Текст книги "Непридуманные космические истории"

Удивительно активные и динамичные кольца Сатурна

Бросающиеся в глаза и таинственные кольца Сатурна – один из самых узнаваемых образов в Солнечной системе. Даже если вы посмотрите на них через маленький телескоп с Земли, вид колец Сатурна заставит вас затаить дыхание от восторга. Кольца вовсе не являются массивным и цельным объектом, напротив, они состоят из миллионов частиц различных форм и размеров. Длительная работа «Кассини» в системе позволила вблизи проследить происходящие в динамичной системе колец Сатурна изменения, и кольца теперь стали лабораторией, в которой можно получить представление о процессах формирования планет.

– «Кассини» поменял нашу парадигму понимания планетарных колец, – говорит Спилкер. – Мы перешли от простого представления о том, что отдельные частицы могут лишь время от времени мягко сталкиваться друг с другом, к пониманию, что в большей части главных колец Сатурна, особенно в кольцах A и B, имеются элементы, которые слипаются вместе, образуя некие структуры и оставляя за собой гравитационные завихрения. Наблюдения за их поведением позволяют установить, как именно материал колец взаимодействует сам с собой и как каменные обломки и пыль в ранней Солнечной системе могли соединяться, образуя планеты.

Спилкер говорит, что внутрикольцевые структуры иногда бывают эфемерными. Они собираются, а затем расходятся прочь, но часто имеют тенденцию к повторным попыткам формирования.

Если смотреть на величественные кольца Сатурна точно вдоль их плоскости, они кажутся лишь тончайшей горизонтальной прямой линией – это показывает, насколько они, на самом деле, тонкие. Однако кольца демонстрируют свою сложную структуру и здесь – в виде темных теней, отброшенных ими на северное полушарие Сатурна. Источник: NASA / лаборатория реактивного движения / Научный институт космических исследований

Кольца Сатурна начинаются в 7000 км над поверхностью планеты и простираются на 280 000 км от края до края; это означает, что Сатурн и его кольца полностью и точно поместились бы в пространстве, которое отделяет Луну от Земли. Состоят кольца из кусочков водяного льда с примесью скального материала, которые варьируются в размерах от многоквартирного дома до крупинки порошка талька. Они обращаются вокруг Сатурна на скоростях от 32 000 до 39 000 км/ч.

Но при этом кольца тонки, как осенняя летучая паутинка, их толщина не больше 10 м.

– Если бы вы собрали всю массу колец в одной точке, то получили бы тело не больше Энцелада по размеру, – говорит Спилкер. – Так что это невероятное зрелище создается из относительно небольшой массы!

Несмотря на маленькую массу, система колец демонстрирует огромное разнообразие структур в ней. «Кассини» обнаружил мини-спутники, которые создают причудливые фигуры в толще колец, наблюдал предполагаемое рождение новой луны и изучал, возможно, самое активное и хаотично вздыбленное планетное кольцо во всей Солнечной системе – кольцо F.

Кольца называли буквами латинского алфавита по мере их открытия, поэтому порядок следования главных колец по направлению от Сатурна может поставить в тупик: D, C, B, A, F, G и потом – E. «Это пример того, как у астрономов начисто не хватает воображения, когда нужно чему-нибудь дать имя», – с улыбкой говорит Спилкер.

Самое внутреннее из колец Сатурна, кольцо D обладает одной интересной достопримечательностью, которая кажется похожей на волнистую спираль. Ученые говорят, что эта непрерывно изменяющаяся кольцевая структура есть косвенное свидетельство, возможно, произошедшего в недалеком прошлом столкновения какого-то тела с кольцами Сатурна. Источник: NASA / лаборатория реактивного движения / Научный институт космических исследований

О существовании колец мы знаем с 1610 года, когда Галилео Галилей повернул один из первых изготовленных им телескопов к Сатурну и увидел то, что он описал как «ручки», приделанные к планете, – Галилей полагал, что, возможно, это два больших спутника. Христиан Гюйгенс впоследствии догадался, что «ручки» были на самом деле кольцами. Позже, в 1670-х годах, итальянский астроном Джованни Кассини сумел различить в кольцах более мелкие детали и даже разглядел промежутки между ними. Один из таких промежутков был в честь него назван щелью Кассини – как и проект автоматической межпланетной станции для изучения Сатурна.

Кольца Сатурна с их обозначениями. Источник: NASA / лаборатория реактивного движения / Научный институт космических исследований

Как ученый с основным интересом в области планетарных колец, Спилкер изучала состав частиц материала колец. Она и коллеги знают, что эти частицы состоят в основном из водяного льда, но есть и очень слабые следы присутствия других, пока непонятных им веществ.

– Ближе к концу нашей программы мы будем пролетать вблизи внутреннего края колец и сможем напрямую проанализировать состав материала кольца. Таким способом мы надеемся понять его.

Спилкер просит меня представить, что она держит в руке кусочек кольца Сатурна. На что он может быть похож?

– У нас есть свидетельства, что такие частицы имеют ледяное ядро, которое покрыто хлопьевидным реголитным материалом, обладающим очень высокой пористостью, – говорит она. – Это означает, что такое тело может нагреваться и остывать очень быстро по сравнению с кубиком сплошного льда.

Очень интересно то, что по мере смены времен года на Сатурне, как зарегистрировал «Кассини», частицы материала колец демонстрировали смену фаз наподобие лунных.

Вертикальные структуры отбрасывают тени на кольцо B. Снимок сделан АМС «Кассини» в августе 2009 года. Источник: NASA / лаборатория реактивного движения / Научный институт космических исследований

– Когда направление лучей Солнца меняется, можно увидеть какую-то из сторон такой частицы полностью освещенной, а по мере движения самой частицы и Солнца мы наблюдаем своеобразный эффект «фаз Луны», если эти частицы достаточно крупны, – объясняет Спилкер. – Из этого мы получаем информацию об их вращении и можем измерить температуру.

Образование в форме «пропеллера», порожденное спутником, которого не видно, ярко отсвечивает на озаренной Солнцем стороне колец. Сам спутник слишком мал, чтобы различить его на этом снимке; он находится в центре структуры-пропеллера в верхней левой части изображения вблизи деления Энке в кольце A. Кольцо A – самое внешнее из главных колец Сатурна. Источник: NASA / лаборатория реактивного движения / Научный институт космических исследований

Изменение угла падения солнечных лучей помогло обнаружить башнеобразные вертикальные образования в кольцах, которые в остальном являются довольно ровными. Эти образования формируются под воздействием гравитационного влияния небольших спутников, находящихся неподалеку, и ученым удалось проследить, как эти структуры взаимодействуют друг с другом и как в кольцах зарождаются струи, вихри и щели-промежутки.

После того как ученые из команды «Кассини» заметили какие-то загадочные щели, похожие по форме на двухлопастные пропеллеры самолета, во внешнем крае сатурнианского кольца A, их изучение вблизи показало, что причина формирования таких структур – десятки движущихся в этих местах лунных «малышей». Эти мини-спутники разнятся от одного до нескольких километров в диаметре, и они слишком малы, чтобы камеры «Кассини» смогли бы прямо сфотографировать их, но заметны благодаря двум «лопастям» пропеллеровидных структур, которые они создают. Это открытие дало понять: кольца Сатурна постоянно меняются.

Откуда же взялись сами кольца? Это вопрос, над которым бьются многие ученые.

Здесь в большом увеличении показана область в кольцах Сатурна, известная как деление Энке, промежуток шириной в 322 км в самом внешнем главном кольце A. Научная команда «Кассини» установила, что маленький спутник под названием Пан поддерживает деление Энке за счет механизма «пастушества»: спутник-«пастух» очищает его от льда и пыли, оставляя позади себя фестончатый край промежутка и волновой узор, видимый на снимке слева, который распространяется в сторону планеты-гиганта. Источник: NASA / лаборатория реактивного движения / Научный институт космических исследований

– Кольца Сатурна могли образоваться после распада большого объекта, такого как спутник или комета, а может быть, они сформировались и одновременно с самим Сатурном, – размышляет Спилкер. – Однако какой бы ни была гипотеза о происхождении колец Сатурна, она же должна объяснять причину, почему в них содержится то значительное количество водяного льда, которое следует из наблюдений «Кассини».

Линда Спилкер рассказала, что, согласно недавно созданной модели, большое тело размером с Титан постепенно приблизилось к молодому Сатурну и, перед тем как его скальное ядро обрушилось внутрь газового гиганта, потеряло по пути свои верхние ледяные слои. Из этих фрагментов и сложилось массивное кольцо из водяного льда. За прошедшие эпохи некоторые его части сгущались вдоль внешнего края кольца и затем отрывались, формируя такие ледяные луны, как Энцелад, Тефия и Диона.

Возраст колец – тоже давнишняя загадка.

Эта серия снимков «Кассини» показывает развитие самого большого урагана, который был замечен на этой планете, начиная с 1990 года. Эти композитные изображения в истинных и близких к истинным цветах представляют собой хронику бури, которая началась во второй половине 2010 года и продолжалась до середины 2011-го: видно, что голова шторма быстро выросла до больших размеров, но в конце концов была поглощена своим же хвостом. Источник: NASA / лаборатория реактивного движения / Научный институт космических исследований

– Чем массивнее кольцо, тем дольше оно существует, – говорит Спилкер. – Для менее массивных возможен такой сценарий, когда они образовались благодаря распаду спутника, кометы или астероида в пределах до нескольких сотен миллионов лет назад. Для того чтобы понять возраст и эволюционный путь колец, ключевой фактор – это знание массы кольца как единого целого.

Сейчас можно говорить лишь об оценках массы кольца, но Спилкер полагает, что на завершающих орбитах «Кассини» ее группе удастся получить подтверждение этих оценок, когда космический аппарат пройдет мимо внутренней стороны кольца.

– У нас тогда получится определить массу самого Сатурна (без колец), и эту величину мы вычтем из уже известной нам массы Сатурна с кольцами, чтобы получить точную величину массы самих колец.

Изучение сверхбурь на Сатурне

Сатурн в десяток раз больше Земли, и бури на нем бушуют тоже более значительные. В конце 2010 года в относительно спокойной до этого атмосфере вдруг поднялся гигантский шторм. Он продолжался несколько месяцев и вырос до таких размеров, что опоясал всю планету бурлящей полосой. Это был грозовой шторм (но, однако, без ливней), который продолжался 201 сутки, а его огромная облачная спираль разрослась до 12 000 км. В результате этой бури произошел самый большой зафиксированный за всю историю научных наблюдений скачок температуры верхней атмосферы какой бы то ни было из известных планет. Ученые говорят, что такая буря происходит примерно раз в сатурнианский год, то есть раз в тридцать земных, так что «Кассини» очень удачно находился рядом, чтобы суметь проследить за тем, как она развилась и в конце концов утихла и рассеялась.

Два других шторма на Сатурне – постоянно бушующие, чудовищные и таинственные бури на обоих полюсах планеты. На южном полюсе присутствует гигантский ураганный шторм с большим темным «глазом», окруженным возвышающимися облаками-башнями. Диаметр этого сатурнианского урагана достигает 8000 км, или две трети от диаметра Земли, а циркулирующие в нем ветры развивают скорости 550 км/ч. Этот громадный шторм отличается от земных ураганов тем, что он привязан к полюсу и не дрейфует куда-либо прочь от одной точки. Кроме того, поскольку Сатурн – газовая планета, очевидно, что шторма на нем формируются без участия океана.

На северном полюсе планеты имеется масштабная буря шестиугольной формы, ширина которой достигает 30 000 км, скорость ветра в ней такая же огромная, как и в южном полярном шторме (550 км/ч). Источник движения этого урагана – пояс ветров верхней атмосферы; странным образом, внутренняя часть бури быстро вращается, в то время как внешний шестиугольный регион, кажется, вовсе не движется.

Такая красочная головокружительная картина открывается на снимке в искусственно усиленных цветах, где аппарат NASA «Кассини» зафиксировал вид северного полюса Сатурна. Источник: NASA / лаборатория реактивного движения Калифорнийского технологического института / Научный институт космических исследований

Движущие силы каждого из штормов остаются нерешенной загадкой, и накопление «Кассини» данных наблюдений за их изменениями во время смены природных сезонов поможет ученым понять, в чем природа тех колоссальных по масштабам метеорологических процессов, которые происходят на полюсах Сатурна.

Загадки таинственных лун

Десятки ледяных спутников, обращающихся вокруг Сатурна, разительно отличаются по размеру, форме и особенностям поверхности. Некоторые из них обладают твердыми, испещренными кратерами поверхностями; лица других лун – растрескавшийся лед, а третьи… вообще не поддаются никакому разумному описанию.

Губка или небесное тело? В результате изучения данных «Кассини» ученые полагают, что необычный вид Гипериона – заслуга того обстоятельства, что при довольно большом размере этот спутник обладает очень маленькой плотностью, что делает очень малой силу тяжести на его поверхности и придает ему сильную пористость. Источник: NASA / лаборатория реактивного движения / Научный институт космических исследований

Возможно, самый странный спутник – это Гиперион, похожий на гигантскую губку. Его длина всего лишь 270 км, и его необычный вид можно поставить в заслугу малой плотности и слабой поверхностной гравитации на этой луне, из-за чего она стала очень пористой. Пролеты «Кассини» мимо нее позволили обнаружить, что 40 % состава Гипериона – по сути, пустое место. В остальном он состоит большей частью из водяного льда, а не каменных пород.

Спутник Сатурна Япет с его крайне характерной топографической деталью: горным хребтом, который почти идеально совпадает с географическим экватором. Источник: NASA / лаборатория реактивного движения / Научный институт космических исследований

По мере движения по орбите вокруг Сатурна Гиперион хаотически вращается. Ось его вращения так сильно колеблется, что ученые из команды «Кассини» говорят, что ориентация этой луны непредсказуема.

Япет, который прозвали «Луна Инь и Ян» за то, что две его стороны по-разному окрашены, удивлял астрономов более трехсот лет. «Кассини» удалось определить, что темная красноватая пыль собралась на одном его полушарии за счет того, что этот спутник проходил через облака пыли на своем орбитальном пути. Другая, «чистая» сторона осталась ярко сиять белым льдом.

Мимас с его большим кратером Гершель выглядит очень похоже на «Звезду смерти» из фильма «Звездные войны». Источник: NASA / лаборатория реактивного движения / Научный институт космических исследований

Размер Япета составляет 1609 км, и на его экваторе находится странная горная цепь, которая делает эту луну похожей на грецкий орех. У планетологов есть несколько гипотез о том, как могли появиться эти горы, например, одна гласит, что Япет мог столкнуться с другим телом и столкновение породило множество обломков. Эти обломки вышли на орбиту вокруг Япета над его экватором и в конце концов постепенно выпали на его поверхность, сформировав экваториальные горы.

Спутник Мимас называют «Звездой смерти» за его сходство с шаровидной боевой космической станцией из «Звездных войн». Диаметр Мимаса 396 км, а гигантский кратер, похожий на мишень, на его боку имеет диаметр в 130 км. Ученые из команды «Кассини» считают: если бы объект, который врезался в Мимас и создал этот кратер, оказался больше или двигался бы быстрее, Мимас, вероятно, разорвало бы на части, и у Сатурна появилось бы еще одно кольцо.

Монтаж из двух видов спутника Сатурна Фебы: фото слева было сделано, когда станция «Кассини» приближалась к этой луне, а фото справа – когда аппарат уже миновал луну и удалялся от нее. Источник: NASA / лаборатория реактивного движения Калифорнийского технологического института / Научный институт космических исследований

Феба – тоже странная луна. Ее поперечник составляет 220 км, она неправильной формы и довольно темного цвета. Она обращается вокруг Сатурна по ретроградной орбите, то есть не в ту же самую сторону, что другие спутники, и противоположную той, куда вращается сам Сатурн. Это заставляет планетологов думать, что Феба, вероятно – странствующий объект пояса Койпера, который был захвачен Сатурном и оказался заключен в его орбиту. Феба создает пылевое кольцо, постепенно двигающееся к Сатурну, и она же послужила источником пыли, покрывшей темное полушарие Япета.

Существование океанов или озер жидкого метана на спутнике Сатурна Титане предсказывалось десятилетиями, но плотная туманная атмосфера спутника не дает увидеть на нем никаких деталей. Точнее, не давала вплоть до 22 июля 2006 года – до близкого пролета АМС «Кассини». Данные картирующего радара со съемки на этом пролете недвусмысленно указали на наличие больших участков, покрытых жидкостью. Источник: NASA / лаборатория реактивного движения Калифорнийского технологического института / геологическое управление Соединенных Штатов

На других спутниках, Дионе и Тефии, заметны следы тектонической активности – их поверхности надорвались из-за действия внутренних сил. Многие спутники, например Рея и Тефия, по всей видимости, сформировались миллиарды лет назад, тогда как луны вроде Януса и Эпиметея могли быть когда-то частями более крупных тел, которые разрушились. Ученые утверждают, что исследование и сопоставление всех этих лун говорят очень многое об истории системы Сатурна и об истории всей Солнечной системы.

Приозерные угодья Титана

Зонд «Гюйгенс» выяснил о Титане много нового, а инфракрасный картирующий спектрометр и радарные инструменты «Кассини» помогли проникнуть сквозь завесу непрозрачной атмосферы Титана и понять, что этот мир еще больше похож на Землю, чем казалось.

– Титан не переставал нас потрясать на протяжении всей нашей программы, – говорит Эрл Мейзи. – Предположительно, там есть глобальный подповерхностный океан жидкой воды, а еще на нем можно найти озера, реки, песчаные дюны, а также целую климатическую систему с метановыми дождями, и химия всех этих процессов совершенно не такая, как на Земле.

На глобальной мозаике Титана в ближнем инфракрасном диапазоне выделяются отблески солнца на поверхности приполярных морей этой луны – их видно выше границы ночной тени. NASA / лаборатория реактивного движения Калифорнийского технологического института / Университет штата Аризона / Университет штата Айдахо

– Титан демонстрирует множество геологических процессов, напоминающих земные, и за счет них там идут метановые дожди, заполняются углеводородные озера и моря, – рассказывает Линда Спилкер. – Титан – единственное известное нам, помимо Земли, место в Солнечной системе, про которое мы знаем, что на его поверхности стабильно держится жидкость.

Камеры станции «Кассини» сумели поймать этот редкий вид, на котором мы можем одновременно наблюдать кольца Сатурна, нашу планету Земля (яркая точка правее и ниже колец) и земную Луну в одном кадре. Специалисты NASA совместили изображения, полученные при помощи красного, зеленого и синего спектральных фильтров, чтобы получить этот фотоснимок в естественных цветах – таким этот вид предстал бы перед человеческим взглядом, если бы люди побывали около Сатурна. Ученые проекта «Кассини» попросили людей на Земле помахать в сторону Сатурна примерно в то время, когда этот снимок был сделан. В момент съемки «Кассини» находился на расстоянии около 1,212 млн км от Сатурна и 1,446 млрд км от нашей планеты. Источник: NASA / лаборатория реактивного движения Калифорнийского технологического института / Научный институт космических исследований

Некоторые озера на Титане так же огромны, как Великие озера на американском континенте или Каспийское море, расположенное между Европой и Азией. «Кассини» даже удалось засечь отблеск солнечного света на глади озера в северном полушарии Титана, а это говорит о том, что на поверхности таких озер ходят волны.

Наблюдения при помощи научных инструментов показали признаки наличия высохших озерных котловин у южного полюса спутника, и действующая на данный момент гипотеза такова, что на Титане озера наполняются и пересыхают по мере того, как дожди и влажность перемещаются из одного полушария в другое по ходу цикла смены времен года, длительность которого составляет 30 земных лет.

– Одна крутая вещь, которую нам удалось сделать, – это прозондировать озера радиолучом. Это примерно как светить фонариком на лужу, – объясняет Мейзи, – только при помощи радиосигнала действительно можно определить глубину озер.

Море Кракена, самое большое углеводородное море на Титане, оказалось как минимум 35 м глубиной, хотя вполне возможно, что оно гораздо больше.

– Каждый раз, пролетая мимо Титана, мы видим на нем что-нибудь новое, – говорит Мейзи. – Я просто поражен этой планетой.