Удивительная Солнечная система
Шрифт:
Что ж, с помощью наземных средств астрономы сделали все, что смогли. Был определен период вращения Сатурна (10 часов 12 минут на экваторе и более и часов в приполярных областях), был определен спектроскопически газовый состав планеты, оказавшийся схожим с составом Юпитера, но с несколько меньшим содержанием водорода (если не считать атмосферы, где все наоборот), была определена масса планеты. Она оказалась равной 95,16 массы Земли, что составляет менее 30 % массы Юпитера. Как следствие, Сатурн имеет меньшую плотность: всего 0,70 г/см3, что составляет всего 13 % плотности Земли и 52,6 % плотности Юпитера. Он просто недостаточно массивен, чтобы давление газа сильно сжало его внутренние слои. Однако и Сатурн излучает в тепловом диапазоне вдвое больше тепла, чем получает от Солнца, – правда, надо учесть, что получает он гораздо меньше Юпитера, поскольку и расположен значительно дальше, и сам несколько меньше (экваториальный радиус равен 60 268 км, что все-таки на порядок превышает радиус Земли). Нет ни малейших сомнений в том, что механизм тепловыделения Сатурна точно такой
Как и Юпитер, Сатурн обладает собственным магнитным полем и радиационными поясами. Это значит, что внутри планеты имеется твердое ядро, окруженное жидким металлическим водородом. В отличие от Юпитера, магнитное поле Сатурна чисто дипольное, почти точно совпадающее с осью вращения планеты. Само собой разумеется, напряженность магнитного поля Сатурна слабее, чем у его более массивного соседа, – ничего иного и не следовало ожидать. Годы, предшествовавшие началу исследования Сатурна космическими аппаратами, принесли мало новой информации собственно о планете. Открывались новые спутники, были замечены «спицы» в кольцах, но и только.
Лишь с началом исследования Сатурна американскими АМС на астрономов обрушился вал новой информации. Опять-таки он больше касался колец и спутников, но и планета преподнесла некоторые сюрпризы. Сенсацией оказалось обнаружение в высоких южных широтах «горячей» области и шестиугольной (а не кольцеобразной) полосы вокруг него (рис. 41).
Конечно, «горячей» эту область можно назвать лишь с большой натяжкой – просто ее температура на несколько градусов выше средней температуры атмосферы планеты, составляющей около 95 К. Поначалу астрономы объясняли этот феномен энергией, получаемой Сатурном от Солнца, так как на момент обнаружения планета была повернула к Солнцу южным полушарием, но позднее инфракрасный спектрометр зонда «Кассини» обнаружил зону локального разогрева и на северном полюсе Сатурна. Более того, вокруг северного полюса Сатурна расположен такой же шестиугольный вихрь. Собственно говоря, самопроизвольное появление упорядоченных структур в таком, казалось бы, хаотичном процессе, как конвекция, был известен и ранее (например, так называемая неустойчивость Бенара [16] ), так что сама по себе шестиугольная структура нашла если не объяснение, то во всяком случае земные аналоги. Сложнее оказалось с объяснением отвода тепла через полюса. Какие конкретно процессы в атмосфере планеты отвечают за этот феномен, пока неясно [17] .
16
Появление шестиугольных ячеек в слое вязкой жидкости, нагреваемой снизу. – Примеч. авт.
17
По данным наземных наблюдений, зону разогрева вблизи южного полюса имеет и Нептун. – Примеч. авт.
Рис. 41. «Шестиугольный шторм» вокруг южного полюса Сатурна
И все же мир ахнул не от этих нежданных чудес, а от тонкой структуры колец Сатурна (рис. 42), чье изображение впервые передал «Пионер-11».
Рис. 42. Тонкая структура колец Сатурна
До этого считалось, что у Сатурна лишь несколько колец, впрочем, очень ярких и оказывающих влияние на блеск планеты при наблюдениях с Земли. Выделялись 3 основных кольца: А (внешнее), В (среднее) и С (внутреннее, оно же креповое). Среди них кольцо В – самое яркое, а кольцо С – очень слабое, трудно наблюдаемое. Позднее были добавлены кольцо Е (самое внешнее, размытое), G (очень узкое кольцо между кольцами F и Е), D (внутри кольца С) и F (очень узкое кольцо с внешней стороны кольца А); их яркость совсем мала. Давно уже не было никаких сомнений в том, что кольца Сатурна состоят из мелких частиц, так что кадры из некоторых художественных фильмов, где кольца состоят из сплошного камня, являются болезненным бредом недоучки-режиссера. То, что кольца не могут быть сплошными, доказал французский астроном Э. Рош еще в 1848 году, что и подтвердилось на практике. Минимальное расстояние до планеты, ближе которого крупный спутник не может сохранить устойчивую форму и будет разорван приливными силами на мелкие фрагменты, определяется выведенной Рошем формулой. Суть доказательства: кольца Сатурна находятся внутри «полости Роша» и уже по этой причине не могут быть сплошными. Частицы, составляющие кольца, имеют высокое альбедо, а их
Все газовые планеты Солнечной системы окольцованы, и причина возникновения колец во всех случаях одна: дробление какого-то близко расположенного к планете тела (или тел). В случае Сатурна это было довольно крупное и притом ледяное тело. Было ли оно настолько крупным, чтобы разорваться на мелкие части под действием приливных сил, или ледяному спутнику «помог» расколоться удар какого-нибудь постороннего космического тела – о том мы теперь можем лишь гадать. Ясно лишь, что это событие произошло очень давно, в противном случае осколки не успели бы собраться в чрезвычайно тонкий диск. Исследования с борта «Пионера-11» показали, что наиболее яркое кольцо В представляет собой монослой глыб с характерным поперечником 15 м, погруженный в более толстый слой более мелких обломков размером порядка 10 см. Механизм уплощения диска точно таков же, каков он для протогалактического облака или для протопланетного диска, и причиной его служат неупругие столкновения между частицами, будь то атомы или куски льда.
Впрочем, разреженное внешнее кольцо Е, простирающееся от 3 до 8 радиусов Сатурна (считая от центра планеты), гораздо более «растрепано», чем чрезвычайно тонкие внутренние кольца. Толщина кольца Е достигает целых 6000 км на внутреннем крае и до 15 тыс. км на внешнем. Любопытно, что пик яркости этого кольца наблюдается около орбиты спутника Сатурна Энцелада. Возможно, Энцелад, из трещин на поверхности которого наблюдаются выбросы ледяного крошева, постоянно «подпитывает» кольцо «Е». Кроме того, любая космическая пылинка, летящая со значительной скоростью, выбивает из поверхности спутников крошечные осколки, имеющие достаточные скорости, чтобы покинуть зону притяжения спутника. По всей видимости, в этом, а также в возмущающем действии других крупных спутников, находящихся в пределах кольца Е, кроется причина значительной ширины этого кольца. Нечего и говорить, что кольцо Е далеко выходит за границы полости Роша, достигая почти 1 млн км в диаметре. Кольцо Е можно рассматривать как внешнее «гало» системы колец.
Характерный размер пылинок в нем около 1 мкм. Построив математическую модель движения пылинки, выброшенной с поверхности Энцелада, и учтя по возможности все действующие на нее силы (световое давление, влияние прецессии и др.), астрономы пришли к выводу, что наиболее «долгоживущими» будут пылинки именно микронного размера, что и наблюдается.
Снимки с борта АМС показали, что у Сатурна не три и не семь колец, а сотни. Или можно сказать так: основных колец немного, но структура их тонковолокнистая. Иногда она не совсем правильная: сфотографированы узкие кольца, как бы обвившиеся друг вокруг друга. Еще «Вояджер-1» в 1980 году обнаружил, что некоторые из орбит частиц, образующих кольца, отчетливо эллиптические. Возможно, так проявляется резонансное воздействие спутников Сатурна, причем не только крупных, но и мелких. Эта же причина «отвечает» за разрывы в кольцах, известные как деления Кассини и Энке.
Кольца Сатурна хранят еще немало загадок. Не вполне понятно повышенное рассеяние света в области деления Кассини. Не все данные наблюдений удается согласовать в рамках чисто ледяной модели, так что не исключено присутствие в кольцах мелких минеральных и металлических частиц. По-прежнему интригуют астрономов радиальные темные или светлые лучи – «спицы», – довольно быстро перемещающиеся по кольцам (рис. 43–44). Возможно, этот явно волновой процесс обусловлен влиянием мелких спутников, находящихся на внешней границе кольца А и вблизи кольца F, а также в делениях Энке и Кассини. Некоторые из этих спутников находятся внутри полости Роша, но они слишком мелки, чтобы быть разорванными приливными силами.
Рис. 43. Светлые «спицы» в кольцах Сатурна…
Рис. 44. …и темные «спицы»
Спутники Сатурна (как и Юпитера) – интереснейшая тема, но мы пока оставим ее «в тылу» и перейдем к двум оставшимся газовым гигантам – Урану и Нептуну.
Открытый Уильямом Гершелем в 1781 году Уран в принципе мог быть открыт и ранее. Его видимая звездная величина колеблется в пределах от 5,67 до 5,9, то есть при хорошем небе он виден невооруженным глазом как слабая звездочка, различимая с некоторым трудом, но все же различимая. В горах же, где предельная звездная величина «точечного» светила, видимого невооруженным глазом, достигает 7, он виден уверенно.
После открытия Гершеля выяснилось, что Уран наблюдался ранее не менее 20 раз и впервые (впервые ли?) был замечен еще в 1690 году, но не отождествлен. Причина проста: новую планету не искали, поскольку не предполагали ее существования. Кто бы обратил сугубое внимание на слабую звездочку, каких на небе несколько тысяч, и специально стал разглядывать ее в телескоп, применив большие увеличения, при которых стал бы различим диск планеты? Что до звездных карт, то они в те времена были еще несовершенными и неполными – хотя небесные координаты Урана на тот момент были-таки измерены. И опять-таки следовало заметить, что одна из слабых звезд, отмеченных на карте, спустя некоторое время «убежала» со своего места! Словом, чтобы найти, желательно искать, иначе открытие состоится с большим опозданием и случайно. Ведь и Гершель не искал новую планету!