Долгое время кольца Сатурна оставались одной из величайших загадок астрономии. Лишь в 19 веке благодаря трудам Роша и Максвелла человечество поняло, что они представляют собой миллиарды твёрдых частиц, движущихся по законам небесной механики. Но и это открытие породило новые вопросы. Почему частицы не разлетаются? Почему кольца такие тонкие и плоские? И почему они до сих пор существуют?
Что такое кольца Сатурна
Кольца Сатурна — самая грандиозная и загадочная структура Солнечной системы. Впервые их увидел Галилео Галилей в 1610 году, но принял за спутники планеты. Лишь в 1656 году Христиан Гюйгенс понял, что это тонкое плоское кольцо, окружающее Сатурн. А в 1675 году Джованни Кассини обнаружил, что кольцо не сплошное. Он увидел тёмную полосу между двумя частями, названную впоследствии в его честь.
Долгое время учёные спорили о природе колец. Французский астроном Эдуард Рош в 1848 году рассчитал, что на расстоянии менее 2,44 радиуса планеты любое жидкое или твёрдое тело, удерживаемое только гравитацией, будет разрушено приливными силами. Поскольку внешний радиус колец составляет 2,3 радиуса Сатурна, Рош пришёл к выводу, что кольца не могут быть сплошными или жидкими — они должны состоять из твёрдых частиц.
В 1859 году Джеймс Клерк Максвелл математически доказал, что сплошные кольца были бы нестабильны. Окончательно эти предположения были подтверждены в 1895 году, когда астрономы обнаружили, что внутренние части колец движутся быстрее внешних — в точном соответствии с законами Кеплера.
Из чего состоят кольца Сатурна
Кольца Сатурна состоят практически из чистого водяного льда — на 99,9%. Размер частиц варьируется от микроскопических пылинок до многометровых глыб. При этом большинство частиц имеют размеры от песчинки до нескольких десятков сантиметров. Помимо льда, спектральные исследования выявили присутствие аммиака, метана, серных соединений и ферросиликатов.
Как появились кольца Сатурна
Сегодня учёные склоняются к тому, что кольца образовались из разрушенного ледяного спутника. Согласно расчётам, около 100 миллионов лет назад у Сатурна существовал крупный спутник. Его орбита была нарушена гравитационным влиянием Нептуна. Спутник пересёк предел Роша, и приливные силы Сатурна разорвали его на части. Произошло это примерно 100–200 миллионов лет назад. Интересно, что около 99% материала упало на Сатурн и лишь оставшийся 1% сформировал кольца.
Почему кольца Сатурна не распадаются
Несмотря на внешнее гравитационное воздействие, кольца Сатурна миллионы лет сохраняют свою структуру. Этому способствует ряд факторов.
Роль гравитации Сатурна
Гравитационное поле Сатурна (как и сама планета) сплюснуто с полюсов из-за быстрого вращения. Это создаёт аксиально-симметричное поле, которое удерживает кольца в экваториальной плоскости планеты. Любая частица, пытающаяся покинуть плоскость, сталкивается с другими, которые и «сбивают» её обратно в общий диск.
«Спутники-пастухи» и их влияние
За удивительную структуру колец отвечают малые спутники, получившие образное название «спутники-пастухи». Они своим гравитационным влиянием ограничивают разлёт частиц и удерживают кольца в узких границах.
Например, узкое кольцо F, открытое «Пионером-11» в 1979 году, «пасут» два крошечных спутника: Прометей, движущийся по его внутренней стороне, и Пандора — с внешней. Внутренний спутник передаёт частицам угловой момент и отталкивает их наружу, а внешний, наоборот, забирает момент и толкает частицы внутрь. Похожим образом спутник Атлас «пасёт» внешний край кольца А. Некоторые спутники движутся прямо внутри колец и создают промежутки. Спутник Пан «выметает» щель Энке в кольце А, а Дафнис — щель Килера.
Щель Кассини и другие промежутки между кольцами
Самый известный промежуток — щель Кассини между кольцами A и B, шириной около 4800 километров. Однако эта щель не пуста — в ней есть тусклые колечки и узкие промежутки. Причина её возникновения — орбитальный резонанс со спутником Мимас. Гравитационное воздействие спутника меняет орбиты частиц в этой области, и они покидают её. Подобные же резонансы с разными спутниками создают многочисленные волны плотности и тонкую структуру внутри колец.
Почему кольца остаются такими тонкими
Толщина основных колец A, B и C составляет менее 100 метров, а в некоторых местах — всего 10–30 метров. Это при ширине в десятки тысяч километров! Как было сказано выше, любая частица, пытающаяся выйти из плоскости, сталкивается с другими, теряет вертикальную составляющую скорости и возвращается в общий диск. Кроме того, сплюснутая форма Сатурна создаёт гравитационное поле, которое притягивает кольца к экваториальной плоскости.
Вифлеемская звезда: история небесного знамения и тайна его происхождения
Единственный евангелист описал звезду, которая двигалась, замирала и указывала дом, — и это ломает любую астрономию
Три теории о существовании параллельных вселенных
Где-то за горизонтом видимости может существовать ваша точная копия — и это не фантастика, а следствие уравнений современной физики
Сколько колец у Сатурна и как они устроены
Система колец Сатурна имеет семь основных колец, обозначенных латинскими буквами в порядке их открытия — от A до G. В порядке удаления от планеты они расположены следующим образом: D, C, B, A, F, G и E. Самое массивное и яркое — кольцо B. Второе по яркости — A. Оно отделено от предыдущего щелью Кассини. Третье — C — полупрозрачное, поэтому сквозь него можно увидеть Сатурн. Остальные кольца не видны с Земли. Обнаружить их удалось только при помощи космических аппаратов.
Внутри колец существуют многочисленные щели и промежутки. Помимо вышеупомянутой щели Кассини, это щель Энке и щель Килера — внутри кольца A. Они возникли из-за гравитационного влияния спутников.
Что нового учёные узнали о кольцах Сатурна
Миссия «Кассини» (1997–2017) позволила учёным узнать много нового о кольцах. Оказалось, что они гораздо моложе самой планеты. Им всего 100–200 миллионов лет, тогда как Сатурну 4,5 миллиарда. Однако далеко не все загадки разгаданы. Учёные до сих пор не могут объяснить природу «спиц» в кольце B. Эти радиальные образования вращаются вместе с кольцом, хотя по законам Кеплера должны были бы разрушиться.
FAQ
С Земли в любительский телескоп можно увидеть только три главных кольца: A, B и C, а также щель Кассини между ними. Более тусклые кольца D, F, G и E были открыты только с помощью космических аппаратов. Также видимость колец меняется: из-за наклона оси Сатурна примерно раз в 13–16 лет они разворачиваются ребром к Земле и становятся почти невидимыми.
Да, кольца есть у всех четырёх газовых гигантов: Юпитера, Сатурна, Урана и Нептуна. Однако кольца Сатурна — самые яркие и массивные. Кольца других планет гораздо более тонкие и тусклые. Поэтому их сложно разглядеть с Земли. Например, кольца Урана были открыты только в 1977 году, а кольца Юпитера — в 1979‑м.
Кольца Сатурна изучали несколько космических аппаратов: «Пионер-11» (1979), «Вояджер‑1» (1980) и «Вояджер‑2» (1981). Но главный вклад внесла миссия «Кассини-Гюйгенс». На тот момент это был самый дорогой научный эксперимент в истории, стоимостью 3,3 миллиарда долларов. Он работал на орбите Сатурна с 2004 по 2017 год.
С некоторыми оговорками — да, но это опасно. Вышеупомянутый аппарат «Кассини» несколько раз пролетал в щель между кольцами и Сатурном, но не пересекал сами кольца. Основные кольца, видимые с Земли, слишком плотные, и пролёт сквозь них с высокой вероятностью окончится столкновением и гибелью аппарата. Теоретически вполне возможен пролёт через щель Кассини и, вероятно, через менее плотные области других колец.
Список источников:
- Бобров М. С. «Кольца Сатурна».
- Цветков В. И. «Солнечная система. Планеты, спутники, астероиды».
- Дуань Чжан Цюй И. «Планеты Солнечной системы : иллюстрированная энциклопедия».
- Стругацкий А., Стругацкий Б. «Стажёры» (сборник).
- Маров М. Я. «Планеты Солнечной системы».
- Бережной А. А. «Солнечная система : монография».
- Струве О., Линдс Б., Пилланс Э. «Элементарная астрономия».
- Сурдин В. Г. «Астрономия планетных систем».
Комментарии
ГостьВойти или Зарегистрироваться