Книга Солнечная система - Владимир Сурдин

Тейфель В.Г. Планеты-гиганты. М.: Наука, 1964.

Спутники Юпитера. Под ред. Д. Моррисона. М.: Мир, 1986.

Глава XIII
ПЫЛЕВЫЕ ОКОЛОПЛАНЕТНЫЕ КОМПЛЕКСЫ

Единственным известным пылевым комплексом в Солнечной системе долго оставалось кольцо Сатурна. Позднее к нему был добавлен пояс малых планет, зодиакальный свет, кольца всех планет-гигантов, гипотетический рой частиц вокруг орбит спутников Марса. Лавина наблюдательных данных, полученных земными обсерваториями и космическими аппаратами, позволяет, по крайней мере частично, понять строение, происхождение и жизнь комплексов, о чем и идет речь в статье.

Введение

Во времена И. Ньютона Солнечная система представлялась совершенной пустотой, в безбрежных просторах которой плавали планеты с их немногочисленными спутниками. Уникальным и странным образованием на краю системы маячил Сатурн с его кольцом непонятной природы. Позднее математики (среди них такие корифеи, как П. Лаплас, Дж. Максвелл, С.В. Ковалевская, П.Г. Боль) доказали, что сплошным твердым телом кольцо быть не может. Если даже оно сделано из идеального сверхпрочного материала, выдерживающего приливные и центробежные нагрузки, из-за неустойчивости своего движения оно должно за короткое время врезаться в центральную планету. В действительности же оно должно рассыпаться на множество осколков. Теперь известно, что кольцо Сатурна представляет собой практически плоский рой частиц — от пылинок до декаметровых глыб. Первое экспериментальное подтверждение этого факта принадлежит пулковскому астроному А.А. Белопольскому, определившему по доплеровскому смещению спектральных линий лучевые скорости частиц. Оказалось, что угловая скорость тем выше, чем ближе частица к планете в согласии со вторым законом Кеплера.

В системе Сатурна благодаря его большой сплюснутости выделенное положение занимает экваториальная плоскость. Теоретики быстро выяснили, что плотный рой частиц вблизи сжатой планеты просто обязан быть плоским экваториальным. Частые неупругие столкновения гасят поперечные и радиальные колебания и выравнивают трансверсальные скорости в соответствии с законом площадей, так что частицы, первоначально заполнявшие торообразную область, быстро переходят на круговые орбиты в экваториальной плоскости.

Возвращаясь в прошлое, отметим, что кольцо Сатурна стало первым известным в Солнечной системе пылевым комплексом — так будем называть собрание твердых частиц размерами от микрометра до километра. Позднее выяснилось, что в известном смысле вся Солнечная система представляет собой подобный комплекс. В поясе малых планет из-за постоянных столкновений образуется множество все более мелких частиц. К такому же результату приводит дезинтеграция комет. Указанные частицы мы регистрируем как метеоры и метеориты. Мелкая фракция проявляет себя как зодиакальный свет, перемещаясь к Солнцу благодаря эффекту Пойнтинга-Робертсона. Последний означает торможение солнечным излучением: даже падающие перпендикулярно траектории солнечные фотоны имеют относительно движущейся частицы компоненту скорости, направленную против движения, т.е. тормозящую, подобно тому как вертикально идущий в безветренную погоду дождь бьет бегущему всегда в лицо. Гелиоцентрические пылевые пояса обладают интереснейшими свойствами, но нельзя объять необъятное, и дальше мы будем говорить лишь о планетоцентрических комплексах, упомянув об околосолнечном лишь ради общей картины.

Вплоть до недавнего времени кольцо Сатурна считалось уникальным, не имеющим аналогов и потому с величайшим трудом поддающимся исследованию. Даже два основных вопроса оставались без ответа. Во-первых, откуда кольцо взялось? Во-вторых, почему оно не исчезло? Обсуждалась гипотеза образования кольца разрушением спутника приливными силами. Но обоснованность гипотезы едва превышала уровень знаменитого «а почему бы и нет!» С ответом на второй вопрос было еще хуже. Кольцо из камушков и песчинок несравненно устойчивее сплошного. Но и оно за миллиарды лет существования Солнечной системы должно было по существовавшим в небесной механике представлениям разрушиться. Время от времени столкновения частиц друг с другом все же происходят. Орбитальная энергия в результате этих процессов перераспределяется и в среднем уменьшается. Небольшая часть метеороидов кольца покидает систему Сатурна, большая выпадает на его поверхность. За космогоническое время кольцо должно если не исчезнуть, то истончиться и перестать быть видимым с Земли даже в крупные телескопы. Логика подсказывает три возможных решения парадокса видимости мощного кольца.

1. Существуют процессы, синхронизирующие движения частиц (исключающие столкновения или поддерживающие около-круговые траектории несмотря на столкновения). Кольцо в целом устойчиво. Сегодня его вид несильно отличается от того, который возник к концу эпохи формирования системы Сатурна.

2. Нам просто повезло: кольцо образовалось сравнительно недавно, при саблезубых тиграх. Когда его заметят с галактики Сомбреро, наши потомки застанут лишь жалкие остатки украшения Сатурна.

3. Существует источник пополнения частиц, как в случае водопада. Мы видим стационарную картину потому, что упавшие частицы воды все время замещаются новыми. Разница лишь в скорости замещения — миллионы лет и секунды соответственно.

Кольцо Сатурна теряет уникальность

Разрешить проблему для уникального объекта необычайно трудно. Помощь пришла неожиданно. В 1977 г. произошло покрытие Ураном слабой звезды SAO 158687. Регистрация события дает важную информацию об орбите Урана и свойствах его атмосферы, и потому наблюдения велись на нескольких обсерваториях. Измерялась яркость звезды. Ожидался такой вид фотометрической кривой: горизонтальная прямая, дифракционные колебания, нулевой уровень и симметричное повторение явления. Вместо этого до покрытия блеск звезды снижался несколько раз, и симметричная картина повторилась после покрытия. Был сделан вывод, впоследствии полностью подтвердившийся, что Уран обладает системой колец, как и Сатурн. Только кольца Урана несравненно менее мощные, к тому же они состоят из очень черных частиц в отличие от покрытых белым инеем метеороидов вокруг Сатурна. В 1979 г. тонкие кольца были открыты у Юпитера зондом «Вояджер-1». Вскоре они были вновь сфотографированы «Вояджером-2». Эти два космических разведчика принесли феноменальную информацию о планетах-гигантах. «Вояжер-2» в 1989 г. открыл кольца Нептуна.

Уместно заметить, что еще в 1960 г. С.К. Всехсвятский предсказал существование колец Юпитера: некоторые полосы в экваториальной зоне планеты киевский астроном интерпретировал как тень от тонкого кольца, расположенного в экваториальной плоскости. Поскольку наклон последней к орбитальной плоскости всего 3° в отличие от 26° для Сатурна, то тень чрезвычайно узка. Так как столь узкая полоска на грани или даже за гранью ошибок наблюдений, то выводы Всехсвятского не были признаны астрономическим сообществом.

Кольца далеких планет обладают общими чертами: чрезвычайно плоские, разделенные несколькими промежутками. Есть, разумеется, и большие различия: лишь у Сатурна система столь мощна, что колечки для земного наблюдателя сливаются в сплошные кольца шириной, сравнимой с диаметром центральной планеты. С борта космического зонда видна их тонкая структура, напоминающая граммофонную пластинку. Есть и множество других удивительных деталей. Перечислим самые интересные свойства колец Сатурна.