Окольцованные гиганты. Сатурн

Через несколько лет немецкий астроном Христоф Шайнер (Christoph Schiener) разглядел больше, чем Галилей. В его описании «придатки» не шарообразны, а имеют вид маленьких полумесяцев, острия которых направлены на планету, и образующих таким образом нечто вроде двух ручек, приставленных к чашке. Однако ручки, намертво прикрепленные к планете, уходили бы поочередно за Сатурн, чего не происходило. Объяснением ситуации был лишь немыслимый вариант с отсутствием вращения планеты. Следующие 40 лет над всем научным миром довлела эта тайна Сатурна. 

Голландец Христиан Гюйгенс (Christiaan Huygens) был изобретателем самого мощного и совершенного на то время телескопа. С его помощью он начал наблюдать Сатурн. Сначала структура окружавшего планету образования также не была понятна голландскому исследователю. Гюйгенсу необходимо было время, чтобы собрать необходимые наблюдательные факты и представить неопровержимые доказательства. Наконец, в 1659 году он опубликовал работу под названием Systema Saturnium, в которой во всеуслышание заявил, что Сатурн обладает кольцом. Это произвело эффект разорвавшейся бомбы. Противники со всех кафедр осмеивали Гюйгенса. Однако и сам предмет спора оказался очень уж капризным – вскоре кольца полностью исчезли. Голландец попал в то же положение, что и до него Галилей. 

В 60-е годы XVII века телескопы стали существенно совершеннее, и кольцо Сатурна можно было рассмотреть без особого труда. Выяснилось, что оно появляется строго периодично. Дважды в течение Сатурнова года, а это около 29,5 земных лет, кольцо видно наблюдателю с Земли под наибольшим углом и дважды – как бы с ребра, то есть совершенно «исчезает». Гюйгенс, выявив периодичность цикла, предсказал три следующих момента, когда кольцо должно исчезнуть – в июле 1671, в марте 1685 и декабре 1700 года. 

Объяснилась «игра в прятки» достаточно просто. Плоскость кольца совпадает с плоскостью экватора Сатурна. Но ось вращения планеты наклонена к плоскости вращения Земли вокруг Солнца. Если бы это было не так, мы бы всегда видели кольцо проходящим через центр диска планеты. Заметить его на таком расстоянии в телескоп было бы невозможно, и Сатурн бы выглядел такой же планетой, как Марс. 

Прошло несколько лет, мощность наблюдательных инструментов все возрастала – стали предприниматься попытки рассмотреть внутреннее строение кольца. Первым в 1675 году это удалось французскому астроному Жану Доминику Кассини (Jean-Dominique Cassini). Он обнаружил границу, разделяющую кольцо на две части и имеющую вид черной полоски – позже она получила название «щель Кассини». Этот же исследователь предложил идею о том, что кольцо, вернее теперь уже кольца, – не монолит, а скопление большого количества отдельных небольших твердых частиц. 

Строение колец все более и более уточнялось. В 1837 году немецкий ученый Иоганн Франц Энке (Johann Franz Encke) установил, что внешнее по отношению к делению Кассини кольцо А рассечено очень слабо различимой полоской. Затем в 1838 году молодой Иоганн Готтфрид Галле (Johann Gottfried Galle), тот самый, что позже открыл Нептун, обнаружил полупрозрачное внутреннее кольцо С. Первое время это открытие не признавали, так что в 1850 году кольцо было обнаружено «заново». С начала XX века неоднократно, но неуверенно фиксировалось необычайно слабое самое внутреннее кольцо D, располагающееся еще ближе к поверхности облаков Сатурна. 

По мере обнаружения колец, астрономов все больше интересовал вопрос, из какого вещества они состоят. Было ясно, что они не могут быть сплошными: в этом случае, из-за того, что тяготение «притормаживало» бы более удаленную от Сатурна часть колец относительно быстро бегущей ближней, кольца были бы разрушены приливными силами. Французский математик, физик и астроном Пьер-Симон де Лаплас (Pierre-Simon de Laplace) тогда предложил следующую схему: кольца представляют собой систему из вложенных друг в друга цельных колец, но настолько узких, что приливные эффекты для них нивелируются. Через некоторое время после его смерти шотландский математик Джеймс Максвелл (James Maxwell) окончательно оформил вывод о том, что кольца состоят из множества мелких тел. В своих построениях он показал, что даже узенькие кольца, если они цельные, прекратят свое существование, иначе говоря, просто развалятся из-за воздействия приливных сил. Интересно, что первая российская женщина-профессор Софья Васильевна Ковалевская в своей единственной астрономической работе «Дополнения и замечания к исследованию о форме колец Сатурна» практически доказала, что ни жидкими, ни газообразными кольца быть не могут, так как под воздействием тех же сил они бы практически сразу претерпели рассеяние в пространстве.

Однако все теоретические рассуждения должны пройти проверку строгими наблюдениями. Тут на помощь исследователям пришел ставший позже знаменитым благодаря доказательству расширения Вселенной эффект Доплера. Напомним, этот эффект состоит в том, что когда источник излучения движется относительно стоящего на месте наблюдателя, его волны приходят к наблюдателю не с той частотой, с какой они покинули данный источник. Если мы говорим о свете, то спектр излучения приближающегося объекта смещается в сторону фиолетового, а удаляющегося – красного, а величина смещения прямо пропорциональна скорости приближения или удаления. В 1895 году возможностями, открываемыми принципом Доплера, независимо друг от друга воспользовались два известных ученых – работавший в Пулковской обсерватории российский академик Аристарх Аполлонович Белопольский и американский астроном Джеймс Эдуард Килер (James Edward Keeler). 

Белопольский наблюдал кольца Сатурна через щель своего спектрографа и обнаружил, что спектральные линии одной видимой половины колец наклонены по отношению к линиям спектра самой планеты в одну сторону, а соответствующие линии спектра другой половины колец – в другую. Был сделан вывод, что с одной стороны планеты частицы приближаются к Земле, а с другой – от нее удаляются. Причем частички, слагающие внутренние части колец, двигаются быстрее. Со своей стороны, Джеймс Килер измерил эту скорость и установил: на периферии колец частица в полете вокруг Сатурна имеет скорость 17 км/с, а вблизи планеты – приближающуюся к 20,9 км/с. Окончательно подтверждение твердого характера колец было закреплено в 1895 году в работе Килера «Спектрографическое доказательство метеоритного состава колец Сатурна».

Объект подобный кольцам Сатурна случайно не возникает, и уже в 1849 году его «родословную» начал писать французский астроном Эдуард Альбер Рош (Edouard Albert Roche). Рош вынес приговор: всякий мало-мальски крупный спутник, если у него и планеты одинаковая плотность, стоит ему подойти к своей планете ближе предела в 2,44 ее радиуса, обречен на «смерть». Более того, если даже рядом с планетой оставался запас неиспользованного при ее образовании обломочного материала, то «слипнуться» воедино, образовав новый спутник, он не может, если расположен ближе к ней, чем этот самый предел. Так вот, внутренний край Сатурновых колец лежит от планеты на расстоянии всего 1,28 ее радиуса, а внешний – 2,27 радиуса. Значит, вся система находится внутри предела Роша. Отсюда вытекают две гипотезы возникновения колец Сатурна. Согласно одной из них, вначале было тело – единый спутник, впоследствии раскрошившийся на части, которые образовали «хоровод» вокруг планеты. По мнению ведущего советского планетолога Бориса Базилевского, в системе Сатурна могла произойти катастрофа – столкновение ледяного спутника с астероидом или кометой. Образовавшийся в результате рой обломков закономерно выстроился в экваториальной плоскости планеты. Срок существования колец Сатурна в этом случае, скорее всего, не превышает нескольких миллионов лет. Согласно другой версии, кольца, наоборот, представляют собой несостоявшийся спутник, «отходы производства» самой планеты, обреченные быть разъединенными внутри предела Роша. В этом случае возраст колец может быть равен периоду существования планеты. 

Шло время, исследования колец Сатурна не прерывались, но основные установленные принципы их строения оставались неизменными с XIX века. Наступила космическая эра, и к Сатурну отправились различные аппараты. Первым из них в сентябре 1979 года стал американский «Пионер-11». Он обладал еще не слишком производительными фотокамерами и небольшим количеством приборов. Так что сделанные им снимки позволили лишь уточнить основные детали строения колец. В современных научных работах о системе Сатурна данные «Пионера-11» практически не упоминаются. 

Подлинный переворот в наших представлениях о кольцах этой планеты совершили пролеты станций «Вояджер». В ноябре 1980 и в августе 1981 годов две станции пролетели систему Сатурна и его спутников и передали тысячи снимков с высоким разрешением. Если до этого считалось, что Сатурн имеет шесть – восемь колец, то переданные «Вояджерами» данные показали: их количество измеряется сотнями, а быть может, даже близко к тысяче! Все первоначально открытые широкие кольца состоят из множества узеньких, которые напоминают бороздки на грампластинке. Было обнаружено, что некоторые из этих «бороздок» имеют разную ширину на различных своих участках. Например, в одном месте 80 км, а в другом – лишь около 25 км. Даже внутри деления Кассини обнаружено множество неизвестных ранее «колечек», состоящих из мелких частиц. Было также установлено, что два из колец Сатурна обладают эксцентричностью, то есть орбита, по которой вращаются составляющие их компоненты, несколько вытянута по сравнению с идеальной круговой траекторией. 

В кольце F были теперь замечены совершенно уникальные явления: по своему строению оно напоминает плетеный жгут или девичью косу, в которой к тому же замечались образования, похожие на петли и «вилки». Два из трех «жгутов», входящих в это кольцо, переплетают третий, делая по меньшей мере восемь витков вокруг него. Специалисты были в шоке. Возникновение такого странного образования – просто загадка. Было высказано предположение: одна из «прядей» кольца F состоит из мелких частиц, заряженных электричеством, и магнитное поле Сатурна «завивает» эту «прядь» вокруг другой. Впрочем, объяснению этого открытия послужило другое, тоже сделанное «Вояджером-1». На поступивших от него снимках были замечены два новых спутника, орбиты которых лежат как раз по обеим сторонам кольца F. Вероятно, эти два «пастуха» (так их назвали в отчетах о пролете) воздействуют на частицы в кольце, заставляя их «завихряться».

Было сделано и еще одно поразительное открытие. В самом ярком кольце В замечены какие-то радиальные образования. На фотографиях, сделанных, когда космический аппарат находился над системой колец, а сами они были ярко освещены Солнцем, эти образования выглядели как темные полосы, соединяющие «обод» Сатурнова «колеса» с его «втулкой». Некоторые из «спиц» при этом наблюдались достаточно продолжительное время – около трех часов. Если бы тут действовали одни только классические законы небесной механики, спицы бы разрушились гораздо быстрее. Было хорошо видно, что когда кольцо только выходит из тени, они через несколько часов исчезают, что во многом и свидетельствовало о причинах их образования. По мере погружения «Вояджера-1» под систему колец, «спицы» стали выглядеть яркими на фоне более темного кольца В. Значит, это вовсе не пробелы в «ободе» планеты. Ведь если бы было так, они выглядели бы темными как при наблюдении сверху, так и снизу. Их яркость при взгляде снизу, когда Солнце находится за кольцами по отношению к «Вояджеру», означает, что «спицы» состоят из частиц, которые рассеивают солнечные лучи, а не отражают их. Отсюда следует, что частицы эти обладают совсем небольшими размерами, сходными с длиной волны света. Такие частицы, действительно, могут подниматься над плоскостью кольца под воздействием электромагнитного поля. Не исключено, что их существование как-то связано с электрическими разрядами, подобными могучим молниям, которые временами наблюдаются в атмосфере Сатурна.

После пролетов «Вояджеров» в 1980–1981 годах наступил длительный перерыв в исследованиях колец при помощи космических аппаратов, и только летом 2004 года в ближайшие окрестности Сатурна прибыл американский зонд «Кассини». 1 июля 2004 года при выходе на орбиту искусственного спутника аппарат пересек плоскость колец на расстоянии 20 тыс. км от облачного покрова Сатурна между кольцами F и G. Ему пришлось выдержать бомбардировку пылевых частиц, летящих со скоростью около 20 км/с. Аппаратура «Кассини» фиксировала удары пылинок по обшивке, и потом этот сигнал был преобразован в звуковой файл, который можно было послушать на сайте НАСА. Конечно, в условиях космоса такого звука не возникало. Но при каждом ударе пылинки о корпус зонда около этого места образовывалось облачко горячей плазмы, которое фиксировалось приемником радио- и плазменных волн. Именно его сигнал и был преобразован в звук. В период пика бомбардировки о поверхности аппарата ударялось 680 пылинок в секунду. 

При сближении было сделано несколько сотен снимков. Их качество улучшилось примерно в пять раз по сравнению с качеством фотографий, сделанных «Вояджерами». Объем знаний о кольцах после исследований «Кассини» увеличился многократно. До нынешнего времени аппарат совершает пролеты спутников Сатурна, преимущественно Титана и Энцелада. При прохождении внутренних областей системы Сатурна продолжаются интенсивные исследования колец и межпланетной среды.