Физики МГУ создали теоретическую модель, объясняющую строение колец Сатурна.

Самая известная планета, у которой есть кольца, это, конечно же, Сатурн. Его систему плоских колец впервые наблюдал Христиан Гюйгенс более 300 лет назад. Уже в конце XX века к Сатурну заглянули космические аппараты «Вояджер-1» и «Вояджер-2», отправившиеся потом к границам Солнечной системы, а в 2004 на орбиту планеты прилетел зонд миссии «Кассини».

Сатурн – шестая планета от Солнца и вторая по размеру после Юпитера. Имеет самую примечательную систему колец и 62 спутника, самый большой из которых – Титан. Фото: NASA/JPL/Space Science Institute

Кольца Сатурна образованы преимущественно частичками льда с небольшим содержанием пыли и простираются на несколько сотен тысяч километров от планеты, при этом толщина колец не превышает 1 километра. Фото: NASA/JPL-Caltech/Space Science Institute

Кольца Сатурна в их естественном свете, снятые орбитальной станцией Кассини. Фото: NASA/JPL/Space Science Institute

Распределение числа частиц, образующих кольца Сатурна, в зависимости от их Радиуса подчиняется закону «обратных кубов». Физики из МГУ показали, что этот закон следует из математической модели эволюции потока частиц и универсален для всех подобных систем.

Впоследствии оказалось, что кольца есть не только у Сатурна, но и других планет: Юпитера, Урана и Нептуна. Даже у астероидов – в прошлом году телескоп Spitzer обнаружил сразу два кольца у астероида Харикло (10199 Chariklo) размером всего 260 км. Долгое время не было однозначных ответов на два главных вопроса: как небесные тела обзаводятся кольцами и почему эти кольца именно такие, какими мы их наблюдаем. На  первый вопрос окончательный ответ пока не получен, а вот на второй, по-видимому, удалось ответить сотрудникам Физического факультета МГУ. 

 Кольца Сатурна состоят из кусочков льда с незначительным содержанием других веществ, например, космической пыли. Как и когда они сформировались – до сих пор открытый вопрос. Существует по крайней мере три теории происхождения колец.

Согласно одной из гипотез, у Сатурна было несколько крупных спутников, которые потом были разрушены гравитационными приливными волнами планеты. По другой теории они возникли в результате столкновения планеты с другим крупным небесным телом, в результате чего на орбиту была выброшена масса осколков. И последняя, самая мирная теория, согласно которой кольца образовались из вещества протопланетного диска еще на ранних этапах формирования солнечной системы. Но хоть эти гипотезы и могут сказать, откуда появились кольца у планет, они не в состоянии объяснить их структуру.  

Кольца состоят из огромного количества частиц самых разных размеров: от долей миллиметра до нескольких метров. Но, несмотря на такое разнообразие, число частиц каждого размера подчиняется строгому математическому соотношению – закону «обратных кубов». Концентрация частиц зависит от их размера в -3 степени. Это значит, что частиц с диаметром, к примеру, 2 метра в 8 раз меньше, чем частиц с диаметром 1 метр. Откуда кусочки льда из колец Сатурна знают про возведение в отрицательную степень, было непонятно.

Международная группа, в которую входят четверо россиян: научные сотрудники кафедры физики полимеров и кристаллов физического факультета МГУ имени М. В. Ломоносова Анна Бодрова и Владимир Стадничук, а также выпускники МГУ имени М.В. Ломоносова Николай Бриллиантов (профессор Лестерского Университета, Великобритания) и Павел Крапивский (профессор Бостонского Университета, США) внесли, наконец, ясность в этот вопрос.  

Частицы, из которых сформированы кольца, как автомобили по кольцевой трассе, двигаются по орбите вокруг планеты, но делают они это с огромной скоростью – порядка 70 000 километров в час. Эта средняя скорость потока называется общей орбитальной скоростью. Но индивидуальные частицы могут двигаться чуть медленнее или чуть быстрее – всего лишь на несколько метров в час. Однако и этого отличия достаточно для того, чтобы частицы сталкивались друг с другом.

Столкнувшись, две частички могут прилипнуть друг к другу и продолжить дальше движение по орбите уже как одно целое. Такие столкновения происходят постоянно, и, казалось бы, рано или поздно все частицы должны были бы объединиться в крупные тела и стать уже настоящими спутниками. Но по каким-то причинам этого не происходит – достигнув определенного размера, порядка 10 метров, частицы прекращают свой рост. Дело в том, что столкновения могут приводить не только к объединению частиц, но и к разрушению. Между этими двумя разнонаправленными процессами – объединения и разделения может установиться равновесие, которое и определит распределение числа частиц по их размеру.  

 Для того, чтобы проверить эту гипотезу, исследователи построили математическую модель, описывающую коллективное движение большого числа частиц. В ней столкновение двух частиц может привести к трем событиям: их объединению, разрушению или же обе они могут сохранить свою целостность. Исход столкновения зависит от массы и скорости обеих частиц.

Определившись с исходными данными, физики рассчитали эволюцию модели на суперкомпьютере МГУ «Чебышев». Результатом расчета стал закон распределения, описывающий сколько и какого размера частиц будет в такой системе планетарных колец. Оказалось, что полученные данные с поразительной точностью описывают экспериментальные наблюдения: тот самый «закон обратных кубов» и резкое прекращение роста частиц при достижении ими определенного размера. 

Какие выводы можно сделать из этого открытия? Во-первых, это математическое обоснование отсутствия больших объектов в таких системах. Как только частица дорастает до определенного размера, скорость ее разрушения становится больше скорости роста – вот почему в кольцах Сатурна нет больших частиц. Во-вторых, такой механизм образования колец универсален для самых разных небесных тел – от астероидов до планет. Как пояснила Анна Бодрова (один из авторов работы с Физфака МГУ) – пока эта универсальность представляет собой лишь хорошо обоснованное предположение. Для того чтобы его подтвердить или опровергнуть, требуются дальнейшие исследования других колец. В-третьих, результаты расчета говорят о том, что кольца Сатурна находятся в стационарном состоянии. Получается, что миллионы лет назад они с большой долей вероятности были такими же, какими мы можем видеть их сейчас. И будут еще долгое время оставаться такими же.

По материалам МГУ и PNAS