Солнечная система - Владимир Сурдин

Деление Кассини, которое считалось местом, свободным от материала колец, на самом деле заполнено веществом с другой степенью измельченности и меньшей концентрацией частиц. Это установлено путем наблюдения колец с теневой стороны. Благодаря заметному поглощению света, плотные кольца В и А в контражуре выглядят темными. Если бы промежутки между ними были пустыми, то и они были бы темными. При ширине деления 4500 км. в нем видно не менее пяти широких колец, расположенных вплотную друг к другу.

После первых пролетов научных зондов вблизи Сатурна радикально изменились не только представления о делении Кассини. В момент сближения с планетой фотометр «Вояджера-2» с очень высоким разрешением (до 150 м. на кольцах) был направлен на яркую звезду δ Sco, и его поле зрения, благодаря движению аппарата, пересекло кольца. В результате, получился фотометрический разрез части кольца А вблизи деления Энке. На нем легко отождествить сравнительно крупные части кольца; но при высоком разрешении уже становится трудно указать, где проходит граница отдельных узких «колечек». Вполне вероятно, что многие минимумы кривой определяются отдельными глыбами и обломками. Их типичный размер составил 10 м. в кольце А, 8 м. в делении Кассини и 2 м. в кольце С. Разумеется, в каждом из них есть фрагменты и других размеров — от пыли до крупных блоков. Природа материала колец та же, что и у спутников Сатурна, — слегка загрязненный водяной лед и снег.

Очень резкими оказались внешние края колец А и В. Там резонансы проявляются весьма остро. Удалось оценить толщину края кольца А: она не превышает 150 м. Даже если предположить, что в какой-то части толщина колец достигает 0,5 км., их пропорциональной моделью будет диск толщиной в 0,5 мм. и диаметром 270 м. (круг из плотной бумаги диаметром в четверть километра!).

Интереснейшей теоретической проблемой является стабильность колец. Взаимные столкновения частиц должны переводить их с орбиты на орбиту, создавая эффект вязкости. Благодаря этому внутренние части кольца должны приближаться к планете, а наружные — удаляться. В результате жизнь колец, в космогонических масштабах, должна быть очень короткой.

В последнее время появились работы, связывающие в единый процесс катастрофические столкновения комет или астероидов со спутниками планет-гигантов, последующее образование колец и их постепенное разрушение. При этом время существования колец действительно может быть очень коротким (на что, возможно, указывают кольца Урана). Эта идея получила наглядную поддержку благодаря происшедшему в 1994 г. столкновению кометы Шумейкеров-Леви-9 с Юпитером. Но сторонники классической концепции (противники идеи недавнего возникновения колец) возражают, и приводят свои аргументы, в том числе присутствие колец у других планет — Юпитера, Урана, Нептуна. Они считают, что правильнее исходить из того, что кольца планет существуют уже очень давно. Стало быть, какой-то механизм не дает им разрушаться. Однако сомнения в этом все крепнут. Все кольца (кроме колец Сатурна) выглядят слабыми следами когда-то существовавших настоящих колец. И если предположить, что из менее крупных обломков могли когда-то возникнуть и сами кольца Сатурна, то возникает вопрос, будут ли любоваться кольцами Сатурна наши далекие потомки?

Кольцо F, споки и новые идеи

Очертания колец постоянно меняются. Особенно наглядно это показало кольцо F, открытое еще «Пионер-Сатурном» (1979 г.). Эта тонкая светлая полоска шириной от 50 до нескольких сотен километров находится на расстоянии 4000 км. от края кольца А (или в 140180 км. от центра планеты). В первых сообщениях указывалось, что по неизвестным причинам линия кольца выглядит прерывистой. Когда были получены снимки «Вояджера-1», выяснилось, что кольцо свито из двух тонких «шнуров» с шагом около 7000 км. Среди различных объяснений природы кольца F была гипотеза о том, что структура его определяется гравитационным воздействием небольших спутников, орбиты которых проходят вдоль кольца.

Рис. Спутник Прометей создает сложный узор в кольце F.

Но когда «Вояджер-2» передал свои снимки, кольцо F было ровным, лишь один раз знакомые скрученные шнуры снова появились на экране. Когда и как изменился вид кольца F, остается неизвестным. Считается существенным, что кольцо действительно находится между двумя спутниками, которые получили неофициальное название «овчарки» или «сторожевые собаки». Это спутники Прометей и Пандора, которые движутся, обгоняя друг друга каждые 25 дней. Предполагалось, что скручивание кольца происходит у точки соединения обоих спутников. Но это не подтвердилось; по-видимому, их взаимодействие с кольцом F сложнее. Анализ его структуры методом фотометрического разреза указал на присутствие примерно десяти слабых компонентов там, где телевизионная камера показывала три компонента.

Еще одно интересное образование — тонкое эксцентрическое кольцо в делении Энке. С одной стороны планеты кольцо почти касается внутренней границы деления, с другой — проходит по его середине. Многие «колечки» имеют такой же несимметричный вид.

Гипотезы о структуре колец

Еще несколько лет назад казалось, что теория резонансов объясняет структуру колец полностью. Затем, когда кольца увидели вблизи, предполагалось, что если будет точно известно положение всех отдельных колец и делений (щелей), задача будет решена в терминах резонансов. Но эта работа оказалась бесполезной и была прекращена. Резонансов не хватает на бесчисленные «колечки» и щели, которых, вероятно, десятки тысяч.

По-видимому, изменение формы некоторых из колец происходит постоянно. Предложено несколько новых гипотез о механизмах работы колец. Согласно одной из них, в кольца как бы вмонтированы небольшие спутники, размерами около 30 км. Они создают возмущения и образуют щели, которые по ширине могут намного превосходить сами спутники. Однако самый тщательный анализ показал, что в 90% колечек таких спутников нет, а там, где есть, они слишком малы, чтобы вызвать ожидаемые явления.

Согласно другой гипотезе, в кольцах распространяются волны плотности, которые и определяют многообразие их динамики. Есть интересное наблюдение, которое, возможно, имеет отношение к возникновению волн плотности. Если совместить изображения двух противолежащих сторон колец, разделенные углом 180°, возникает странное несоответствие: при совпадении внутренней границы кольца В и внешней кольца А внутренняя граница деления Кассини на двух изображениях расходится на 50 км. Это объясняется гравитационным резонансом с Мимасом. Внешний край кольца В прецессирует с периодом 22,6ч. (период обращения Мимаса), за счет чего в кольцо накачивается энергия, вызывающая возмущение. Большая ось эллипса, образованного кольцом В, направлена под углом 90° к Мимасу. Это было интересной находкой, так как противоположно хорошо известным приливным явлениям в системе Земля-Луна.

Споки

О радиальных деталях колец — споках — заговорили после снимков «Вояджера-1». Однако изучение исторического материала показало, что упоминания о них встречались еще в прошлом веке, когда наиболее зоркие астрономы изображали характерные зубцы на своих зарисовках. Типичные споки показаны на рис., где они видны как темные образования на фоне средней части кольца В. Споки могут быть светлыми или темными, это зависит от направления освещения: они выглядят темными, если смотреть на них от источника света (т.е. плохо отражают) и светлыми — при наблюдении в сторону источника (т.е. хорошо рассеивают свет вперед), что говорит об очень малых размерах частиц. Споки наблюдались даже на теневой стороне колец, по-видимому, в свете, рассеянном Сатурном. Они не подчиняются кеплеровскому распределению скоростей в кольцах и отстают от их вращения, двигаясь с угловой скоростью магнитосферы. Природа споков остается совершенно неясной. Установлено, что они развиваются быстро, за время от 15 до 60 мин; и при этом успевают распространиться на расстояние до 12000 км. в радиальном направлении, что требует скорости от 3,5 до 15 км/с. Высказано предположение, что это тонкая ледяная взвесь или пыль, которую сила электростатического взаимодействия удерживает над плоскостью колец.