Загадочный исполин
В 1966 году американский астроном В. Фейбельман производил серию фотоснимков окрестностей Сатурна на 30-дюймовом (76-см) рефракторе Аллеганской обсерватории Питтсбургского университета. Выбор времени наблюдения был вовсе не случайным: Земля проходила через плоскость колец Сатурна, и яркие кольца А и В отражали в нашу сторону минимум солнечного света, превратившись в тоненькие полосочки поперек диска планеты. Фейбельман пытался o6наружить гипотетическое кольцо Сатурна, лежащее вне уже известных колец А, В и С. Астроном предположил, что в момент затухания ярких колец неуловимое "X" выступит на фотоснимках более отчетливо, точно так же как "В", обычно самое яркое кольцо Сатурна, в момент наблюдений с ребра иногда становится тусклее "А".
Наверное, 1966 год оказался на редкость благоприятным для поисков нового кольца, потому что после тщательной обработки фотоснимков Фейбельман от-крыл-таки в системе Сатурна новое кольцо, которому впоследствии была присвоена литера "Е".
Когда в 1980 и 1995 годах Земля снова проходила через плоскость колец Сатурна, кольцо Е стало объектом целенаправленных исследований, в которых приняли участие гораздо более внушительные инструменты, чем рефрактор первооткрывателя. Достаточно упомянуть 10-м телескоп им. Кека (Гавайские о-ва), поймавший инфракрасное излучение, идущее от частиц кольца Е, и Космический телескоп им. Хаббла, фотографировавший кольцо в разных полосах видимого спектра. Попало оно и в объективы космических аппаратов "Вояджер", побывавших в системе Сатурна в начале 80-х и заснявших кольцо Е на "просвет" — в ракурсе, совершенно ^недоступном земному наблюдателю. Обработка и сопоставление полученных изображений позволили астрономам узнать о кольце много любопытного.
Было установлено, что кольцо Е простирается на расстояние от 3 до 8 радиусов Сатурна от центра планеты. Таким образом, его полный диаметр составляет без малого миллион километров! Толщина кольца неодинакова на разных расстояниях: от 6000 км на внутреннем крае до 15000 км на внешнем. Кроме того оказалось, что пик яркости кольца наблюдается около орбиты спутника Сатурна Энцелада.
Сопоставление данных о яркости кольца на разных длинах волн при наблюдениях в разных ракурсах позволило установить, что кольцо состоит, по-видимому, из частичек льда. Гораздо более неожиданным оказался тот факт, что размер этих частиц составляет 1 микрон (0.001 мм) с отклонениями не более 30%. Последнее обстоятельство требует отдельного комментария.
Представьте себе, что вы вышли на огромное поле, вся трава на котором имеет одинаковую высоту. Как бы вы объяснили такой феномен? Одно из двух — это футбольное поле или частное владение, где садовник честно отрабатывает свою зарплату. Вас придется долго убеждать в том, что человек не прикасался к этой траве, прежде чем вы начнете искать естественные механизмы, обеспечивающие равную длину травинок.
К счастью, кольцо Е — не первый случай в науке, когда исследователи сталкиваются со сходством множества объектов. Они сразу предложили естественное объяснение необычному составу кольца.
Ледяные вулканы или ударные выбросы?
То обстоятельство, что пик яркости кольца Е находится вблизи орбиты Энцелада, сразу же навело астрономов на мысль, что этот спутник имеет прямое отношение к образованию кольца, являясь для него поставщиком пыли. Но что может заставить пылевое вещество, питающее кольцо Е, преодолеть притяжение Энцелада и попасть в околопланетное пространство? Вспомним вулканы на Ио: под пристальным взором фотокамер "Вояджеров" это маленькое небесное тело неожиданно проявило убедительные свидетельства геологической активности. Разогреваемые приливным трением со стороны Юпитера, а также Европы и Ганимеда, недра спутника время от времени извергают столбы двуокиси серы. Измерив высоту, на которую взлетают вулканические выбросы, ученые установили, что около поверхности Ио скорость выбросов должна составлять 1000 м/с! (Между прочим, даже в самых крупных вулканических извержениях на Земле скорость выбросов не превышает 50 м/с.)
Почему бы тогда на Энцеладе не извергаться гейзерам, задались вопросом некоторые астрономы. Скорость убегания с поверхности этого спутника — всего лишь 210 м/с, что совсем немного в сравнении со скоростью выбросов на Ио, так что наиболее сильные гейзеры на Энцеладе могли бы доставлять вещество в околопланетное пространство. При этом достаточно естественно выглядит одинаковый размер частиц кольца Е: гейзеры выбрасывают капельки воды, которые, замерзая, будут превращаться в ледяные шарики именно микронного размера. Однако подтвердить или опровергнуть эту гипотезу могут лишь непосредственные наблюдения Энцелада с близкого расстояния.
Альтернативное объяснение появления кольца Е было предложено в 1983 г. У. Мак-Киннон предположил, что кольцо образовалось в результате падения на Энцелад огромного метеорита. Колоссальный взрыв выбросил огромные массы вещества поверхности спутника — а это как раз лед — в космическое пространство, образовав громадное тусклое кольцо. Если это так, то рано или поздно кольцо Е исчезнет. Некоторые частички выпадут на спутники Сатурна, расположенные в кольце. Другие испарятся под лучами солнечного света, а также за счет слабого, но постоянного трения с космической плазмой. Третьи столкнутся друг с дружкой и разрушатся. Выходит, нам просто повезло, что мы живем спустя совсем немного времени после падения метеорита на Энцелад, иначе мы просто не застали бы кольцо Е!
Однако со времен триумфа теории Коперника в науке как-то не принято уповать на выделенное положение наблюдателя в пространстве или во времени. Как Коперник отказывался считать центром Вселенной нашу Землю, так и мы сегодня будем противиться любым гипотезам, согласно которым именно в наше время, когда наконец появились инструменты для исследования таких тусклых объектов, как кольцо Е, на Энцелад вдруг упал большой метеорит и подарил нам это зрелище. И хотя совсем недавно мы, в самом деле, стали свидетелями падения кометы на Юпитер — все-таки гипотеза Мак-Киннона выглядит несколько натянутой, хотя и вполне научной.
Более реалистичным представляется сценарий непрерывной бомбардировки Энцелада межпланетными метеороидами, предложенный в 1983 г. интернациональной командой исследователей колец Сатурна — Дж. Морфиллом, Е. Грюном и Т. Джонсоном. Любое безатмосферное небесное тело постоянно подвергается ударам метеороидов — тех самых пылевых частиц из межпланетной среды, которые землянин может наблюдать как "падающие звезды". Удар пылинки, несущейся с космической скоростью, вызывает микровзрыв на поверхности спутника, вырывающий изо льда десятки тысяч крохотных осколков. Некоторые из них, несомненно, обладают достаточной скоростью, чтобы покинуть Энцелад и образовать кольцо Е.
У двух последних гипотез, однако, есть один существенный недостаток: исследователи высокоскоростных столкновений установили, что в результате ударных выбросов образуются частицы широкого диапазона размеров. При ударе метеорита Мак-Киннона об Энцелад в окрестности Сатурна были бы выброшены и многометровые скалы, и дециметровые булыжники, еще больше миллиметрового щебня и тучи микронной пыли. Удар межпланетного метеороида, конечно, не сможет выбросить в космос скалу, но все равно в околопланетном пространстве окажутся частицы самых разных размеров. Как же тогда объяснить микронный размер частиц кольца Е?
Естественный отбор
Изящное объяснение удивительного сходства размеров всех частиц кольца было найдено М. Хораньи, Дж. Бернсом и Д. Гамильтоном в 1992 г. и тщательно обосновано А. В. Кривовым и Д. Гамильтоном в 1996 г. Астрономы построили математическую модель движения пылинки произвольного размера, выброшенной с Энцелада с небольшой скоростью. Были учтены три основные силы, действующие на мелкие частицы в окрестности Сатурна: гравитация планеты, световое давление Солнца и сила Лоренца.
Сила Лоренца, возникающая при движении заряда в магнитном поле, — новый предмет исследований в небесной механике. Пока ученые интересовались движением больших тел Солнечной системы, таких как планеты и их естественные спутники, сила Лоренца не привлекала к себе особого внимания. В самом деле, крупные тела можно считать электрически нейтральными. Они содержат практически равные количества положительных и отрицательных элементарных зарядов, которые полностью компенсируют друг друга. Впрочем, даже миллиард "лишних" зарядов — ничто для Земли, инерционная масса которой так велика, что возникающая в магнитном поле Солнца сила Лоренца не в состоянии "сдвинуть" нашу планету с ее орбиты. Совсем другое дело — мелкие пылинки. Столкновения с ионами и электронами окружающей плазмы (а в космосе вы нигде не найдете по-настоящему пустого пространства, в котором не было бы никаких элементарных частиц), а также фотоэффект вырабатывают заряд на поверхности пылинки. На одной микронной пылинке около Сатурна накапливается до нескольких тысяч избыточных электронов, которые придают ей отрицательный заряд. Этот заряд уже достаточен для того, чтобы подвергнуть легкую пылинку заметному воздействию силы Лоренца в магнитном поле планеты. И поэтому исследователи сразу учли эту силу в своих моделях.
Какова бы ни была природа выбросов с Энцелада, — рассудили специалисты, пылинки тратят первоначальную скорость на преодоление притяжения этого спутника. К концу побега, на границе сферы действия Энцелада, они летят уже практически с нулевой скоростью относительно него. Но нулевая скорость относительно Энцелада — это первая космическая скорость относительно Сатурна, так как сам спутник движется по круговой орбите вокруг планеты. Поэтому там, где движение тел начинает определять гравитация Сатурна, у пылинок не остается никакого выбора, и они укладываются на ту же круговую орбиту вокруг Сатурна, по которой движется сам Энцелад.
Световое давление Солнца вызывает изменения орбиты частицы, напоминающие дыхательные движения: вычисляя эволюцию орбиты пылинки, мы увидим, как сначала окружность превращается в эллипс, а потом эллипс — обратно в окружность. При этом линия апсид — прямая, соединяющая перицентр и апоцентр орбиты пылинки — стремится "угнаться" за движущимся по небу Солнцем. Каждый раз, когда линия апсид "догоняет" Солнце, орбита достигает наибольшей вытянутости, после чего линия апсид начинает отставать, а орбита из эллиптической превращается в круговую.
Чем меньше размер пылинки, тем заметнее сказывается на ее движении световое давление и тем глубже "дышит" ее орбита. Когда движение происходит вдоль орбиты, похожей на орбиту Энцелада (слабое дыхание), пылинка часто проходит вблизи спутника и очень скоро падает на него. Ее жизнь коротка, и судьба незавидна. Когда же пылинке удается выйти на сильно вытянутый эллипс (дыхание глубокое), лишь на краткий миг она сближается с орбитой Энцелада, который может оказаться в это время где угодно, даже по другую сторону от Сатурна. Жизнь такой пылинки продлевается во много раз, и ей удается не раз побывать далеко от планеты.
Выходит, что кольцо Е должно, в основном, состоять из мелких пылинок, и чем меньше размер пылинки, тем больше таких пылинок должно быть в кольце. Но это не так: согласно наблюдениям, незримый "газонокосильщик" явно следит за тем, чтобы все пылинки были одинаковых размеров.
Вспомним теперь, что планета Сатурн заметно отличается от шара — на самом деле она как будто сжата между своих полюсов. Поэтому возникает дополнительная сила, которая приводит к так называемой прецессии орбиты: эллипс, по которому движется частица, вращается вокруг планеты. А сила Лоренца в окрестности Сатурна приводит к прецессии орбиты в противоположном направлении или к так называемой обратной прецессии.
Прецессия орбиты — прямая или обратная — не дает ее линии апсид "ухватиться за Солнце", а значит, не позволяет световому давлению вывести пылинку на сильно вытянутую орбиту, где она может жить долго. Можно сказать, что быстро прецессирующая орбита "едва дышит", и пылинка быстро умирает. Но если прямая прецессия за счет сжатия Сатурна происходит для частиц всех размеров (и даже для спутников) с одинаковой скоростью, обратная прецессия, вызываемая силой Лоренца, зависит от массы и заряда пылинки, а значит — от ее размера. На большие частицы сила Лоренца оказывает очень слабое воздействие, зато на маленькие — очень сильное.
Выходит, что должен быть промежуточный размер пылинки, при котором прямая прецессия полностью компенсирует обратную, давая "карт бланш" световому давлению на любые манипуляции с орбитой. Исследователи поняли, что совершили открытие, как только вычислили искомый размер: он оказался в точности равным одному микрону!
Раз так, именно микронные пылинки, живущие долго, будут составлять основную долю населения кольца Е, именно они залетают далеко от своей "родины" — спутника Энцелада, и именно поэтому мы видим в телескопы гигантское кольцо из одинаковых частиц. Вот и раскрыт секрет "газонокосильщика". Стало ясно, что каким бы ни был механизм выбросов с Энцелада, — вулканические извержения или ударные выбросы, — кольцо должно быть именно таким, каким мы его видим.
Рецепт самоделкина
Вы обратили внимание, как заканчивают жизнь пылинки кольца Е? Они падают обратно на Энцелад. Причем скорость падения не так уж мала — от сотен метров до нескольких километров в секунду! Не может ли кольцо Е — задались вопросом уже знакомые нам американские астрономы Бернс и Гамильтон — своими собственными частицами так бомбить Энцелад, чтобы вторичные выбросы попадали обратно в кольцо?
Если в среднем каждая упавшая на Энцелад пылинка кольца Е в результате микровзрыва на поверхности спутника выбрасывает более одной новой пылинки, плотность вещества кольца уже не будет падать без поддержки извне — метеорита МакКиннона или межпланетных метеороидов. Напротив, она будет постепенно расти, пока пылинок в кольце не станет так много, что перестанут быть редкостью взаимные столкновения между ними. Несмотря на малые размеры, частицы будут время от времени натыкаться друг на дружку, что при космических скоростях движения ледяных крошек немедленно приведет к их испарению, т.е. удалению из кольца.
В этом состоянии кольцо способно поддерживать само себя в состоянии баланса процессов порождения и разрушения частиц. Любопытно, что яркость кольца рассчитанная из теоретических соображений на основе гипотезы самоподдержки, близка к видимой. Единственный недостаток модели, на который указали Бернс и Гамильтон, — избыточное количество субмикронных частиц, предсказываемое их моделью, по сравнению с наблюдаемым количеством в кольце.
В ожидании открытий
В 1997 г. с космодрома на мысе Канаверал был запущен американский космический аппарат "Кассини", который достигнет планеты Сатурн в 2004 году. При подготовке экспедиции досконально исследовалась метеорная обстановка в окрестностях планеты. Еще бы: Сатурн знаменит своими кольцами как никакая другая планета. Само собой, "Кассини" будет избегать район плотных колец — слишком велик риск погубить всю экспедицию. Однако протяженное кольцо Е облететь стороной никак не удастся: планируются исследования Энцелада и других спутников, расположенных прямо в толще этого пылевого монстра.
Расчеты показали, что столкновение с большим метеоритом космическому аппарату не грозит. С мелкой пылью придется мириться. Она неспособна разрушить "Кассини", но мало-помалу будет царапать оптику, так что та со временем придет в полную негодность. Однако произойдет это гораздо позже, чем закончится ресурс межпланетной станции.
Космическая экспедиция "Кассини" предусматривает обширную программу исследований. Автоматическая станция облетит несколько спутников Сатурна и высадит зонд "Гюйгенс" на самый большой из них — Титан. Кольцо Е тоже станет одним из объектов пристального внимания ученых. Чуткий детектор пылевых частиц доставит нам информацию о пространственной концентрации и химическом составе пылинок в кольце, поможет определить орбиты, по которым они движутся. Возможно, наблюдения кольца Е и Энцелада с борта "Кассини" позволят ответить на многие вопросы, волнующие нас сегодня: как образовалось кольцо Е? Извергаются ли "ледяные вулканы" на Энцеладе? В состоянии ли кольцо поддерживать само себя, как думают Бернс и Гамильтон, или ему требуется постоянная "подкачка" вещества за счет бомбардировки Энцелада межпланетными метеороидами, как считают Морфилл и его коллеги? А может, оно в самом деле скоро исчезнет, если окажется прав Мак-Киннон с гипотезой о падении крупного метеорита?
Что ж, список вопросов неисчерпаем! Будем готовиться к открытиям!
Дикарев Валерий Владимирович — аспирант Санкт-Петербургского государственного университета по специальности астрометрия и небесная механика. Его предыдущая статья "Возвращение Леонид: неоправданные надежды" была опубликована в ноябрьском номере журнала.
