Несколько научных групп, работавших с данными, собранными зондом «Кассини» перед его гибелью в 2017 году, опубликовали серию новых работ. Согласно им, Сатурн может пожирать до тонны пыли из собственных колец каждую секунду - и это в принципе позволяет понять, когда на самом деле образовались и кольца, и ряд спутников планеты-гиганта. Среди последних - и Энцелад, считающийся потенциально пригодным для простейших форм жизни.
Отличие Сатурна от остальных планет Солнечной системы видно сразу: его кольца несопоставимо больше, чем кольца любой другой планеты нашей системы. Это очень необычно по целому ряду причин.
Во-первых, почти все имеющиеся теоретические модели эволюции Солнечной системы предсказывают, что кольца у ее планет должны были образоваться с самого начала. Понятно, что ближе Юпитера у планет кольца типа сатурнианских не выживут: Солнце греет слишком хорошо, поэтому лед испаряется. Кольца у Земли или Марса если и были когда-то, то быстро исчезли. Непонятно другое: почему таких же впечатляющих колец нет у Юпитера, гравитация которого много сильнее, чем у Сатурна, или у Урана с Нептуном, которые куда дальше от Солнца, что, по идее, хорошо для сохранности колец.
Во-вторых, совершенно непонятно, почему кольца Сатурна так блестят. В Солнечной системе не так мало комет, которые покрыты льдом. Но на всех них этот лед довольно темный. Даже если в составе кометы мало пыли, солнечные лучи ее периодически нагревают и лед вокруг пылинок испаряется. Остается грязный комок снега и льда, напоминающий остатки снега на городских улицах весной. А вот водный лед в кольцах Сатурна в основном яркий, блестящий. Ни один расчет не показывает, что он мог бы сохранить этот блеск за 4,5 миллиарда лет, прошедших со времен возникновения нашей системы.
Озабоченные всеми этими вопросами, авторы новой статьи в Science еще пару лет назад задумали очень необычный ход - проверить, с какой скоростью Сатурн пожирает свои кольца. В ходе финальных витков вокруг планеты «Кассини» проскользнул в 3 тысячах километров над верхним слоем облаков Сатурна и в 320 километрах от видимого края кольца D, самого близкого к планете. Аппарат сделал там 22 витка и, используя свой анализатор космической пыли, смог замерить количество заряженных частиц пыли, падающих в атмосферу планеты-гиганта, а также типичные направления, с которых они приходят. Всего удалось захватить 2700 частиц такой пыли, причем большинство из них падало на экватор планеты практически вертикально.
Оказалось, что всего во внутреннем кольце Сатурна образуется примерно несколько тонн нанометровой пыли - за счет соударения и разрушения более крупных частиц. Часть такой пыли, возможно до одной тонны в секунду , падает в атмосферу Сатурна (впрочем, надежно измеренный объем относится только к части экваториальной плоскости планеты и дает всего пять килограммов в секунду).
Темная-темная нанопыль в черном-черном космосе
Что особенно интересно, среди падающих частиц 422 состояли из водного льда и 214 - из силикатов. Это соотношение значительно выше, чем до сих пор показывали все измерения с помощью телескопов. В принципе расхождения с удаленными наблюдениями можно было ожидать. Силикатные частицы, как правило, очень темные, а расстояние между Сатурном и Землей никогда не бывает меньше 1,3 миллиарда километров. Само собой, увидеть нанометровые силикатные частицы темного цвета с такого расстояния куда сложнее, чем яркие частицы водного льда. Открытие указывает на то, что дистанционное изучение небесных тел даже в случае планет Солнечной системы не может заменить исследования «на месте».
Как выяснилось с помощью камеры «Кассини», работающей в ультрафиолетовой части спектра, в атмосфере планеты наблюдаются своего рода «столбы» нейтрального водорода. До наблюдений за нанопылью, падающей из колец, было неясно, откуда они берутся. Но, сочетая одни наблюдения с другими, ученые пришли к выводу, что они хорошо стыкуются. Если заряженные нанометровые частицы пыли падают в атмосферу Сатурна, то они должны там тормозиться, отдавая свою энергию атомам водорода из газовой оболочки планеты. Те в итоге получают большую энергию, что позволяет им «выскочить» над основной частью атмосферы, после чего они снова возвращаются в нее.
На данный момент исследователи еще не пришли к однозначному выводу о том, каков возраст колец планеты. Полученные данные по пыли позволят сделать это только в рамках будущих работ, которые учтут, насколько при таком количестве силикатных частиц в кольцах они должны быть темными - как в сценарии их большой древности, так и в сценарии недавнего появления. Дело в том, что чем дольше лед находится в регионе, богатом пылью, тем большее ее на нем оседает. Судя по полученным приборами «Кассини» данным, силикатной пыли в кольцах больше, чем думали. А значит, объяснить нестерпимую яркость колец из водного льда еще сложнее, чем считалось раньше. Другой механизм оценки возраста колец вытекает из скорости пожирания их атмосферой планеты. Если выяснится, что за миллиарды лет кольцо D, ближайшее к Сатурну, должно было давно истощиться, а оно все еще этого не сделало, гипотеза молодости колец получит еще одно подтверждение.
Почему это важно?
В теории это делает привлекательным другое объяснение: кольца возникли очень недавно и поэтому не успели потемнеть. «Недавно», конечно, только по астрономическим меркам. Некоторые работы предполагают, что появились они как побочный продукт серии столкновений спутников Сатурна, которая случилась около 100 миллионов лет назад. В их ходе какие-то более древние спутники планеты исчезли, а потом из их разбросанного материала сформировались кольца, из материала которых, в свою очередь, возникли новые спутники. Одним из них считается Энцелад, также состоящий главным образом из водного льда, как и сами кольца.
Следует понимать, что если подобные титанические по масштабу события действительно случились всего 100 миллионов лет назад, то это не просто местная история, относящаяся только к шестой планете системы. Дело в том, что орбиты спутников планет-гигантов, как правило, крайне устойчивы - других примеров в Солнечной системе не видно. Чтобы произошло столкновение, должно было случиться что-то большое и не вполне очевидное. Вообще говоря, такое бывает: Солнечная система делает круг вокруг центра нашей Галактики каждые 220 миллионов лет и на этом пути периодически попадает в один из рукавов, где плотность звезд выше, чем между рукавами. Попадая в такое место, система имеет более высокую вероятность сблизиться с другой звездой, а гравитация той способна серьезно дестабилизировать орбиты комет облака Оорта, да и других тел системы. Какие-то из них могут случайно пройти близко от планет, где гравитация постепенно будет сближать их со спутниками или даже самой планетой. 66 миллионов лет назад по такому сценарию крупное тело положило конец эпохе динозавров на Земле. Кто знает, не привела ли подобная цепь событий и к катастрофическому сценарию образования колец Сатурна.
Как «Кассини» «засекретил» длину суток Сатурна
Еще одна недавно вышедшая работа в той же Science посвящена другой загадке планеты - километровым радиоволнам (типичная их длина - несколько километров) большой силы, исходящим от нее и на данный момент не имеющим полных аналогов ни на одном другом известном небесном теле. Оценочная мощность такого излучения для шестой планеты - примерно один гигаватт, что для радиоисточника незвездного происхождения не так мало (у человечества, положим, постоянно работающих радиоисточников сопоставимой мощности пока и близко нет). При этом для земного наблюдателя данные сигналы имеют определенную периодичность - 10−11 часов.
Из-за периодичности, близкой к оценочному периоду сатурнианских суток, сначала астрономы полагали, что источник этого странного излучения - более плотная часть планеты, из которой излучение проходит через атмосферу и попадает в космос. Увы, «Кассини» окончательно похоронил эту гипотезу. Дело в том, что период всплесков этого радиоизлучения в XX веке была замерен «Вояджерами» как равный 10 часам 39 минутам и 24 секундам. А по данным «Кассини» вышло, что период равен 10 часам 45 минутам и 45 секундам. Более того, за годы наблюдений зонд обнаружил, что периоды этого излучения меняются на 1 процент буквально за месяц. Удалось понять только то, что есть прямая связь между силой сигналов и скоростью солнечного ветра (потока протонов и иных частиц от Солнца), и та же скорость как-то влияет и на периодичность километровых волн от планеты.
Надо понимать, что Сатурн радикально больше, например, Земли, и планета такого размера просто не может изменить длину своих суток более чем на шесть минут за десятки лет. Тем более, длина суток не может меняться за месяц или зависеть от скорости солнечного ветра. Стало ясно, что нужно какое-то другое объяснение.
Авторы новой работы воспользовались данными сразу нескольких приборов «Кассини», полученными в 2017 году во время его проходов над областями такого излучения. У них получилось, что излучение по времени четко коррелируется с изменениями в плотностях электронов в районах, близких к регионам существования полярного сияния на Сатурне. Иными словами, выходит, что источник странных километровых волн - события в магнитосфере. Отталкиваясь от количественных данных наблюдений «Кассини», исследователи предварительно «назначили» источником излучения область нестабильности между разными слоями заряженных частиц над зонами полярного сияния. Нельзя сказать, чтобы все с этим излучением стало ясно, но достоверно понятно, что периодичность километровых волн нельзя использовать для определения длины сатурнианских суток. К сожалению, атмосфера планеты имеет меняющуюся скорость, более плотная часть планеты недоступна наблюдениям, поэтому сейчас выяснить точную длину этих суток вообще нереально. Кто знает, быть может, следующий зонд поможет прояснить ситуацию.
Александр Березин
Сатурн является одной из самых загадочных планет как для профессиональных астрономов, так и для любителей. Большая часть интереса к планете происходит от характерных колец вокруг Сатурна. Хотя их и не видно невооруженным глазом, кольца можно разглядеть даже с помощью слабого телескопа.
Состоящие в основном из льда кольца Сатурна удерживаются на орбите благодаря сложным гравитационным воздействиям газового гиганта и его спутников, некоторые из которых фактически находятся в пределах колец. Несмотря на то, что люди очень многое узнали о кольцах с тех пор, как они впервые были обнаружены 400 лет назад, эти знания постоянно дополняются (к примеру, самое удаленное от планеты кольцо было обнаружено только десять лет назад).
1. Галилео Галилей и Сатурн
В 1610 году, известный астроном и "враг церкви" Галилео Галилей был первым человеком, который навел свой телескоп на Сатурн. Он отметил странные образования вокруг планеты. Но, поскольку его телескоп не был достаточно мощным, Галилей не понял, что это кольца.
2. Миллиарды кусков льда
Кольца Сатурна состоят из миллиардов кусков льда и камня. Размеры этих обломков варьируются от крупицы соли до небольшой горы.
3. Только пять планет
Как известно, человек может увидеть пять планет невооруженным глазом: Меркурий, Венеру, Марс, Юпитер и Сатурн. Чтобы увидеть кольца Сатурна, а не просто шар света, понадобится телескоп с, по крайней мере, 20-кратным увеличением.
4. Кольца названы в алфавитном порядке
Кольца названы в алфавитном порядке на основании их даты обнаружения. Ближе всего к планете находится кольцо D, а затем по мере удаления - кольца C, B, A, F, Janus / Epimetheus, G, Pallene и Е.
5. Остатки от комет и астероидов
Кольца Сатурна, как считают большинство ученых, являются остатками от проходящих мимо комет и астероидов. Ученые пришли к такому выводу потому что около 93% от массы колец составляет лед.
6. Человек, давший определение кольцам Сатурна
Первым человеком, который на самом деле увидел и дал определение кольцам Сатурна, был голландский астроном Христиан Гюйгенс в 1655 году. На то время он предположил, что у газового гиганта есть одно твердое, тонкое и плоское кольцо.
7. Спутник Сатурна Энцелада
Благодаря гейзерам, которыми изобилует поверхность спутника Сатурна Энцелада, образовалось ледяное кольцо Е. Ученые возлагают на этот спутник очень большие надежды, потому что на нем есть океаны, в которых может скрываться жизнь.
8. Скорость вращения
Каждое из колец вращается вокруг Сатурна с разной скоростью. Скорость вращения колец убывает с удалением от планеты.
9. Нептун и Уран
Хотя кольца Сатурна являются наиболее известными в Солнечной системе, кольцами могут похвастаться еще три планеты. Речь идет о газовом гиганте (Юпитер) и ледяных гигантах (Нептун и Уран).
10. Возмущения в кольцах
Кольца планеты могут выступать в качестве свидетельства того, как кометы и метеоры, пролетающие через Солнечную систему, притягиваются к Сатурну. В 1983 году астрономы обнаружили в кольцах возмущения, напоминающие рябь. Они считают, что это было вызвано тем, что обломки кометы столкнулись с кольцами.
11. Столкновение 1983 года
Столкновение 1983 года с кометой массой от 100 миллиардов до 10 триллионов килограммов привело к тому, что были нарушены орбиты колец C и D. Считается, что кольца будут "выравниваться" в течение сотен лет.
12. Вертикальные "бугорки" на кольцах
Частицы внутри колец Сатурна иногда могут образовывать вертикальные образования. Это выглядит, как вертикальные "бугорки" на кольцах высотой около 3 км.
13. Второй после Юпитера
Не считая Юпитера, Сатурн является самой быстро вращающейся планетой в Солнечной системе - она совершает полный оборот вокруг своей оси всего за 10 часов и 33 минуты. Из-за такой скорости вращения Сатурн более выпуклый на экваторе (и сплющенный на полюсах), что еще больше которые еще больше подчеркивает его знаковые кольца.
14. Кольцо F
Расположенное сразу за главной кольцевой системой Сатурна, узкое кольцо F (на самом деле, это три узких кольца), как представляется, имеет в своей структуре изгибы и сгустки. Это заставило ученых предположить, что внутри кольца могут находиться мини-спутники планеты.
15. Запуск 1997 года
В 1997 году к Сатурну была запущена автоматическая межпланетная станция "Кассини". Перед тем, как выйти на орбиту вокруг планеты, космический аппарат пролетел между кольцами F и G.
16. Крошечные спутники Сатурна
В двух щелях или делениях между кольцами, а именно в щелях Килера (ширина 35 км) и Энке (ширина 325 км) есть крошечные спутники Сатурна. Предполагается, что эти щели в кольцах образовались именно из-за прохождения спутников через кольца.
17. Ширина колец Сатурна огромна
Хотя ширина колец Сатурна огромна (80 тысяч километров), их толщина сравнительно очень мала. Как правило, она составляет около 10 метров и редко доходит до 1 километра.
18. Темные полосы, идущие поперек колец
В кольцах Сатурна были обнаружен странные образования, похожие на призраки. Эти образования, выглядящие как светлые и темные полосы, идущие поперек колец, назвали "спицами". Было высказано множество теорий относительно их происхождения, но единого мнения нет.
19. Кольца спутника Сатурна
У второго по величине спутника Сатурна Рея могут быть свои кольца. Их до сих пор не обнаружили, а существование колец предполагается на основании того, что зонд "Кассини" зафиксировал в окрестностях Реи торможение электронов магнитосферы Сатурна.
20. Мизерный вес колец
Несмотря на видимый огромный размер, кольца на самом деле довольно "легкие". Более 90% массы всего вещества, находящегося на орбите Сатурна, приходится на самый большой из 62 спутников этой планеты, Титан.
21. Деление Кассини
Кольцо вращается в противоположном направлении.
Астрономы недавно обнаружили новое, огромное кольцо вокруг Сатурна, получившее название "кольцо Фебы". Расположенное на расстоянии от 3,7 до 11,1 млн км от поверхности планеты, новое кольцо наклонено на 27 градусов по сравнению с остальными кольцами и вращается в противоположном направлении.
24. В кольце может поместиться миллиард планет таких, как Земля.
Новое кольцо настолько разреженное, что через него можно пролететь, не заметив ни одного обломка, несмотря на то, что в кольце может поместиться миллиард планет таких как Земля. Его обнаружили случайно в 2009 году с помощью инфракрасного телескопа.
25. Многие из спутников Сатурна ледяные
Из-за недавних открытий, сделанных в 2014 году, ученые полагают, что по крайней мере некоторые из спутников Сатурна могли образоваться в пределах колец этой планеты. Поскольку многие из спутников Сатурна ледяные, а ледяные частицы являются основным компонентом колец, была выдвинута гипотеза о том, что спутники образовались из отдаленных колец, которые существовали ранее.
Для всех интересующихся астрономией - .
01.02.2018 21:37
3014
Почему у Сатурна есть кольца?
Планета Сатурн является второй по величине планетой в нашей солнечной системе и шестой по удалённости от Солнца. Вам ребята наверняка знакома эта планета из-за загадочных колец, которые окружают Сатурн.
А что представляют эти кольца и зачем они нужны?
Сейчас мы это узнаем.
Кольца Сатурна окружают планету в районе экватора – то есть посередине планеты. Их диаметр составляет приблизительно 250000 км. При этом толщина колец всего лишь 1.5 км.
Впервые кольца Сатурна увидел в телескопе итальянский астроном Галилео Галилей в 1610. Но он предположил, что видит не известные выпуклости по бокам планеты. То, что у Сатурна есть кольца, предположил нидерландский астроном Христиан Гюгенс, рассматривая планету в более мощный телескоп .
Самые большие по размеру кольца учёные обозначили буквами A,B и C. После них были обнаружены ещё три кольца. Их астрономы назвали D, E и F. На сегодняшний день учёные изучают Сатурн с помощью искусственного спутника Кассини. Им удалось открыть ещё много колец у этой необычной планеты!
Кольца Сатурна состоят из кусочков льда и камней. Их размеры могут быть с футбольный мяч, а могут с двухэтажный дом! Солнечные лучи попадая на ледяные камешки отражаются и в космосе образуется необычное сияние. Поэтому кольца Сатурна такие яркие, что их можно увидеть в телескопе.
Нет точного ответа на вопрос, как эти кольца образовались. Учёные предполагают, что когда-то Сатурна столкнулся с большим космическим телом. Возможно одним из своих спутников. При ударе Сатурн не пострадал, а вот другое космическое тело разлетелось на множество осколков. Теперь эти осколки вращаются вокруг планеты благодаря силе притяжения Сатурна. Есть предположение, что кольца Сатурна – это осколки его бывшего спутника. Из-за воздействия сил притяжения Сатурна спутник разрушился, а его осколки стали вращаться вокруг планеты. Некоторые учёные предполагают, что окружающие Сатурн астероиды и кусочки льда – это остатки околопланетного облака (космическая пыль). Из его внешних частей получились спутники Сатурна, а внутренние части остались в виде колец.
Кстати, а вы знали, ребята, что кроме Сатурна кольца есть ещё у Юпитера, Урана и Нептуна. Но они не такие большие и не такие яркие. Увидеть их можно только в очень мощный телескоп.
В большой телескоп у Сатурна видны три кольца: внешнее средней яркости кольцо, среднее, самое яркое, и внутреннее полупрозрачное кольцо ("креповое"). В порядке удаления от Сатурна они обозначаются буквами латинского алфавита: С, В, А.
В особо благоприятный период 1966 года, когда кольца были повернуты к земному наблюдателю своей неосвещенной стороной и почти ребром (а это значит, что яркие кольца не мешали наблюдениям), было открыто очень слабое самое внешнее кольцо, Еще одно кольцо (тоже очень слабое) было замечено наземными наблюдателями во внутреннем пространстве между "креповым" кольцом С и самой планетой.
Космические посланцы подтвердили наличие у Сатурна этих крайне разреженных колец и уточнили: самое внешнее кольцо представлено тремя самостоятельными кольцами, разделенными промежутками. Внешний радиус самого внешнего из этих трех колец охватывает зону до 6 радиусов планеты, то есть достигает 360 тыс. км.
Итак, общая структура колец Сатурна представлена семью более или менее широкими кольцами, разделенными промежутками. Но свыше 99% отражаемого солнечного света дают лишь два кольца, которые хорошо наблюдаются с Земли: среднее, самое яркое, и отделенное от него щелью Кассини внешнее кольцо.
Очень интересные результаты были получены "Вояджерами". "Вояджер-1" показал, что видимые в телескопы широкие кольца Сатурна состоят из сотен узких колец. А "Вояджер-2", имевший более чувствительные телевизионные камеры, "увидел", что все узкие кольца разделяются на еще более узкие колечки, которые подобны бороздкам на граммофонной пластинке. Число таких колечек в пределах разрешения камер (около 100 м) достигает примерно 10 тыс. На самом же деле их может быть свыше100 тыс. Но почему частицы в кольцах заполняют не все пространство равномерно, а группируются в узкие колечки?
Советские ученые А. М. Фридман и В. Л. Поляченко объяснили это тем, что кольцо, равномерно заполненное частицами, обладает большей потенциальной энергией, чем кольцо, разделенное на отдельные колечки. А так как любая физическая система стремится принять положение, соответствующее минимуму потенциальной энергии, то эволюция колец и привела их к нынешнему состоянию.
Давно доказано, что кольца Сатурна состоят из миллиардов мелких частиц, каждая из которых обращается вокруг планеты наподобие крошечной луны. Ученых интересовали размеры этих мини-лун и их химический состав. Еще из наземных спектральных наблюдений было известно, что частицы колец, вероятно, ледяные. Бортовые приборы, установленные на космических аппаратах, подтвердили правильность такого вывода. При той весьма низкой температуре, какую имеют кольца (средняя -206°С), это действительно могут быть целиком ледяные частицы или же покрытые слоем льда (с каменной "косточкой" внутри). Они очень малы, и разглядеть их не удалось даже с помощью телевизионных камер космических аппаратов, пролетавших вблизи Сатурна. И все же космические эксперименты помогли достаточно надежно оценить физико-химические характеристики этих невидимых частиц.
Поперечники частиц измерялись методом радиозатмения космического аппарата кольцами Сатурна. Радиолуч КА последовательно пронизывал внешнее кольцо, щель Кассини, внутреннее, самое светлое кольцо и находящееся внутри него "креповое" кольцо. При прохождении радиоволн через то или иное кольцо происходило их рассеяние на частицах кольца. По характеру рассеяния радиоволн было установлено, что средний поперечник частиц различен - от нескольких сантиметров до нескольких десятков метров. Самые мелкие из них сосредоточены в "креповом" кольце, самые крупные (размером с дом) - во внешнем. В кольцах встречаются и большие глыбы - до нескольких сотен метров в поперечнике. Сильное рассеяние, но не радиоволн, а видимого света, обнаружено у двух колец из числа самых внешних. Это свидетельствует о наличии в их составе значительных количеств мелкой пыли.
Исследователей интересовал также вопрос: состоят ли частицы колец целиком изо льда или только покрыты льдом? Раскрыть эту загадку помогла радиолокация. Как известно, каменистые частицы поглощают радиоволны, а частицы колец оказались хорошими отражателями радиоволн. Следовательно, кольца Сатурна в основном ледяные.
Эта огромная система колец, достигающая в диаметре удвоенного расстояния Земля-Луна, оказалась на удивление очень тонкой. Если судить по снимкам, переданным "Вояджером-2", толщина колец на некоторых участках составляет 150 м, а есть места, где она едва достигает 100 м. По-видимому, толщина колец изменяется от нескольких десятков до нескольких сотен метров и соизмерима с размерами самых крупных частиц.
Космическими аппаратами была также сделана попытка измерить массу колец. Скорее всего, она близка к одной десятимиллионной доле массы самого Сатурна, или к одной стотысячной массы Земли, или равна примерно одной тысячной массы Луны.
Завершая рассказ о кольцах Сатурна, хотелось бы еще раз коснуться проблемы их происхождения. Кольца могли образоваться в результате разрушения мощными приливными силами одного из близких спутников Сатурна.
Московский астроном М. С. Бобров уже давно высказывал идею, что кольца Сатурна - не спутник, разорванный притяжением планеты, а, наоборот, частицы протопланетного вещества, которым приливные силы воспрепятствовали сформироваться в единый спутник. Поэтому область колец Сатурна, возможно, почти единственное место в Солнечной системе, где сохранились остатки первичной, допланетной материи. Ее изучение могло бы пролить свет на историю происхождения планет.
Существует 3 основных кольца, названных A, B и C. Они различимы без особых проблем с Земли. Есть и более слабые кольца – D, E, F. При ближайшем рассмотрении колец оказывается великое множество. Между кольцами существуют щели, где нет частиц. Та из щелей, которую можно увидеть в средний телескоп с Земли (между кольцами А и В), названа щелью Кассини. В ясные ночи можно даже увидеть менее заметные щели. Внутренние части колец вращаются быстрее внешних.
КОЛЬЦА САТУРНА |
Ширина колец равна 400 тыс. км, однако в толщину они составляют всего несколько десятков метров. Сквозь кольца можно увидеть звезды, хотя свет их при этом заметно ослабевает. Все кольца состоят из отдельных кусков льда разных размеров: от пылинок до нескольких метров в поперечнике. Эти частицы двигаются с практических одинаковыми скоростями (около 10 км/с, их скорости так хорошо уравнены, что соседние частицы кажутся неподвижными по отношению друг к другу), иногда сталкиваясь друг с другом. Под действием спутников кольцо немного выгибается, переставая быть плоским: видны тени от Солнца. Все же частицы медленно перемещаются в разных направлениях - со скоростью 1-2 мм/с.
Внешний вид колец меняется от года к году. Это обусловлено наклоном плоскости колец к плоскости орбиты планеты. Плоскость колец наклонена к плоскости орбиты на 26°. Поэтому в течение года мы видим их максимально широкими, после чего их видимая ширина уменьшается, и, примерно через 15 лет, они превращаются в слабо различимую черту. В 1610 году Галилео Галилей впервые увидел в телескоп кольца Сатурна, но не понял, что это такое, поэтому записал, что Сатурн состоит из частей.
В июле 1610 г. Галилео Галилей опубликовал зашифрованное сообщение такого содержания: "Отдаленнейшую из планет наблюдал тройную". "Отдаленнейшей из планет" в то время считали Сатурн, а его кольца выглядели в телескопе Галилея двумя туманными пятнами по краям планеты.
Полвека спустя Христиан Гюйгенс сообщил о наличии у Сатурна кольца, а в 1675 году Кассини обнаружил между кольцами щель.
Кольца Сатурна постоянно будоражили воображение исследователей своей уникальной формой. Кант первым предсказал существование тонкой структуры колец Сатурна. Пользуясь своей моделью протопланетного облака, он представлял себе кольцо в виде плоского диска из сталкивающихся частиц, вращающихся дифференциально вокруг планеты по закону Кеплера. Именно дифференциальное вращение, согласно Канту, является причиной расслоения диска на серию тонких колечек. Позднее Симон Лаплас доказал неустойчивость твердого широкого кольца. В середине прошлого века астрономы обнаружили десять колечек вокруг Сатурна. Выдающийся вклад в исследование устойчивости колец Сатурна внес Джеймс Максвелл, получивший премию Адамса за труд, в котором он показал, что такие узкие кольца также неустойчивы и будут падать на планету. И хотя вывод Maксвелла о падении гипотетического сплошного ледового кольца на планету был неправильным (такое кольцо гораздо раньше должно развалиться на куски), следствие из него – метеорное строение колен Сатурна – оказалось верным. Так, к концу XIX века гипотеза метеорного строения колец Сатурна, высказанная впервые Жаном Кассини, получила теоретическое, а в 1893 году – и наблюдательное подтверждение. В течение XX века шло постепенное накопление новых данных о планетных кольцах: получены оценки размеров и концентрации частиц в кольцах Сатурна, спектральным анализом установлено, что кольца – ледяные, открыто загадочное явление азимутальной переменности яркости колец Сатурна.
В течение 29,5 лет с Земли кольца Сатурна дважды видны в максимальном раскрытии и дважды наступают периоды, когда Солнце и Земля находятся в плоскости колец, и тогда кольца либо освещаются Солнцем "с ребра", либо оно для земного наблюдателя видно "с ребра". В этот период кольца почти совсем не видны, что свидетельствует об их очень малой толщине. Разные исследователи, основываясь на визуальных и фотометрических наблюдениях и их теоретической обработке, приходят к заключению, что средняя толщина колец составляет от 10 см до 10 км. Конечно, кольцо такой толщины увидеть с Земли "с ребра" невозможно.
В соответствии с законами Кеплера частицы на разных радиусах кольца движутся с различными соростями: чем ближе к планете, тем быстрее. В наиболее плотном кольце есть область, где частицы обращаются с периодом 10,5 ч, т.е. с той же угловой скоростью, с какой вращается Сатурн. Это значит, что относительно поверхности планеты они остаются неподвижными.
Что узнали "Вояджеры"?
Уже первые снимки колец, переданные АМС "Вояджер-1", показали небольшие цветовые вариации в кольцах, щель в кольце С, наличие вещества в делении Кассини и изменения в распределении и яркости вещества в кольцах С и В. Наиболее интересными деталями на первых снимках были "спицы" - радиальные тёмные образования, пересекающие некоторые участки яркого кольца В. Иногда "спицы" наблюдались в течение нескольких часов, хотя внутренний край кольца у основания "спицы" вращается вокруг планеты с большей скоростью, чем внешний край у вершины "спицы", и эти образования должны бы были разрушиться.
Позже были получены снимки "спиц" при рассеивании солнечного света вперед. На этих снимках области спиц светлые, а не темные, как на первых снимках, сделанных при рассеивании света назад. Это позволило предположить, что области "спиц" содержат очень мелкие пылевидные частицы. Область, где наблюдаются "спицы", перекрывает зону кольца, обращающуюся вокруг Сатурна с такой же скоростью, как его магнитное поле. Это, по мнению некоторых ученых, может объяснить устойчивость спиц, несмотря на различную скорость движения частиц. Ученые предположили, что в результате взаимодействия между этими могшими частицами и электростатическими силами частицы могут концентрироваться в определенных областях или подниматься над плоскостью колец. Если кольцо заряжено, частицы в нем должны отталкиваться друг от друга, но силы гравитации удерживают их в кольце. Для крупных частиц силы гравитации больше сил отталкивания, и они остаются в кольце, для мелких частиц силы отталкивания больше, и они поднимаются над плоскостью кольца. Была высказана гипотеза, что магнитное поле планеты воздействует на заряженные мелкие частицы, находящиеся над кольцом В, "выстраивая их подобно железным опилкам" или заставляя слипаться. Еще одна гипотеза объясняет существование спиц волновыми явлениями вокруг кольца, оказывающими влияние на мелкие частицы, находящиеся на пути волны. Механизм, обуславливающий заряженность кольца, неясен. Предлагались гипотезы о том, что это происходит под влиянием атмосферы Сатурна или высокоэнергетического ультрафиолетового излучения Солнца.
Снимки показали, что каждое из наблюдавшихся ранее шести колец Сатурна (D, С, В, A, F, Е - в порядке увеличивающегося удаления от планеты) состоит из большого числа узких колец. Полагали, что после полной обработки снимков могут насчитать 500 - 1000 узких колец. Несколько узких колец было обнаружено и в делении Кассини, которое ранее считали пространством, относительно свободным от вещества.
Съемка при рассеивании света вперед показала, что частицы в кольцах имеют размеры от нескольких микронов до нескольких метров. На основании характера прохождения радиосигналов АМС "Вояджер-1", через кольцо С сделан вывод, что размер частиц в этом кольце составляет от 10 см до 10 м, причем на каждую частицу размером 10 м приходится примерно 1000 частиц размером 1 м и примерно миллион мелких частиц. Мелкие частицы, по-видимому, состоят изо льда, а более крупные - из снега с включениями льда. Позже сообщалось, что, по данным радиозондирования, средний размер частиц в кольце С 1 м, а некоторые достигают 10 м. При этом отмечалось, что ранее предполагали меньший средний размер частиц. Сообщалось также, что, как показали радиозондирование и измерения в инфракрасном диапазоне, частицы являются кусками льда или силикатами с ледяным покрытием. Все же основная масса колец заключена в частицах метровых размеров.
Время от времени можно наблюдать эффективное зрелище - столкновение двух крупных частиц. Вот две глыбы размером с садовый домик начинают медленно соприкосаться друг с другом, сдвигая с поверхности целые сугробы рыхлого снега. Им не повезло: они не выдержали взаимного давления при ударе и медленно развалились на части. Типичная для колец"катастрофа" при скорости миллиметр в секунду! Два остатка первоначальных тел продолжают движение, а сброшенные с них сугробы снега, комки и снежная пыль неспешно разлетается в разные стороны, сверкая в лучах далекого Солнца. Через несколько дней "пострадавшие" частицы снова вырастут, поймав и поглотив огромное количество более мелких снежкой в кольцах.
Кольцо С - наименее яркое из трех "классических" колец (А, В и С). По-видимому, там вещество более рассредоточено. Самым ярким является кольцо В, где должна быть наибольшая плотность вещества. В кольце В частицы расположены так густо, что, залетев серидину, мы потеряем из виду звезды.
Помимо классических колец на снимках, переданных АМС "Вояджер-1", видно самое близкое к планете кольцо D. Предполагают, что оно образовано веществом, которое проникло через барьер, формирующий внутренний край кольца С.
Кольцо F, судя по снимкам, может иметь несколько эллиптическую форму: некоторые участки этого тонкого кольца расположены ближе к планете, чем другие участки. Это кольцо, по-видимому, образовано двумя, а возможно, и тремя свободно переплетенными "прядями". Ученые затрудняются объяснить это явление. Согласно одной гипотезе, поскольку кольцо F состоит из пылевидных частиц, они могут приобрести электрический заряд от солнечного света или от частиц солнечного происхождения и получить свойства миниатюрных электромагнитов. В этом случае взаимодействие их с магнитным полем Сатурна способно привести к переплетению колец. Вокруг кольца F обнаружены сгустки вещества. Один из них был настолько плотным, что его первоначально приняли за спутник. Последующий анализ показал, что это - область концентрации вещества, имеющая характерный размер 100 - 200 км. Высказывалось предположение, что более широкая часть этого сгустка в какой-то мере контролируется спутниками S-13 и S-14 или что сгусток содержит крупное тело, от которого откалываются куски в результате соударений, и поэтому в данной области наблюдается увеличенная плотность вещества. Сгустки, по-видимому, движутся по орбите вокруг Сатурна. Предполагают, что упомянутые спутники S-13 и S-14, расположенные по обе стороны кольца F, контролируют движение частиц в этом кольце.
Съемка колец при рассеивании света вперед обнаружила еще одно кольцо, которому предварительно присвоено обозначение G. Орбитальный радиус кольца G 150000 км. Полагают, что оно находится близ орбит "коорбитальных" спутников S-10 и S-11. Наблюдавшаяся на одном из этих спутников тень, возможно, отбрасывалась именно этим кольцом. На снимках видно также кольцо Е, простирающееся, возможно, на расстояние до 480000 км от планеты.
Вообще система колец, по-видимому, является относительно стабильным явлением для Сатурна. В отличие от этого, кольцо Юпитера, как полагают, представляет собой динамическую систему, которая постоянно саморегулируется, но имеет ограниченную продолжительность существования. Кольцо Юпитера, видимо, существует благодаря тому, что какие-то тела непрерывно подпитывают кольцо веществом или же в самом кольце есть необнаруженные тела, которые генерируют частицы. Что касается колец Урана, то о них известно относительно мало.
Возвращаясь к колечкам, среди них есть узкие потоки, отклоняющиеся от круговой орбиты. Края некоторых колец зазубриваются, а сами они колышутся под гравитационным напором спутников, изгибаясь и образуя волны. Спиральные волны, эллиптические кольца, странные переплетения узких колечек... все сюрпризы колец трудно перечислить.
Что узнал "Кассини"?
Станция "Кассини" была запущена 15 октября 1997 года. Для того чтобы оказаться на сатурнианской орбите, «Кассини» предстояло выполнить долгожданный и ответственный маневр торможения. Часть этого маневра вы можете наблюдать в этой таблице изображений.
Маневр был давно и тщательно рассчитан, и вся программа действий помещена в память бортового компьютера. И вот долгожданный день 1 июля 2004 года, которого так ждали конструкторы и ученые, настyпил. В 2:11 по Гринвичу «Кассини» прошел так называемый восходящий узел траектории и преодолел плоскость колец Сатyрна, причем проскочив точно между двумя тонкими внешними колечками, обозначаемыми как F и G. |
|||
Неправда ли, впечатляет? (даже такие маленькие изображения). На данный момент космический аппарат Кассини получил уже очень много изобржений и информации о планете, и о кольцах, и о спутниках Сатурна.
Происхождение колец Сатурна Долгое время считалось, что к Сатурну приблизился неосторожный спутник и был разорван его приливными силами "в клочки". Но данные "Вояджеров" опровергли это распространенное мнение. Сейчас установлено, что кольца Сатурна (и других планет тоже) представляют собой остатки огромного околопланетного облака протяженностью во многие миллионы километров.
|