Тайна происхождения колец Сатурна

Тайна происхождения колец Сатурна

В 1655 году нидерландский ученый Христиан Гюйгенс первым распознал кольцо в загадочных выступах, сопровождавших Сатурн. Но лишь четыре года спустя, убедившись в своей правоте, он объявил со страниц книги «Система Сатурна», что Сатурн «кольцом окружен тонким, плоским, нигде не прикасающимся, к эклиптике наклоненным».

В 1675 году директор Парижской обсерватории Джованни Доменико Кассини обнаружил внутри кольца черную полосу (позднее ее назвали «делением Кассини»). Она рассекала его на две части – их стали именовать кольцами А и В. Он же первым предположил, что кольца состоят из отдельных частиц.

Отныне гипотезы следовали одна за другой. На протяжении нескольких столетий таинственные кольца Сатурна неизменно привлекали внимание астрономов. Чем совершеннее становились телескопы, тем сложнее казалась структура колец. Сегодня – благодаря межпланетным зондам, побывавшим близ Сатурна, – мы знаем о них очень много. Астрономы насчитывают уже более 100 тысяч отдельных колец, окружающих планету. Они различаются по своему химическому составу и окраске. История их возникновения по-прежнему вызывает немало вопросов. Ученые продолжают выдвигать все новые гипотезы, объясняющие природу колец.

На протяжении нескольких столетий таинственные кольца Сатурна неизменно привлекали внимание астрономов

В XIX веке французский астроном Эдуард Альбер Рош предположил, что один из спутников Сатурна настолько сблизился с планетой, что был разорван приливными силами, и из его обломков возникли кольца, окружающие теперь Сатурн. Ни один спутник, преодолевший так называемый «предел Роша», не может уцелеть; рано или поздно он распадется, образуя очередное кольцо, которое со времени осядет на планету. В любом случае, кольца, считают сторонники этой гипотезы, явление временное. Нам повезло жить в ту эпоху, когда сразу несколько крупных планет окружены ими.

По другой гипотезе, кольца образовались после столкновения одного из спутников Сатурна с крупным метеоритом. Многочисленные осколки, усеявшие окрестности планеты после коллизии, и послужили материалом, из которого формировались кольца. Расчеты показывают, что их возраст не превышает 100 миллионов лет.

Теперь известно, 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 различных силикатов и металлов. Поэтому кольца Сатурна тоже должны были бы содержать хотя бы несколько десятков процентов этих материалов. Разрешить это противоречие могут только новые гипотезы.

А что если кольца Сатурна, как и ближайшие к нему спутники, образовались вследствие одной и той же катастрофы? Такую догадку выдвинула в 2010 году американский астрофизик Робин Кануп. По ее предположению, в далеком прошлом вокруг Сатурна обращался еще один такой же крупный спутник, как Титан. Его ядро состояло из силикатов и железа, и он был покрыт мощным ледяным панцирем. Приблизившись к планете на расстояние, равное пределу Роша, он под действием приливных сил сбросил с себя эту ледяную оболочку, и та, постепенно распадаясь на все более мелкие части, стала кружить возле Сатурна, образовав многочисленные кольца. Что же касается железокаменного ядра спутника, оно рухнуло на Сатурн.

Расчеты показали, что кольца Сатурна когда-то весили в тысячи раз больше, чем теперь. Однако астероиды и кометы, иногда врезавшиеся в них, выбивали часть материала. Из него могли сформироваться внутренние спутники Сатурна – например, Тефия. В то же время силикаты и металлы, которые содержались в астероидах, пополняли материал колец – так появились те 5—10 % примесей, которые там обнаруживают.

Впрочем, у этой гипотезы, как и у других, о которых мы говорили, есть одни и те же недостатки. Например, после разрушения спутника возникают обломки самых разных размеров – от кубиков льда до ледяных гор, протянувшихся на десятки километров. На деле же ни одна из льдин, образовавших кольца, не превышает в длину 10 метров. Другое дело, если кольца Сатурна возникли одновременно с планетой! Тогда – из-за мощного противодействия гравитации – мелкие льдинки не могли бы сбиться даже в комья размером с дом. Кроме того, разрушение спутника, – это чистая случайность, а кольцами окружены все планеты-гиганты, поэтому в случайность не очень-то верится. Многие астрономы склонны теперь считать, что кольца вокруг планет сформировались одновременно с ними.

Значит, эти кольца состоят из вещества, сохранившегося со времен возникновения Солнечной системы? В ту пору вокруг Солнца обращался громадный газопылевой диск, из материала которого одна за другой рождались планеты. Остатки же космических заготовок – все эти ледышки и пылинки – теперь вращались среди новоиспеченных планет, постепенно скатываясь в комья спутников. Однако те могут возникнуть только в некотором отдалении от планеты, иначе быстро разрушатся. Поэтому близ планет-гигантов некоторое время сохранялись фрагменты газопылевого диска, образовавшие затем отдельные кольца. Из-за частых столкновений друг с другом, а также действия мощных приливных сил все эти крупицы и комья так и не составили один-единственный спутник. В случае если эта гипотеза верна, материал колец постоянно пополняется веществом с поверхности спутников Сатурна – иначе бы кольца испарились за несколько сотен миллионов лет.

Тем временем астрономы обнаруживают все новые кольца Сатурна. Так, несколько лет назад было замечено неизвестное прежде громадное кольцо. В принципе, системы колец планет-гигантов довольно малы по сравнению с самими планетами. По оценке 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 тысяч километров).

Как показывают наблюдения, внешние кольца Сатурна постоянно подпитываются пылью, вылетающей с поверхности его спутников после столкновений с микрометеоритами. Именно из нее и состоит кольцо, обнаруженное только в 2009 году. Его радиус составляет от 100 до 200 радиусов Сатурна, и сформировано оно из пыли, выброшенной с поверхности Фебы, самого далекого и темного спутника планеты. Обнаружить новое кольцо удалось благодаря инфракрасному излучению, которое оно испускает. В отличие от других колец Сатурна оно располагается не в экваториальной плоскости планеты, а в плоскости орбиты, по которой та обращается вокруг Солнца. Угол между двумя плоскостями составляет около 27 градусов.

Плотность этого кольца – всего 20 частиц на кубический километр (!). По словам астронома Энн Вербискер из Виргинского университета, руководившей исследованием, «частицы кольца располагаются так далеко друг от друга, что, если оказаться внутри него, сразу даже не заметишь этого». Тем более, что размер частиц зачастую не превышает нескольких микрометров.

Похоже, что пылинки, вылетающие 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 ученых, высота слоя пыли, покрывающего одну из ее сторон, составляет от 20 сантиметров до нескольких метров.

Возможно, тайну колец Сатурна прояснит зонд «Кассини». Окончание его миссии намечено на 2017 год, но прежде чем он сгорит в атмосфере Сатурна, он исследует его кольца, определит количество примесей, которые те содержат, и оценит массу колец.