового размера. Не исключено, что некоторые из них — это тени от наиболее крупных камней. Но квазирегулярная структура теней более соответствует временным скоплениям частиц, возникающим в результате гравитационной неустойчивости.

Рис. 6.22. Пики и тени от них в кольце B Сатурна. Фото зонда «Кассини» (NASA).

Рис. 6.23. Тени на поверхности колец Сатурна. Фото зонда «Кассини» (NASA).

Вдоль некоторых колец летают спутники, так называемые «сторожевые псы» или «пастушьи собаки», которые своей гравитацией удерживают от размытия некоторые кольца. Причем сами спутники довольно интересны: один из двух движется внутри тонкого кольца, другой снаружи (например, Янус и Эпиметей). Их орбитальные периоды чуть-чуть различны: внутренний ближе к планете и, следовательно, быстрее облетает ее, догоняет наружный спутник и за счет взаимного притяжения меняет свою энергию: наружный притормаживается, внутренний ускоряется, и они меняются орбитами — тот, что затормозил, переходит на низкую орбиту, а тот, что ускорился, — на высокую. Так они делают несколько тысяч оборотов, а затем вновь меняются местами. Упомянутые выше Янус и Эпиметей меняются местами раз в 4 года.

Несколько лет назад открыли самое далекое кольцо Сатурна, о котором вообще не подозревали. Это кольцо связано со спутником Феба, с поверхности которого улетает пыль, заполняя область вдоль орбиты спутника. Плоскость вращения этого кольца, как и самого спутника, не связана с экватором планеты, поскольку из-за большого расстояния гравитация Сатурна воспринимается как поле точечного объекта.

Спутники

У каждой гигантской планеты есть семейство спутников. Особенно богаты ими Юпитер и Сатурн. На сегодняшний день у Юпитера их известно 79, а у Сатурна — 62, и регулярно обнаруживаются новые. Нижняя граница массы и размера для спутников формально не установлена, поэтому для Сатурна это число условное: если вблизи планеты обнаруживается объект размером 20–30 метров, то что это — спутник планеты или частица ее кольца?

Рис. 6.24. Крупнейшие спутники Сатурна (не в масштабе).

В любом многочисленном семействе космических тел мелких всегда больше, чем крупных. Спутники планет — не исключение. Мелкие спутники — это, как правило, глыбы неправильной формы, в основном состоящие изо льда. Имея размер менее 500 км, они не в состоянии своей гравитацией придать себе сфероидальную форму. Внешне они очень похожи на астероиды и ядра комет. Вероятно, многие из них таковыми и являются, поскольку движутся вдали от планеты по весьма хаотическим орбитам. Планета могла захватить их, а через некоторое время может потерять.

Рис. 6.25. Фобос. Фото зонда Mars Reconaissance Orbiter (NASA)

С малыми астероидоподобными спутниками мы пока знакомы не очень близко. Детальнее других исследованы такие объекты у Марса — два его небольших спутника, Фобос и Деймос. Особенно пристальное внимание было привлечено к Фобосу;