194 (Планета Сатурн), страница 3

Характерная особенность строения колец - темные кольцевые промежутки (деления), где вещества очень мало. Самое широкое из них (3500 км) отделяет кольцо В от кольца А и называется "делением Кассини" в честь астронома, впервые увидевшего его в 1675 году. При исключительно хороших атмосферных условиях таких делений с Земли видно свыше десяти. Природа их, по-видимому, резонансная. Так, деление Кассини - это область орбит, в которой период обращения каждой частицы вокруг Сатурна ровно вдвое меньше, чем у ближайшего крупного спутника Сатурна - Мимаса. Из-за такого совпадения Мимас своим притяжением как бы раскачивает частицы, движущиеся внутри деления, и в конце концов выбрасывает их оттуда. Бортовые камеры "Вояджеров" показали, что с близкого расстояния кольца Сатурна похожи на граммофонную пластинку: они как бы расслоены на тысячи отдельных узких колечек с темными прогалинами между ними. Прогалин так много, что объяснить их резонансами с периодами обращения спутников Сатурна уже невозможно.

Помимо колец А,В и С "Вояджеры" обнаружили еще четыре: D,E,F и G. Все они очень разрежены и потому неярки. Кольца D и E с трудом видны с Земли при особо благоприятных условиях; кольца F и G обнаружены впервые. Порядок обозначения колец объясняется историческими причинами, поэтому он не совпадает с алфавитным. Если расположить кольца по мере их удаления от Сатурна, то мы получим ряд: D,C,B,A,F,G,E. Особый интерес и большую дискуссию вызвало кольцо F. К сожалению, вывести окончательное суждение об этом объекте пока не удалось, так как наблюдения двух "Вояджеров" не согласуются между собой. Бортовые камеры "Вояджера-1" показали, что кольцо F состоит из нескольких колечек общей шириной 60 км., причем два из них перевиты друг с другом, как шнурок. Некоторое время господствовало мнение, что ответственность за эту необычную конфигурацию несут два небольших новооткрытых спутника, движущихся непосредственно вблизи кольца F, - один из внутреннего края, другой - у внешнего (чуть медленнее первого, так как он дальше от Сатурна). Притяжение этих спутников не дает крайним частицам уходить далеко от его середины, то есть спутники как бы "пасут" частицы, за что и получили название "пастухов". Они же, как показали расчеты, вызывают движение частиц по волнистой линии, что и создает наблюдаемые переплетения компонентов кольца. Но "Вояджер-2", прошедший близ Сатурна девятью месяцами позже, не обнаружил в кольце F ни переплетений, ни каких-либо других искажений формы, - в частности, и в непосредственной близости от "пастухов". Таким образом, форма кольца оказалась изменчивой. Для суждения о причинах и закономерностях этой изменчивости двух наблюдений, конечно, мало. С Земли же наблюдать кольцо F современными средствами невозможно - яркость его слишком мала.

Кольцо D - ближайшее к планете. Видимо, оно простирается до самого облачного шара Сатурна. Кольцо E - самое внешнее. Крайне разряженное, оно в то же время наиболее широкое из всех - около 90 тыс. км. Величина зоны, которую оно занимает, от 3,5 до 5 радиусов планеты. Плотность вещества в кольце E возрастает по направлению к орбите спутника Сатурна Энцелада. Возможно, Энцелад - источник вещества этого кольца. Частицы колец Сатурна, вероятно, ледяные, покрытые сверху инеем. Это было известно еще из наземных наблюдений, и бортовые приборы космических аппаратов лишь подтвердили правильность такого вывода. Размеры частиц главных колец оценивались из наземных наблюдений в пределах от сантиметров до метров. Когда "Вояджер-1" проходил вблизи Сатурна, радиопередатчик космического аппарата последовательно пронизывал радиолучом на волне 3,6 см. кольцо А, деление Кассини и кольцо С.

Затем радиоизлучение было принято на Земле и подверглось анализу. Удалось выяснить, что частицы указанных зон рассеивают радиоволны преимущественно вперед, хотя и несколько по-разному. Благодаря этому оценили средний поперечник частиц кольца А в 10 м, деления Кассини - в 8 м и кольца С - в 2 м. Сильное рассеяние вперед, но уже в видимом свете, обнаружено у колец F и E. Это означает наличие в них значительного количества мелкой пыли (поперечник пылинки около десятитысячных долей мм)

В кольце В обнаружили новый структурный элемент - радиальные образования, получившие названия "спиц" из-за внешнего сходства со спицами колеса. Они также состоят из мелкой пыли и расположены над плоскостью кольца. Не исключено, что "спицы" удерживаются там силами электростатического отталкивания. Любопытно отметить: изображения "спиц" были найдены на некоторых зарисовках Сатурна, сделанных еще в прошлом веке. Но тогда никто не придал им значения. Исследуя кольца, "Вояджеры" обнаружили неожиданным эффект - многочисленные кратковременные всплески радиоизлучения, поступающего от колец. Это не что иное, как сигналы от электростатических разрядов - своего рода молнии. Источник электризации частиц, по-видимому, столкновения между ними. Кроме того, была открыта окутывающая кольца газообразная атмосфера из нейтрального атомарного водорода. "Вояджерами" наблюдалась линия Лайсан-альфа (1216 А) в ультрафиолетовой части спектра. По ее интенсивности оценили число атомов водорода в кубическом сантиметре атмосферы. Их оказалось примерно 600. Нужно сказать, некоторые ученые задолго до запуска к Сатурну космических аппаратов предсказывали возможность существования атмосферы у колец Сатурна. "Вояджерами" была также сделана попытка измерить массу колец. Трудность состояла в том, что масса колец по крайней мере в миллион раз меньше массы Сатурна. Масса колец заведомо меньше 1,7 миллионных долей массы планеты.

4.1. ОТКРЫТИЕ ТОНКОЙ СТРУКТУРЫ КОЛЕЦ

С амая "оригинальная" из планет, планета Сатурн, так же, как и Марс,

находится под пристальным вниманием астрономического населения Земли.

XVII ВЕК: "Ясно вижу кольцо"

Необычный вид планеты Сатурн впервые подметил Галилео Галилей летом 1610 года. Он "с великим удивлением наблюдал Сатурн не в виде одной звезды, а состоящим из трех неподвижных почти касающихся звезд, при этом центральная крупнее боковых и все три расположены на прямой линии... В трубу с меньшим увеличением они не видны как три отдельные звезды: Сатурн представляется удлиненной звездой в форме оливы". Галилей сравнивал боковые звезды с покорными служителями, которые помогают престарелому Сатурну совершать свой путь и всегда держатся по обе стороны от него. Вскоре, однако, природа подшутила над исследователем. В 1612 году кольцо Сатурна оказалось повернутым к Земле ребром и "покорные служители" исчезли из поля зрения галилеевой трубы.

В 1614 году "боковые звезды" Сатурна видел в свою трубу иезуит Кристофер Шайнер, в 1616 году - сам Галилей, а в 30- 50-е годы XVII века их замечали такие известные наблюдатели, как Пьер Гассенди, Франческо Фонтана, Джованни-Батиста Риччиоли, Ян Гевелий. Но хотя отдельные зарисовки планеты определенно показывали кольцевые очертания, разгадать тайну неземного дива никак не удавалось. Даже Гевелий, обнаруживший периодичность смены фаз видимости Сатурна, так и не сумел разобраться, что же являют собой сатурновы украшения, Правильное объяснение "диковинки" планеты и периодических изменений ее вида дал в 1659 году Христиан Гюйгенс, наблюдавший с 1655 года Сатурн сначала в 12-футовый, а затем в новый 23-футовый телескоп; "Опоясан кольцом, тонким, плоским, нигде не прилегающим, к эклиптике наклоненным". Предвидя "недоверие тех, кто считает необычным и неправильным", что он "приписывает небесному телу форму доселе не встречавшуюся, тогда как считается непреложным законом природы, что им подобает сферический вид", Гюйгенс подчеркнул: "я не измыслил это предположение благодаря своей фантазии и воображению.., а ясно вижу кольцо собственными глазами".

1

Зарисовки, выполненные в XVII веке

- Г. Галилей, 1610 год;

2 - К. Шайнер, 1614 год;

3 - П. Гассенди, 1633 год;

4 - Дж. Риччиоли, 1640 год;

5, 6, 7, 8 - Я. Гевелий, 1640-1650 годы;

9, 10 - П. Гассенди, 1645 год;

11 - Е. Дивини, 1647 год;

12 - Ф. Фонтана, 1648 год;

13, 14, 15 - Дж. Риччиоли, 1648-1650 годы;

16, 17- X. Гюйгенс, 1656, 1659 год;

18 - Дж. Кампани, 1664 год;

19 - В. Болл, 1665 год;

20 - Я. Гевелий, 1675 год;

21 - Ж. Кассини, 1676 год

В 1664 году Джузеппе Кампани, один из признанных мастеров телескопостроения, проверяя качество своего 35-футового инструмента, "расщепил" кольцо Сатурна на два - внешнее, более темное, и внутреннее, светлое (кольца А и В по современному обозначению, введенному в XIX веке О. В. Струве). А в 1675 году Христиан Гюйгенс и Жан-Доминик Кассини обнаружили между этими двумя кольцами темную полосу. Ее впоследствии назвали делением Кассини. Таким образом, "классические" (то есть отраженные в школьном учебнике астрономии) особенности кольца Сатурна были установлены в XVII столетии.

XVIII ВЕК: разброд и шатания

С правильными представлениями об устройстве кольца Сатурна впервые встречаемся в одном из трудов Жака Кассини (1715 г.). По его мнению, кольцо могло быть "скоплением спутников, которые находились в одной плоскости и обращались вокруг планеты; ...величина их столь мала, что они не могут быть заметны по отдельности, но в то же время они столь близки друг к другу, что невозможно различить промежутки между ними, поэтому кажется, будто они образуют единое сплошное тело". Эту версию Кассини аргументировал ссылкой на третий закон Кеплера, согласно которому твердое кольцо должно быть разрушено притяжением планеты. Правда, есть веские основания считать, что подобное объяснение природы сатурнова кольца принадлежит другому французскому ученому- Персонье Робервалю, одному из создателей Парижской академии в 1666 году. Однако эта гипотеза была чисто умозрительной, а потому далеко не единственной. В 30-х годах XVIII века французский ученый и инженер П.-Л. Мопертюи предположил, что кольцо Сатурна обязано своим происхождением кометам, которые планета захватывала при близком прохождении. Головы комет становились спутниками Сатурна, а хвосты образовали кольца. Ж.-Ж. Мэран и Ж.-Л. Бюффон, коллеги Мопертюи по Парижской академии, считали кольцо остатком экваториального вещества планеты. По Мэрану, Сатурн первоначально имел большие размеры, но, сжимаясь в результате охлаждения, сбросил внешние слои; согласно Бюффону, кольцо отделилось от планеты вследствие избытка центробежной силы. Впервые темное внутреннее кольцо Сатурна (кольцо С) наблюдал английский астроном Томас Райт. Кольцо Сатурна представилось ему "образованным из многих колец, из которых два видны очень хорошо и заметно третье. Я наблюдал их в рефлектор с 5-футовым фокусом в марте 1739 года, причем внешнее относилось к внутреннему (кольцо А к кольцу В), как 1 к 3, а остальная часть (кольцо С) казалась очень темной. В это время кольцо было максимально развернутым", Интересную гипотезу строения кольца Сатурна развил в 1755 году Иммануил Кант в своем труде "Всеобщая естественная история и теория неба". Ему уже было известно о наблюдении "многих концентрических колец, отделенных Друг от друга некоторым пространством". Считая кольцо "газом частиц". Кант доказывал, что так как равновесие кольца обусловлено равенством тяготения и центробежной силы, то в соответствии с законом сохранения углового момента разреженный, но все же "столкновительный" диск будет дробиться на узкие концентрические полосы и именно это предотвратит кольцо от полного разрушения. Рассуждения Канта о динамике разреженного кольца вполне состоятельны, а вывод о дроблении кольца на концентрические зоны предвосхитил ошеломляющие открытия XIX и XX веков. Итак, классические результаты XVII века обросли пестрыми сообщениями о наблюдении различных полос на кольцах А и В.

XIX ВЕК: А все-таки оно дробится!

Любопытнейшие детали строения кольца Сатурна открылись английскому капитану Генри Кейтеру - оптику, геодезисту, метрологу. 17 декабря 1825 года наблюдая в ньютоновский телескоп (фокус 40 дюймов, апертура 6,25 дюйма), Кейтер предположил, что видит "внешнее кольцо разделенным многочисленными темными полосами, чрезвычайно близкими, причем одна сильнее остальных и делит кольцо примерно пополам". В этот же вечер явление было засвидетельствовано двумя другими людьми, которым Кейтер показывал кольцо Сатурна. 16 и 17 января 1826 года полосы представились Кейтеру менее отчетливыми.

Наконец, 22 января 1828 года, когда основное деление прослеживалось превосходно, "не ощущалось никаких следов делений внешнего кольца. Поэтому я убежден, что они не являются неизменными". О своих наблюдениях Кейтер сообщил в начале 1826 года Джону Гершелю, который вскоре исследовал кольцо Сатурна в 20-футовый телескоп и ничего особенного не обнаружил. Летом 1826 года Василий Яковлевич Струве, основываясь на своих наблюдениях, заявил: "Что касается деления кольца на многочисленные части, я не заметил никаких следов". Однако в 1838 году римский священник Франческо де Вико в 6-дюймовый ахроматический телескоп вновь отчетливо видел и показал своим ученикам и друзьям три темные полосы - одну почти посередине кольца А и две другие на кольце В. Видимость полос немного менялась в зависимости от атмосферных условий, а при прохождении Сатурна через меридиан иногда были видны сразу шесть колец. В том же году вышла обстоятельная статья немецкого астронома Иоганна-Франца Энке. Он писал, что 25 апреля 1837 года, когда литература о делениях кольца Сатурна была ему почти неизвестна, он испытывал новый ахроматический окуляр и увидел, что "ушки" внешнего кольца разделены штрихами на две равные части. Деление систематически исследовалось в мае-июле, был выполнен ряд микрометрических измерений его положения и толщины. Появление этой низкоконтрастной полосы, которую Энке и другие одновременно наблюдали либо посередине кольца А, либо чуть ближе к его наружному краю, обусловлено, как выяснилось в наши дни, наложением нескольких близких темных полос. Вместе с тем современные наблюдения подтвердили наличие крайне узкой высококонтрастной щели вблизи наружного-края кольца А, которую отчетливо видел в 36-дюймовый рефрактор Ликской обсерватории (США) и зарисовал Джеймс Килер 7 января" 1888 года. Но именно эту полосу сейчас называют делением Энке. В своей статье Энке привел также данные наблюдений Иоганна-Готфри де Галле. Тот видел, что 8 мая 1838 года" "внутренний край внутреннего кольца расплывался", а 25 мая "темное пространство между Сатурном и его кольцом было образовано, вплоть до середины, плавным протяжением внутреннего края кольца в темноту". Это робкое описание кольца С дано" через 100 лет после наблюдений Райта. Результаты Райта так и не стал достоянием широкой астрономической общественности; напротив, наблюдения Галле, опубликованные в "Записках Берлинской академии наук", получили известность "всего" 13 лет спустя, вскоре после того, как в конце 1850 года кольцо С было окончательно открыто в Америке и Европе. Осенью 1851 года независимо, на разных материках, вновь были зарегистрированы деления на кольце В. В 1859 году будущий создатель классической электродинамики Джеймс Максвелл доказал, что кольцо Сатурна не может быть единой системой, твердой или жидкой, и подтвердил - на более высоком математическом уровне - вывод Канта о дроблении кольца. Чтобы система колец могла существовать, она, утверждал Максвелл, "должна состоять из бесконечного числа независимых частиц, обращающихся вокруг планеты с различными скоростями. Эти частицы могут собираться в серии узких колец или же могут двигаться внутри своего ансамбля хаотически. В первом случае разрушение будет чрезвычайно медленным, во втором - более быстрым, но при этом может появиться тенденция к скучиванию в узкие кольца, что замедлит разрушительное действие". Таким образом, данные наблюдений структуры кольца Сатурна получили в XIX столетии недостававшие ранее атрибуты надежных результатов: независимость от места наблюдений и конкретных инструментов, повторяемость, возможность проверки. Но почему все-таки, начиная с середины XIX века, никто больше не наблюдал многочисленных делений на кольцах А и В? Возможно, это отчасти объясняется ухудшением астроклимата - астрономы первыми ощутили последствия мирового