ЗАГАДКА КОЛЕЦ САТУРНА
Доктор физико-математических наук В. ЧЁРНЫЙ.
ВОПРОСЫ, ВОПРОСЫ…
Честь считаться первооткрывателями колец история астрономии делит между Галилео Галилеем и Христианом Гюйгенсом, хотя первый в 1610 году сумел уловить с помощью своего далекого от совершенства оптического прибора лишь некую аномалию в изображении планеты, которую счел спутником Сатурна, тогда как спустя 46 лет, в 1656 году, Гюйгенс впервые действительно четко разглядел кольцо. Еще через 19 лет, в 1675 году, Джованни Кассини установил, что кольцо не сплошное. Телескоп позволил ему увидеть две части - А и В, разделенные пустым пространством, названным в честь первооткрывателя "делением Кассини".
Столетия исследований наполняли досье далекой планеты новой информацией, не только не разъяснявшей природу колец и причину их образования, но и ставившей перед астрономами все больше и больше загадок.
Долгое время после открытия Кассини астрономы считали, что колец у Сатурна всего два, они тонкие и твердые. В 1787 году Лаплас на основе расчетов предположил, что колец должно быть много - тысячи или даже миллионы, иначе гравитационное поле их разрушит. Впрочем, он тоже полагал, что кольца сплошные, похожие на гигантские гимнастические обручи. В 1848 году французский астроном Э. Рош рассчитал минимальное расстояние, на котором спутники могут существовать, не разрушаясь под воздействием гравитационного поля планеты. Это расстояние - названное по имени исследователя "пределом Роша" - составляет 2,44 радиуса планеты. Никакие спутники и луны, твердые или жидкие, не могут циркулировать над поверхностью небесного тела ближе этого расстояния. Но внешний радиус колец Сатурна равен 2,3 R, то есть находится внутри критического предела. Отсюда Рош сделал вывод, что кольца не могут быть: а) сплошными и б) жидкими. Остается единственно возможный вариант: они должны состоять из достаточно мелких твердых частиц. А в 1859 году гениальный английский физик, основатель электромагнетизма Джеймс Клерк Максвелл поставил некую предварительную точку, математически доказав, что спортивным снарядам в космосе не место и кольца Сатурна действительно представляют собой скопления твердых частичек.
Д. Килер и У. Кемпбелл, измеряя в 1895 году доплеровские сдвиги, нашли, что частички, из которых состоят кольца, движутся по кеплеровским орбитам и что скорость их движения по внутренним орбитам выше, чем по внешним, что совпадает с выводами и Кеплера и Максвелла. То есть в поведении частиц нет отклонений от привычного понимания физической природы орбитального движения.
В 1952 году исследование спектральных характеристик колец позволило сделать вывод, что они содержат большое количество замерзшей воды. Это был очень важный момент, поскольку наконец-то была определена природа материальной составляющей. Несколько позже установили, что кроме льда кольца содержат водород, аммиак, метан, серные соединения и ферросиликаты. Огромную информацию о кольцах собрали американские космические зонды "Пионер" (1979 г.), "Вояджер-1" (1980 г.) и "Вояджер-2" (1981 г.), пролетевшие мимо планеты. А в 1997 году стартовал самый дорогой научный эксперимент в истории человечества - миссия "Кассини-Гюйгенс", которая готовилась в течение 10 лет и стоила 3,3 млрд долларов; результаты ее будут анализироваться, исследоваться и осмысляться достаточно долгое время. Одна из задач миссии - установить природу колец Сатурна, до сих пор являющуюся загадкой (об экспедиции "Кассини - Гюйгенс" см. "Наука и жизнь № 3,2005г.).
Тем не менее следует признать, что, кроме огромной базы данных о свойствах колец, на сегодняшний день не существует полноценной физической модели этого объекта. С точки зрения классических теорий, учитывающих гравитационные и центробежные силы, поведение солнечного ветра и плазменные эффекты, невозможно ответить на множество вопросов: как кольца образовались, как они были сжаты в диск и как этот диск был разбит на сотни отдельных колец; почему частички колец, не перемешиваются, почему микроволны круговой поляризации отражаются от колец, как от магнитного зеркала; почему магнитное поле выталкивается из кольца А; почему образуются "спицы" в кольце В; почему кольца существуют у планет после пояса астероидов и почему их нет у планет земной группы; чем объяснить сильное отражение радиоволн и низкую яркость колец Сатурна, дискретное неполяризованное электромагнитное излучение в диапазоне от 20,4 килогерца до 40,2 мегагерца, существование около колец атмосферы неизвестного происхождения, наличие в кольцах так называемых "волн плотности", и на многие другие.
Различные попытки объяснить загадочные явления на протяжении 400 лет предпринимались постоянно. Например, высокую отражательную способность кольца в микроволновом диапазоне, обнаруженную межпланетной станцией "Пионер" и подтвержденную исследованиями "Вояджеров", объясняли наличием большого количества металлических включений в веществе колец. Поскольку отражение носит диффузный характер, то измерения проводились на круговой поляризации. Оказалось, что волна отражается не как от металла, а как от магнитного зеркала - поверхности, обладающей абсолютной отражающей способностью. И, следовательно, предложенное объяснение несостоятельно. Предлагались и достаточно сложные математические теории, рассматривающие кольца во взаимодействии с солнечным ветром и как образования из пылевой плазмы. Но пылевая плазма не является устойчивым стабильным образованием.
Но самым важным недостатком, на наш взгляд, является то, что существующие теории колец очень разнородны и для объяснения различных эффектов, наблюдаемых в кольцах, требуют привлечения различных физических подходов, не объединенных единой физической природой их возникновения. Кроме того, подобные теории никак не разъясняют множество других вопросов.
Попытаемся по мере возможности все же ответить на них.
СВЕРХПРОВОДЯЩИЙ ЛЕД
В 1986 году в журнале РАН "Физика твердого тела" была опубликована статья российского коллектива авторов из Уральского госуниверситета под руководством Н.А. Бабушкиной о сверхпроводимости льда. Ученые экспериментально показали, что лед может обладать сверхпроводимостью. К сожалению, это фундаментальное открытие, которое безусловно следует отнести к выдающимся, осталось не очень замеченным в научной среде. Нужно сказать, что лед - достаточно сложное физическое образование (как, впрочем, и вода). В лабораторных условиях мы можем получить как минимум 11 различных модификаций льда в диапазоне от аморфного до кристаллического, каждая из которых обладает собственными свойствами.
Одна из его модификаций - лед космический. Считается, что вырастить такой лед можно, если охладить воду до минус 100 градусов Цельсия и держать при такой температуре года три, а возможно, и больше. Теория предполагает, что космический лед - это микроскопические частички льда, способные образовать снег в сотни раз более пушистый, чем выращенный в земных условиях, потому что в условиях сверхнизких температур частички по-особому взаимодействуют друг с другом, не слипаясь. Кстати, диаметр снежного кома, слепленного из колец Сатурна, составил бы 600 км. И если предположить, что ледяные частички колец обладают сверхпроводящими свойствами, многочисленные экспериментальные данные о природе колец Сатурна начинают складываться в единую, непротиворечивую картину.
Прежде всего нужно упомянуть, что Сатурн не единственная планета Солнечной системы, обладающая кольцами. Они обнаружены также у Юпитера, Урана и Нептуна. Гораздо менее заметные, эти кольца, скорее всего, имеют ту же природу.
Большинство специалистов склоняются к мнению, что частицы колец - реликты ранних дней Солнечной системы, не подвергшиеся нагреву и слипанию, когда планеты только-только формировались из протопланетных облаков. С появлением у протопланеты магнитного поля сверхпроводя щая частица начинает проявлять идеальный диамагнетизм (эффект Мейсснера-Оксенфельда, обнаруженный в 1933 году). Под действием силы магнитной левитации частица увлекается магнитным полем в дополнительное азимутально-орбитальное движение вокруг планеты и в результате, как показывают математические расчеты, начинает дрейфовать в плоскость экватора, оказываясь на такой орбите, где складывается баланс трех радиальных сил: гравитационной, центробеж ной и силы левитации (порожденной выталкиванием сверхпроводника из магнитного поля). Действие силы левитации было продемонстрировано в 1933 году, а с 1986 года, после открытия высокотемпературной сверхпроводимости для сверхпроводящей керамики, стало возможным показывать его широкой аудитории. Нужно сказать, что опыты по магнитной левитации куска керамического высокотемпературного сверхпроводника, когда он, охлажденный до азотных температур, парит в магнитном поле Земли, выглядят настолько эффектно, что даже у подготовленных зрителей неизменно вызывают восторг.
В случае с кольцами под воздействием силы левитации частицы образуют в зоне Роша чрезвычайно сплющенный диск, что мы и наблюдаем на примере Сатурна.
Если частицы протопланетного облака действительно обладают сверхпроводящими свойствами, то становится понятным, почему кольцами не обладают внутренние планеты - от Меркурия до Марса. Естественно, что кольца могут существовать у планет, обладающих магнитным полем. Но их разрушает тепловой нагрев Солнца. Можно предположить, что пояс астероидов, где температура вещества менее 100 К, является той границей, за которой возникает естественная сверхпроводимость в космосе. На более близких к Солнцу расстояниях температура выше критической и сверхпроводники не образуются.
ЦВЕТ И ЯРКОСТЬ. ТОНКАЯ СТРУКТУРА КОЛЕЦ
Известный школьный опыт, когда равномерно рассыпанные на плоскости металлические опилки мгновенно распределяются под действием приложенного магнитного поля, образуя участки концентрации и разрежения, служит своего рода иллюстрацией к пониманию тонкой структуры сатурнианских колец. Сверхпроводящие порошки обладают таким же свойством, они собираются в областях с низкой плотностью магнитного поля, поскольку внутреннее магнитное поле выталкивается из сверхпроводника. Именно поэтому сверхпроводящий лед - идеальный диамагнетик - формируется в отдельные кольца, чередующиеся с зонами разрежения. При этом частицы удерживаются в кольцах магнитным давлением, которое загоняет их в области с меньшим магнитным полем. Поэтому в данном случае можно говорить об "отрицательном" давлении. Так что Лаплас, предполагавший, что колец у Сатурна бесконечно много, был, в сущности, не слишком далек от истины.
Но почему кольца различаются цветом? Объяснить это явление можно так. Как мы уже установили, положение сверхпроводящей частицы в гравитационном и магнитном полях планеты определяется балансом трех сил: гравитационной, центробежной и силы левитации.
Рассмотрим три частицы - a, b, c - с разным химическим составом. Пусть частица а - чистый лед, b - имеет примесь клатрат-гидратов - аммиака или метана, с - имеет примесь серо- или железосодержащих силикатов. Для каждой частицы будет своя сила левитации, поэтому для каждой из трех частиц баланс сил будет соблюдаться на орбитах с разными радиусами. Так, по-видимому, и образуются кольца или группы колец из частиц, отличающихся друг от друга химическим составом, а значит, и цветовыми характеристиками.
Не менее загадочным для исследователей представляется эффект переменной азимутальной яркости колец. Проще говоря, яркость кольца "с ребра" для наблюдателя, находящегося в космосе строго над экватором Сатурна, будет изменяться по мере того, как направление его взгляда станет смещаться от центра планеты к границе диска. Для объяснения этого феномена выдвигались гипотезы, предполагающие, что частицы вещества колец в виде вытянутых эллипсоидов, направленных под небольшим углом к орбите, имеют либо несимметричную форму, либо несимметричное альбедо (отражающую способность) поверхности. Причем положение их друг относительно друга и планеты должно оставаться неизменным, что в рамках традиционных представлений выглядит весьма проблематичным. Однако если частицы - сверхпроводящие диамагнетики, картина становится много проще и понятней.
Если в магнитное поле поместить стерженек сверхпроводника, в нем возникает дополнительный магнитный момент, направленный противоположно полю. Хорошо известно, что при температурах ниже -22оС растущие снежинки приобретают форму призм. Сверхпроводящая частица такой формы ориентируется в магнитном поле перпендикулярно его координатным составляющим. Соответственно яркость ее, в зависимости от угла зрения наблюдателя, будет меняться.
"ГОЛОС" КОЛЕЦ, А ТАКЖЕ ИХ "СПИЦЫ"
Во время пролета возле Сатурна вначале "Вояджера-1", а потом и "Вояджера-2" американские ученые зафиксировали чрезвычайно интересное явление. Кольца словно заговорили с земными пришельцами, испуская примерно каждые 10 часов короткие широкополосные радиоимпульсы в диапазоне от 20,4 кГц до 40,2 МГц. Они были названы Сатурнианскими Электростатическими Разрядами (СЭР). Однако, попав в прессу, сообщения об этом феномене спровоцировали настоящую сенсацию: уфологи немедленно заподозрили существование в кольцах Сатурна разумной жизни или по крайней мере орбитальной станции пришельцев, пытающейся установить с нами контакт. Увы, встречи с неземным разумом до сих пор так и не произошло, а гипотеза сверхпроводимости вещества колец, к сожалению, делает вероятность контакта (по крайней мере, в области Сатурна) равной нулю.
Само по себе постоянное фоновое излучение электромагнитных волн кольцами достаточно легко объяснить взаимодействием заряженных частиц, трением и разрушением кусочков льда при соударениях.
При сближении частиц-сверхпроводников на достаточно малое расстояние или при их точечном контакте образуется слабая связь, через которую могут перетекать сверхпроводящие электроны. Это явление называется нестационарным эффектом Джозефсона. И тогда при возникновении разности фаз между сверхпроводниками генерируется электромагнитное излучение с частотой, пропорциональной падению напряжения при переходе. Магнитное поле Сатурна имеет аномалии. Логично предположить, что именно эти аномалии и являются "спусковым крючком" зафиксированных сатурнианских радиосигналов.
Те же аномалии определяют существование и срок жизни "спиц" в кольце В. "Спицы" были обнаружены относительно недавно и тут же словно бы превратились в очередной вопросительный знак. Эти образования длиной 10 000 км и шириной 1000 км, в самом деле напоминающие спицы колеса и состоящие из микронных и субмикронных частиц, вращаются почти синхронно с магнитосферой Сатурна, что лишний раз подтверждает связь их природы не только с гравитационными, но и с электромагнитными силами. Тем более что согласно законам Кеплера любое подобное радиальное образование в пределах гравитационного поля Сатурна должно искривляться, размываться и исчезать за двадцать-тридцать минут. Между тем жизнь отдельных "спиц" достигает почти трех часов. Трудно дать детальный анализ причин образования "спиц", однако гипотеза сверхпроводимости может подсказать ответ и в этом случае. Скорее всего, дело выглядит так.
Сверхпроводящие льдинки вращаются по орбите в полном соответствии с кеплеровскими законами. А магнитное поле планеты имеет аномалии. Попадая в зоны этих аномалий, частицы вещества меняют свои оптические свойства, что и фиксирует наблюдатель.
Список явлений, свойственных только кольцам Сатурна и зарегистрированных в процессе изучения планеты, конечно же не ограничивается перечисленными в статье. Продолжая его, можно назвать и открытие слабой атмосферы около колец, и существование волн плотности и изгибных волн, аномальное отражение микроволн с круговой поляризацией и другие. И хотя автор не претендует на истину в последней инстанции, все эти явления находят научные, без примеси мистики, объяснения с точки зрения гипотезы об изначальной сверхпроводимости вещества колец.
Впрочем, чуть-чуть мистики (исключительно ради развлечения), связанной с Сатурном, все же не помешает. Некоторые люди, называющие себя астрологами, утверждают, что зодиакальному знаку Весы соответствуют Венера и Сатурн. Первоначально запуск ракеты с аппаратами "Кассини-Гюйгенс" планировался на конец сентября, по техническим причинам его отложили на 5 октября, затем на 7-е и 11-е, но произошел он только 15 октября - под знаком Весов. Добавлю также, что мой день рождения - 16 октября, день рождения моего аспиранта Андрея Поспелова, с которым мы проводили это исследование, - 14 октября. А первый официальный доклад на заседании Американского астрономического общества о возможной сверхпроводимости колец состоялся 13 октября. Сплошные Весы.
Но это конечно же шутка и к проблеме колец Сатурна непосредственного отношения не имеет…
Иллюстрация "Рис. 1. Динамика формирования планетных колец в гравитационном и магнитном полях планеты".
Рис. 1. Динамика формирования планетных колец в гравитационном и магнитном полях планеты: I - стадия образования протопланетного облака; II - стадия возникновения планетного магнитного поля и увлечения частиц в круговое движение; III - стадия формирования планетных колец. (FG - гравитационная сила; FW - центробежная сила; FL - сила левитации - сила диамагнитного выталкивания.)
Иллюстрация "Рис. 2. Зависимость температуры протопланетного диска Т,К от расстояния от Солнца R."
Рис. 2. Зависимость температуры протопланетного диска Т,К от расстояния от Солнца R. Кривая представляет температуру газопылевого диска в центральной плоскости. Заштрихованные прямоугольники обозначают температуры, вычисленные по наблюдаемому расположению планет. На вставке: зависимость сопротивления от температуры для сверхпроводника.
Читайте в любое время
