Из чего кольца сатурна. Почему это важно
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.
|
Сатурн, шестая по счету планета от Солнца. Кольца Сатурна, представляют из себя систему плоских концентрических образований изо льда и пыли, находящуюся в экваториальной плоскости планеты. Планета имеет семь основных (A, B, C, D, E, F, G) и множество мелких колец.
Открытие колец Сатурна
1610 год — Галилео Галилей был первым, кто смог увидеть кольца Сатурна в свой телескоп с 20-ти кратным увеличением, но не распознал их как кольца.
1655 год — ученый из Нидерландов Христиан Гюйгенс первый смог распознать кольцо в странных выступах, сопровождавших Сатурн. Но только через 4 года, убедившись в своей правоте, он рассказал со страниц книги «Система Сатурна», что Сатурн «кольцом окружен тонким, плоским, нигде не прикасающимся, к эклиптике наклоненным».
1675 год — директор Парижской обсерватории Джованни Доменико Кассини обнаружил внутри кольца черную полосу (поздней ее назовут «делением Кассини»). Она рассекала его на две части – их начали называть кольцами А и В. Он же первым сделал предположение, что кольца состоят из отдельных частиц.
Происхождение колец
Теперь гипотезы начали появляться одна за другой. В течении нескольких веков загадочные кольца Сатурна неизменно привлекали внимание астрономов. Чем совершенней становились телескопы, тем сложней казалась структура колец. В наши дни – с помощью межпланетных зондов, побывавшим близ Сатурна, – мы знаем о них очень многое. Кроме основных, астрономы насчитали уже больше 100 тыс. отдельных колец, окружающих планету. Они различны по своему химическому составу и окраске. Происхождение колец как и прежде вызывает немало вопросов. Исследователи не перестают выдвигать все новые гипотезы, объясняющие природу колец.
Гипотезы
В XIX столетии астроном из Франции Эдуард Альбер Рош выдвинул гипотезу, что один из спутников Сатурна до такой степени сблизился с планетой, что был разорван приливными силами, и из его обломков образовались кольца, окружающие теперь Сатурн. Ни один спутник, который преодолел так называемый «предел Роша», не может уцелеть; рано или поздно он распадется, образуя очередное кольцо, которое в последствии осядет на планету. Как бы там ни было, кольца, считают сторонники этой гипотезы, явление временное. Нам повезло жить в то время, когда сразу несколько крупных планет окружены ими.
Согласно другой гипотезе, кольца могли образоваться после столкновения одного из спутников Сатурна с крупным метеоритом. Множество осколков, усеявших окрестности планеты после коллизии, и стали материалом, из которого сформировались кольца. Расчеты показали, что их возраст не более 100 миллионов лет.
Из чего состоят кольца
Теперь мы знаем, что кольца Сатурна на 90–95% состоят из водяного льда. А вот небесные тела, которые могли бы послужить материалом для них, хотя бы наполовину состоят из разных силикатов и металлов. Потому кольца Сатурна также должны были бы содержать хотя бы несколько десятков процентов этих материалов. Разрешить это противоречие могут лишь новые гипотезы.
А что если кольца Сатурна, как и ближние к нему спутники, образовались из за одной и той же катастрофы? Такая версия была выдвинута в 2010 г. американским астрофизиком Робином Канупом. Он предположил что, в далеком прошлом вокруг Сатурна обращался еще один такой же крупный спутник, как Титан. Его ядро состояло из силикатов и железа, его покрывал мощный ледяной панцирь. Приблизившись к планете на расстояние, равное пределу Роша, он под воздействием приливных сил сбросил с себя эту ледяную оболочку, и та, постепенно распадаясь на все более мелкие части, начала кружить возле Сатурна, образовав многочисленные кольца. Что же до железокаменного ядра спутника, оно рухнуло на Сатурн.
Согласно расчетам, кольца Сатурна некогда весили в тысячи раз больше, чем сейчас. Однако астероиды и кометы, временами врезавшиеся в них, выбивали часть материала. Из него могли быть сформированы внутренние спутники Сатурна – к примеру, Тефия. Тем временем силикаты и металлы, содержавшиеся в астероидах, пополняли материал колец – так появились те 5-10% примесей, которые там обнаружили.
Когда сформировались кольца?
Впрочем, у этой гипотезы, как и у других, о которых упоминалось, имеются одни и те же недостатки. К примеру, после разрушения спутника появляются обломки самых различных размеров – от кубиков льда до ледяных гор, тянущихся десятки километров. На деле же ни одна из льдин, образовавших кольца, в длину не больше 10 метров. Другое дело, если кольца Сатурна появились вместе с планетой! Тогда – из-за мощного противодействия гравитации – мелкие льдинки не смогли бы сбиться даже в комья размером с дом. Кроме этого, разрушение спутника, – это все-же случайность, а кольцами окружены все планеты-гиганты, потому в случайность не очень-то верится. Многие астрономы считают, что кольца вокруг планет сформировались одновременно с ними.
Значит, эти кольца состоят из вещества, которое сохранилось со времен возникновения Солнечной системы? В то время вокруг Солнца обращался огромный газопылевой диск, из материала которого одна за другой рождались планеты. Остатки же космических заготовок – все эти ледышки и пылинки – теперь вращались среди новоиспеченных планет, со временем скатываясь в комья спутников. Но те могут возникнуть только в некотором отдалении от планеты, иначе быстро разрушатся. Потому поблизости планет-гигантов какое-то время сохранялись фрагменты газопылевого диска, образовавшие в последствии отдельные кольца.
Из-за частых столкновений друг с другом, а также воздействия мощных приливных сил все эти крупицы и комья так и не составили один-единственный спутник. В случае если эта версия верна, материал колец все время пополняется веществом с поверхности спутников Сатурна – иначе бы кольца могли испариться за несколько сотен миллионов лет.
Обнаружение новых колец
Астрономы, между тем обнаруживают все новые кольца Сатурна. Так, некоторое время назад было замечено неизвестное ранее громадное кольцо. В принципе, системы колец планет-гигантов довольно малы по сравнению с самими планетами. По оценкам астрономов, их радиус не превышает 5-10 радиусов планеты. Так, радиус самого большого из известных до недавнего времени колец Сатурна – кольца E – не превышал 10 радиусов Сатурна (его экваториальный радиус – 60 тыс. км).
Как показали наблюдения, внешние кольца Сатурна все время подпитываются пылью, вылетающей с поверхности его спутников после столкновений с микрометеоритами. Именно из нее и состоит кольцо, обнаруженное лишь в 2009 г. Его радиус составляет от 100 до 200 радиусов Сатурна, и сформировано оно из пыли, выброшенной с поверхности Фебы, самого отдаленного и темного спутника планеты. Обнаружить новое кольцо смогли благодаря инфракрасному излучению, исходящему от него. В отличие от других колец Сатурна оно расположено не в экваториальной плоскости планеты, а в плоскости орбиты, по которой та обращается вокруг Солнца. Угол между двумя плоскостями составляет около 27 °.
Плотность этого кольца – только 20 частиц на кубический километр (!). По словам астронома Энн Вербискер из Виргинского университета, руководившей исследованиями, «частицы кольца расположены так далеко друг от друга, что, если оказаться внутри него, сразу даже не заметишь этого». Тем более, что размер частиц часто не превышает нескольких микрометров.
Похоже, что пылинки, которые вылетают из этого кольца, оседают на обращенную к нему поверхность еще одного спутника Сатурна, Япета. Это объясняет странный облик этой луны. Она отчетливо делится на две половины, светлую и темную. По оценке специалистов, высота слоя пыли, покрывающего одну из ее сторон, составляет от 20 сантиметров до нескольких метров.
Начиная с XVII века человек по крупицам собирал информацию о кольцах Сатурна, странном образовании, окружающим вторую по величине планету Солнечной Системы. Ширина колец огромна: они в пять раз превосходят диаметр Земли!
С началом космической эры Сатурн посетили пять космических аппаратов. Последний из них, «Кассини», работает до сих пор. Благодаря его снимкам перед нами постепенно открывается абсолютно уникальная, фантастическая по красоте картина, которую не найти больше нигде в Солнечной системе.
Галилей, первый человек, увидевший Сатурн в телескоп, был поражен его видом. Нет, кольца он не увидел — первый телескоп давал увеличение всего 30 крат, да и оптика была, мягко говоря, не слишком хороша. Но Галилей заметил вокруг планеты «уши», которые придавали Сатурну вытянутую форму, и долго не мог понять, что они собой представляют.
В конце концов он решил, что это спутники планеты. Лишь через несколько десятков лет астрономы установили природу этих «ушей» и были поражены. Этот снимок — один из первых цветных, полученных станцией НАСА «Кассини» после прибытия в систему Сатурна в 2004 году. Великолепные кольца на протяжении 7 лет будут одним из интереснейших предметов исследования в этой далекой, непохожей на другие, системе
Точка отмеченная на фото - наша планета Земля
Волны внутри щели Энке. То, что у Сатурна не одно кольцо, стало ясно уже в XVII веке, когда итальянский астроном Кассини открыл щель, названную его именем. Позже, по мере совершенствования телескопов, астрономы находили все больше и больше зазоров в кольце планеты-гиганта. Оказалось, что вместо сплошного кольца Сатурн опоясывают великое множество колец и колечек. Щель Энке, открытая в XIX веке, тоже оказалась не пустой. На фото видно отчетливо два колечка внутри щели Энке. Кроме того в 1990 году был открыт спутник Сатурна Пан, орбита которого проходила целиком внутри щели. Этот спутник-пастух и расчистил пространство в кольцах, а его гравитационное влияние порождает изменчивые волны и неровности внутри щели Энке. Снимок получен 7 октября 2006 года космическим аппаратом НАСА «Кассини»
Глядя на кольца Сатурна под небольшим углом, можно различить множество зазоров, щелей и щелочек между кольцами. Сами кольца различаются друг от друга как по ширине, так и по яркости. Обратите внимание на звездочку у дальней «оконечности». Это 32-километровый спутник Атлас; его орбита проходит между кольцами A и F.
Система Сатурна похожа на Солнечную систему в миниатюре. Спутники кружат вокруг планеты-гиганта подобно планетам вокруг Солнца. Но есть и одно существенное различие: у Солнца нет таких роскошных колец. Кольца Сатурна очень тонкие. Толщина их обычно составляет всего несколько метров, и уж во всяком случае нигде не бывает больше 10 километров. Тем не менее, кольца способны отбрасывать тень. На этой фотографии видно, что тень от колец в одних местах черная, а в других серая. Это значит, что они по-разному пропускают свет.
Лучше всего волны в кольцах Сатурна наблюдать на примере кольца F. Сила притяжения Прометея, 86-километрового спутника, который виден на фото, искажает структуру кольца, порождая диагональные образования. Снимок получен 30 августа 2008 года с расстояния 1,2 миллиона км.
Орбита космического аппарата «Кассини» была выбрана так, что 3 марта 2005 года кольца заслонили собою Землю. Тогда «Кассини» послал на нашу планету три радиосигнала на длинах волн 0,94, 3,6 и 13 сантиметров. Сигналы, проходя сквозь кольца Сатурна, несколько искажались. По этим изменениям ученые получили представление как о толщине колец, так и о материале, из которых они сложены. Это изображение сконструировано из радиоизмерений щели Кассини и кольца A. Оказалось, что толщина кольца А равнялась примерно 10 км, а во внешних кольцах и вокруг щели Энке наблюдались волны плотности, порожденные спутниками-пастухами. Искусственные цвета предоставляют информацию о размерах частиц, из которых состоят кольца. Пурпурный цвет показывает частицы менее 5 см в диаметре. Зеленый и голубой цвета показывают частицы 1-5 см и менее 1 см в диаметре
Цветные нити и тени. Удивительная картина предстала перед камерами «Кассини» 30 июля 2004 года, вскоре после прибытия в систему Сатурна. Атмосфера газового гиганта была окрашена в ровные безмятежные тона, а тонкие полупрозрачные кольца пересекали собственную тень. На снимке видно кольцо C, ближайшее к Сатурну, и широкую щель Кассини, которую можно увидеть даже в любительский телескоп.
Изысканные оттенки золотого демонстрируют нам внутреннее кольцо B. На снимке видна щель Кассини, заполненная тусклыми и очень узкими колечками. Края щели Кассини оказываются размытыми, когда смотрим на нее с относительно небольшого расстояния.
Не только кольца могут отбрасывать тень на Сатурн, но и Сатурн на кольца. Посмотрите как резка и отчетлива тень планеты в безвоздушном пространстве!
«Открылась бездна, звезд полна...» — писал великий Ломоносов о ночном небе. Замените «звезды» на «луны» и вы получите картину, запечатленную зондом «Кассини» в системе Сатурна. Целых пять спутников, Янус, Мимас, Пандора, Прометей и Атлас (слева направо) мы видим на этом великолепном снимке. А если бы позволяло разрешение, то заметили бы еще несколько. К сожалению, многие из спутников Сатурна слишком малы для масштабных полотен. Это просто неправильной формы куски скал 5-15 км в поперечнике. Этот снимок сделан 13 декабря 2008 года в ближнем инфракрасном свете.
Странные «спицы» в кольцах Сатурна. В кольцах Сатурна наблюдаются необычные образования — «спицы», представляющие собой светлые и тёмные полосы, идущие поперёк колец. Впервые спицы были обнаружены еще «Вояджерами». Странно то, что эти полосы ведут себя как единое тело, в то время как кольца Сатурна единым телом не являются. Внутренние слои колец вращаются вокруг планеты быстрее внешних. По всем законам небесной механики «спицы» должны быстро разрушаться, однако этого не происходит. В чем причина их долговечности, астрономам еще предстоит выяснить.
Самая большая виниловая пластинка в мире. Кольца Сатурна во всем великолепии открылись камерам «Кассини» 7 февраля 2008 года. В результате мы видим сложную мозаику, хитросплетение множества дуг, в которых теряется огромная щель Кассини, разделяющую главные кольца А и B. А вот узкую, с четкими краями щель Энке слева видна отлично. Как и расположенное еще дальше чрезвычайно узкое кольцо F. Это ветвящееся образование с волнами и петлями целиком и полностью обязано своим существованием спутникам-пастухам, Пандоре и Прометею.
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.
м ногие знают о том, что у Сатурна есть кольца, но мало кто знает, что они из себя представляю т. Есть три главных кольца, которые прекрасно видно с Земли. Три других тоже видно, но значительно слабее. Остальные кольца не видны с нашей планеты.
Все кольца Сатурна – это огромные глыбы льда. Интересно, что длина колец достигает 400 тысяч км, а их ширина может равняться всего нескольким десяткам метров. Скорость движения всех глыб – около 10 километров в секунду.
Внешний вид колец меняется ежегодно, так как они наклонены к орбите планеты на 26 градусов. Это объясняет то, почему иногда кольца кажутся нам широкими, а иногда становятся чуть различимой полосой.
Кольца Сатурна на протяжении всей истории будоражили умы учёных.
- Кант говорил, что они имеют тонкую структуру.
- С. Лаплас утверждал, что самый широкий пояс изо льда является неустойчивым.
- А в прошлом веке астрономы нашли десять колец около планеты.
- Д. Максвелл доказал, что неустойчивы не только широкие кольца.
- Ж. Кассини выдвинул теорию, что пояса вокруг Сатурна имеют метеорное происхождение.
В продолжение 29,5 лет с Земли 2 раза было видно максимально «широкие» кольца, и ещё 2 раза – максимально «тонкие». Известно, что ширина колец варьируется и составляет от 10 см до 10 км. Наиболее близко удалённые к планете частицы пыли и льда остаются неподвижными, касательно неё.
Информация с Вояджеров.
Первые данные с Вояджер-1 показали, что кольца Сатурна имеют небольшие цветовые различия. Особенно интересно выглядят так называемые «спицы» — тёмные образования, пересекающие кольца в некоторых частях. Интересно то, что внутренний край кольца, расположенный у основания спицы, вращается быстрее в сравнении с внешним краем у вершины спицы.
Благодаря Вояджеру было выявлено, что каждое кольцо Сатурна включает в себя несколько узких колец.
- Самое яркое из колец – B. Оно же обладает наибольшей плотностью вещества.
- Кольцо С менее яркое из всех.
- Кольцо F имеет форму эллипса и образовано из нескольких отдельных «прядей».
Пояс изо льда, названный G, располагается около спутников S-11 и S-10.
Вся система колец планеты является стабильной. Но, несмотря на это, глыбы льда могут изгибаться внутри системы в различных направлениях – эллипс, спираль и другие волны.
Почему на Сатурне образовались кольца?
Ранее считалось, что к нему приблизился спутник, который был разорван на кусочки. Сейчас все знают, что кольца – это околопланетное облако, простирающееся на огромные расстояния вблизи планеты. Из внешней части данного облака были сформированы спутники. То, что кольца сплющенные – результат воздействия двух сил – центробежной и гравитационной.