Сколько лет кольцам Сатурна?

 https://universemagazine.com/wp-content/uploads/2018/10/zaglushka-e1538748301621.png
Володимир Манько

По мнению большинства астрономов, самой красивой планетой Солнечной системы следует считать Сатурн. И главным его «украшением» является массивная и яркая кольцевая система, которую несложно рассмотреть с Земли даже в небольшие телескопы. Первым сатурнианские кольца заметил еще в 1610 году Галилео Галилей (Galileo Galilei), но его инструменты давали изображение очень плохого качества, поэтому ученый решил, что наблюдал просто два больших спутника по обе стороны от планеты.

Предположение о «кольцеобразной» природе этого образования высказал нидерландский астроном Христиан Гюйгенс (Christiaan Huygens) после наблюдений, выполненных в 1655-56 годах. Через 20 лет итальянец Джованни Кассини (Giovanni Domenico Cassini) впервые разглядел в сатурнианских кольцах промежуток, позже названный «щелью Кассини». Впоследствии ученые убедились, что таких промежутков там много, а в 1787 году французский математик Пьер-Симон Лаплас (Pierre-Simon Laplace) доказал, что кольца как сплошное образование были бы нестабильными и быстро бы разрушились.

Последующие спектральные исследования позволили выяснить, что сатурнианская кольцевая система состоит преимущественно из ледяных глыб размером от десятков метров до километра, которые, сталкиваясь, образуют определенное количество мелкой ледяной пыли, а также частиц миллиметровых и сантиметровых размеров. Движутся эти глыбы и частицы в полном соответствии с законами Кеплера: чем ближе к Сатурну — тем больше их орбитальная скорость. Нетрудно понять, что толщина колец очень мала, особенно по сравнению с шириной, которая только в их наиболее яркой части достигает 43 тыс. км, то есть более трех диаметров Земли. Дважды в течение «сатурнианского года», длящегося 29,5 земных лет, они поворачиваются к нам ребром, и тогда их невозможно увидеть даже в самые мощные телескопы. Но объяснить, почему именно шестая планета получила такое необычное «украшение», ученые долго не могли.

Неосвещенная сторона Сатурна и его кольцевая система, отснятые в 2013 году космическим аппаратом Cassini (Солнце закрыто диском планеты). Изображение составлено из 141 отдельного кадра. Хорошо видно самое внешнее кольцо, обозначенное латинской буквой E — оно постоянно пополняется за счет снежинок, выбрасываемых гейзерами на сатурнианском спутнике Энцеладе. С Земли его увидеть крайне сложно. Источник: NASA/ESA

Тем временем 10 марта 1977 року в ходе закрытия Ураном далекой звезды астрономы заметили, что перед исчезновением за уранианским диском ее блеск пять раз слегка снизился. Та же картина наблюдалась и после появления звезды. Наилучшим объяснением результатов наблюдений было предположение о наличии у планеты системы из пяти узких и темных колец. Позже выяснилось, что на самом деле их целых 18, и наибольшее из них имеет радиус почти 100 тыс. км.

Самое плотное из колец Урана можно заметить на этом изображении, полученном с помощью радиотелескопа ALMA в пустыне Атакама (Чили) в декабре 2017 года. Источник: ALMA (ESO/NAOJ/NRAO); Edward Molter, Imke de Pater

В мае 1979 года во время пролета Юпитера космический аппарат Voyager 1 впервые сфотографировал малозаметные кольца самой большой планеты, а в августе 1989-го его «брат-близнец» Voyager 2 открыл тонкую кольцевую систему вокруг Нептуна. Стало ясно, что такие образования действительно характерны для планет-гигантов, как это и предвидел еще в 1960 году профессор Киевского университета Сергей Всехсвятский. Но тут возник другой вопрос: почему именно у Сатурна кольца оказались столь яркими и массивными?

Вещество в тонких кольцах Нептуна распределено неравномерно, что хорошо видно на этом изображении, полученном зондом Voyager 2. Эти «сгущения» связывают с гравитационным воздействием нептунианских спутников. Источник: NASA

В поисках ответа астрономы обратились к компьютерному моделированию и даже данным археологии. Результаты проведенных исследований свидетельствуют о том, что на ранних стадиях эволюции Солнечной системы кольца существовали у всех больших планет, включая Землю. Вначале они состояли из остатков протопланетного материала («сырья» для планетообразования), затем некоторое время пополнялись веществом, выброшенным с планет в космос в ходе мощных метеоритных ударов. Но под действием гравитации Солнца и так называемого приливного торможения эти «протокольца» постепенно разрушались: частично они выпадали на поверхность «родительских» тел, а частично рассеивались в космическом пространстве. Мощная сила притяжения газовых гигантов позволила им сохранить значительную часть вещества колец, к которому позже «добавились» частицы, образованные во время метеоритных бомбардировок их спутников — именно поэтому кольцевые системы лежат в плоскости планетных экваторов.

Но существует еще один способ «кольцеобразования», который, судя по всему, и имел место в случае Сатурна. Все спутники больших планет находятся под действием приливных сил со стороны центрального тела, благодаря чему подавляющее большинство из них постоянно обращено к нему одной стороной (как Луна к Земле). Но на достаточно близком расстоянии эти силы становятся настолько мощными, что способны просто разорвать спутник на части — особенно если он состоит из такого «ненадежного» материала, как лед. Подобную возможность просчитал еще в середине XIX века французский астроном Эдуард Рош (Édouard Roche), поэтому максимальную величину «опасного» радиуса орбиты сейчас называют пределом Роша. Тело, из обломков которого образовались сатурнианские кольца, оказалось не таким уж большим — его масса не превышала 3×10¹⁹ кг, то есть оно было более чем в 2,5 тысяч раз легче нашей Луны.

На ранних этапах своей эволюции Земля тоже имела кольцо из пыли и каменных обломков размером до десятков метров. Позже они частично рассеялись в космос, выпали на поверхность планеты и приняли участие в формировании Луны. Источник: dam.mn/westford

Когда же произошла «спутниковая катастрофа», следствием которой стало появление у Сатурна его знаменитых колец? На этот вопрос ответил космический аппарат Cassini, работавший на орбите вокруг шестой планеты с 2004 по 2017 год. Он не только измерил массу самой яркой части кольцевой системы (сейчас она составляет около 1,55×10¹⁹ кг — это соответствует примерно половине суммарной массы ледников Антарктиды), но и позволил оценить скорость ее рассеяния. Зная эту скорость, ученые пришли к выводу, что роковой распад спутника произошел чуть больше 100 млн лет назад. А еще через сотню-полторы миллионов лет сатурнианские кольца потускнеют настолько, что окажутся почти незаметными с Земли при наблюдениях в оптические телескопы, хотя в инфракрасном диапазоне они будут «сиять» намного дольше.

Распада еще каких-то лун планет-гигантов астрономы пока не ожидают, но ориентировочно через 30 млн лет подобные события развернутся в окрестностях Марса. Радиус орбиты его самого крупного и близкого спутника Фобоса ежегодно уменьшается на 2 см, а значит, в определенный момент он тоже пересечет критическую границу и будет разрушен приливными силами. После этого Красная планета на несколько миллионов лет получит собственное кольцо — правда, не такое большое и яркое, как нынешние кольца Сатурна, но из-за относительной близости к Земле и Солнцу увидеть его будет ненамного сложнее.

Только самые интересные новости и факты в нашем Telegram-канале!
Присоединяйтесь: https://t.me/ustmagazine