Окольцованные гиганты. Юпитер, Уран, Нептун

Нельзя сказать, что открытие было совсем неожиданным. Еще в 1960 году в «Известиях АН Армянской ССР» была опубликована статья известного советского специалиста по кометам, профессора Киевского университета Сергея Константиновича Всехсвятского. В ней он писал: «Существование активных процессов – выбросов в системе Юпитера... дает все основания предполагать, что вокруг Юпитера также движутся кометно-метеоритные массы в виде кольца, аналогичного кольцу Сатурна». Затем ученый привел доказательства, спрятанные, по его мнению, в результатах самых обычных наблюдений – наземных, а не выполненных с борта космического аппарата. Наблюдение комет – вот что подтолкнуло Всехсвятского к утверждению, казавшемуся на заре космической эры почти еретическим. Ведь плотность кольца и его толщина настолько малы, что и сегодня в наземные телескопы разглядеть его практически невозможно. Поэтому можно понять астрономов у нас и за рубежом, которые отказались тогда поддержать столь смелую гипотезу. Далее, в 1962 году, Всехсвятский в своем докладе «Планетный вулканизм и проблемы геологического прошлого Земли» на IV Астрогеологическом совещании Географического общества СССР снова писал: «Короткопериодические кометы семейства Юпитера должны быть образованы в результате выбросов твердых составляющих и льда с поверхности спутников Юпитера». Таким образом, исследователь в значительной мере предугадал активные вулканические процессы в системах спутников больших планет и наличие кольца у Юпитера.

В последующие годы украинский ученый аргументированно настаивал на своем мнении в сборниках «Проблемы современной космогонии», вышедших в 1969 и 1972 годах. Причем это издание было переведено на французский и немецкий языки. Однако широкие научные круги по-прежнему не воспринимали гипотезу.

Декабрь 1995-го: к исследованиям юпитерианских колец приступает станция «Галилео»

Еще до пролетов «Вояджеров» в 1973 году о возможности существования пылевого кольца у Юпитера сообщил зонд «Пионер-10», но и эта информация не была принята во внимание. Ученые пришли тогда к выводу, что концентрация частиц вблизи орбиты Юпитера и их спектральная характеристика примерно те же, что и у космической пыли, встречающейся около Земли. Однако в 1976 году космофизики из Годдардовского центра космических полетов НАСА анализировали информацию, полученную от «Пионера-11», и заметили какие-то странные отклонения в межпланетном магнитном поле в окрестностях Юпитера. Так как отклонения были зафиксированы, когда зонд проходил всего в 43 000 километров над верхушками юпитерианских облаков, то есть совсем близко к планете, где «возмутителей магнитного спокойствия», казалось бы, не существовало, это требовало особого объяснения. Их было предложено несколько, и среди них такое: примерно в 59 000 километров от Юпитера проходит еще не обнаруженное разреженное кольцо, которое и влияет на магнитное поле планеты. Не вполне ясно, знали ли американские ученые о работах киевского коллеги, но, в любом случае, ученый мир вновь проявил скептицизм. 

Когда «Вояджер-1» пролетал внутри орбиты Амальтеи, крупного спутника Юпитера, его камеры приступили к съемке темной области вблизи планеты, чтобы поискать еще не открытые спутники. Однако вместо них на трех фотографиях была хорошо различима загадочная полоса. Группа сотрудников Аризонского университета выяснила, что это скопление мелких частиц, окружающих Юпитер в плоскости его экватора, – скорее всего, обломков скальных пород и льда. Частицы многочисленны, но совсем невелики. Некоторые специалисты считают, что в поперечнике они не больше десятков или сотен метров. Однако многие теоретики не согласны. Если кольцо состоит из подобной «мелочи», то оно должно быть нестойким. А каковы же динамические предпосылки, позволяющие такому эфемерному образованию существовать длительное время? Ведь не возникло же оно специально, к моменту прибытия «Вояджера-1».

«Вояджер-2» сумел сфотографировать кольцо не с ребра, как его предшественник, а «сверху» и «снизу». Судя по этим снимкам, внешняя кромка кольца Юпитера находится примерно в 55 000 километров от границы его облаков. Плотность частиц, образующих кольцо, убывает постепенно, так что в малых концентрациях они встречаются вплоть до самой поверхности планеты. То, что частицы очень мелкие, «Вояджер-2» подтвердил. Но загадка существования кольца осталась: чем меньше частицы, тем труднее им удержаться на орбите, не оседая на планету. Значит, где-то должен быть источник постоянного пополнения «запаса» этих частиц.

В декабре 1995 года на орбиту вокруг Юпитера вышла усовершенствованная станция «Галилео». Кроме изучения самой планеты и спутников, ее задачей являлось и исследование колец планеты. Было сделано большое количество снимков, уточнены многие параметры этого образования. К сожалению, множество снимков с высоким разрешением не было получено из-за поломки антенны, которая должна была отправлять на Землю основную часть полученной научной информации. Тем не менее, «Галилео» удалось получить интересные дополнительные данные о строении и характеристиках кольца.

Было установлено, что размер подавляющего большинства частиц составляет не более одного микрона. Также было уточнено строение кольца: основная его часть имеет плоскую форму, затем располагается тонкая внешняя часть. Имеются и крайне слабые радиальные структуры. Частицы наименьших размеров образуют протяженное рассеянное гало (светящийся ореол, от др.-греч. «галос» – круг), существование которого вызвано электромагнитными силами, что является уникальным явлением для Солнечной системы. Хотя возможно, что в случае других планет-гигантов яркие кольца «забивают» ничтожное по яркости гало.

Открытие колец другого газового гиганта, Урана, не связано с космическими исследованиями, а было сделано при помощи традиционных астрономических наблюдений. В марте 1977 года наблюдалось покрытие Ураном слабой звездочки SAO 158 687 в созвездии Весов. При этом экранирующее тело, в данном случае Уран, на некоторое время закрывает собой звезду, и по этому времени можно судить о диаметре диска, размерах атмосферы планеты. Незадолго до покрытия звезды уровень ее блеска неожиданно упал. Спад продолжался всего около семи секунд. Что-то неизвестное заслонило звезду и на короткое время преградило путь ее лучам. При выходе звезды с другой стороны спад блеска повторился еще четыре раза, каждый длительностью по одной секунде. Было бы невероятно, что несколько маленьких спутников оказались в момент этого явления точно на пути лучей от звезды. В пользу предположения о существования колец говорило то, что свет звезды ни разу полностью не исчезал, следовательно, затмевающий объект был не цельным, а «дробным».

Открытие стало полной неожиданностью и произвело настоящую сенсацию, но никаких сомнений не было – явление синхронно было зафиксировано специалистами многих обсерваторий. Вскоре в апреле 1978 года к пяти открытым кольцам прибавилось еще четыре. После этого стало ясно, что взаимодействие планеты с известными нам спутниками не может нести ответственность за существование такого количества колец.
Обнаружение колец Урана вызвало всеобщее оживление. Были заново изучены фотографии «холодной планеты», сделанные еще в  году прибором, поднятым на аэростате «Стратоскоп II». На высоте 24 километра, где помехи, вызываемые атмосферой Земли, сведены к минимуму, 91-сантиметровый телескоп сделал очень четкие снимки планеты. Выяснилось, что слабо различимые полосы, которые раньше были приняты за объекты, находящиеся на самом Уране, в действительности являются проекцией колец на его поверхность.

Расстояние, пробегаемое лучом света от Солнца к Урану и затем, отразившись от него, к Земле, вчетверо больше, чем аналогичная дистанция между Солнцем, Сатурном и нашей планетой. Поэтому, даже при прочих равных, система Урана должна выглядеть раз в шестнадцать тусклее, чем система Сатурна. Добавьте сюда то, что все кольца планеты лежат глубоко внутри предела Роша и являются очень узкими образованиями, а частицы, входящие в их состав, сильно рассеяны в пространстве. Они отражают всего 5% солнечного света – вдвое меньше, чем Луна. Все это приводит к тому, что кольца Урана светятся примерно в 3 млн раз слабее, чем соответствующие образования у Сатурна. Если бы не покрытие, поставившее планету точно между нами и звездой в Весах, мы бы могли узнать об их существовании только при пролете космической станции «Вояджер-2» в январе 1986 года. Впрочем, эта межпланетная станция и так произвела революцию в наших знаниях об Уране. Был детально определен состав и орбитальные характеристики колец, открыто два новых, удаленных от планеты образования. После пролета «Вояджера-2» количество известных колец достигло одиннадцати, позднее к ним прибавилось еще два внешних кольца, открытых при помощи космического телескопа «Хаббл». Таким образом, в настоящее время известно девять узких главных колец, два пылевых и два внешних.

Состоят кольца Урана в основном из частиц сантиметрового размера и небольшого количества пыли. В целом их система не похожа ни на тусклые пылевые кольца Юпитера, ни на широкие и сложные – Сатурна. Однако у кольца F Сатурна и внешнего кольца Урана есть кое-что общее: оба они узкие, относительно темные и «пасутся» парой спутников. Текущее расстояние спутников Урана – Корделии и Офелии – от «подконтрольного» им кольца ε может использоваться для определения его возраста. Вычисления показывают, что это кольцо не может быть старше 600 млн лет.

Одной из самых поразительных и загадочных особенностей колец являются их аномальные орбитальные характеристики: часть располагается под углом к плоскости экватора планеты, у некоторых вытянуты орбиты. Установлено также смещение оси вращения одного из колец: оно составляет почти 1°4′ в сутки.

В химический состав частиц входят органические соединения с примесью водяного льда. Состоять из чистого водяного льда, как, например, кольца Сатурна, они не могут – слишком темные. Даже более темные, чем внутренние спутники планеты. Вероятно, вещество колец было изменено облучением заряженных частиц магнитосферы Урана, хотя изначально было сходно с тем, из которого состоят его спутники.

После того, как Уран и Юпитер оказались «окольцованными», внимание исследователей закономерно было обращено на единственную оставшуюся без обнаруженных колец планету – Нептун. И уже в начале 1980-х годов, в ходе прохождений планеты по диску звезды, появились первые намеки на их существование. Но уверенности не было. В июле 1985 года при близком прохождении Нептуна на расстоянии около двух радиусов свет звезды был ослаблен примерно на треть. Еще в одном случае наблюдалась совсем непонятная картина: при другом покрытии, в 1985 году, в двух пунктах Южной Америки зафиксировали кратковременное, двухсекундное уменьшение блеска звезды, которое можно объяснить существованием у Нептуна особого незамкнутого кольца. Подобное объяснение было расценено как слишком искусственное, однако скептиков вновь посрамили «Вояджеры». 

В августе 1989 года космический аппарат «Вояджер-2» впервые пролетел около системы Нептуна. Гипотеза о наличии колец нашла полное подтверждение: их было обнаружено четыре. 

Ближе всего к планете, на расстоянии в 42 000 километров, находится широкое слабое кольцо Галле. Далее, на удалении в 53 000 километров от центра, занимает место кольцо Леверье. От его края до следующего узкого кольца Араго – 57 000 километров – помещается широкое кольцо Лассел. Внешним является кольцо Адамса, расположенное в 63 000 километров от центра планеты и состоящее из нескольких дуговых утолщений. Нужно, впрочем, сказать, что многие исследователи отрицают существование кольца Араго. Все кольца получили свое название по именам астрономов – видных исследователей Нептуна.

Самой интригующей особенностью колец является их предельная нестабильность – некоторые расчеты показывают, что приблизительно через 100 лет часть самого внешнего кольца должна исчезнуть. В этом повинен уникально быстрый характер изменения морфологии и динамики внутреннего строения колец, что резко выделяет Нептун на фоне остальных планет-гигантов. 

Другое удивительное качество системы «нептуновых колец» – наличие уже достоверно обнаруженных «Вояджером» прерывистых арок, входящих в кольцо Адамса. Ширина арок составляет всего 50 километров. Причины их стабильного существования непонятны, ведь у этого кольца отсутствуют спутники-«пастухи», придающие стабильность образованиям такого рода.

Совокупность сведений о кольцах газовых гигантов говорит о закономерности существования таких структур у массивных планет. Кольца должны отсутствовать только у гипотетических планет, которые могут находиться на сильно вытянутых орбитах. Несомненно, такая ситуация может быть реализована в планетных системах других звезд. Однако в отношении внесолнечных больших планет, находящихся на орбитах, близких к круговым, можно с высокой вероятностью утверждать, что, помимо спутников, они имеют, в том или ином виде, и системы колец. До их открытия еще далеко, но теоретически их существование можно предсказать уже сейчас. 

В ближайшее время никаких полетов межпланетных станций, связанных с непосредственным изучением колец, не предвидится. Будет продолжать свои исследования «Кассини», находящийся на орбите вокруг Сатурна, других же миссий к системе этой планеты не будет как минимум до 2026 года. Полеты к Урану и Нептуну не планируются даже в отдаленном будущем. Однако нынешний этап изучения этих небесных образований позволяет сосредоточиться на решении интереснейших вопросов развития и эволюции систем планет-гигантов.