Властелин колец
Сатурн – жемчужина Солнечной системы. Прекрасные кольца делают вторую по размерам планету уникальной. Это самая «прозрачная» из всех планет, плотность ее меньше плотности воды. Она вращается так быстро, что заметно сплющена на полюсах.
Миссия «Кассини» прибыла в окрестности Сатурна в 2004 году и нацелила на чудесный окольцованный мир свои многочисленные приборы. Показания этих приборов перевернули с ног на голову многие наши представления о планете. Уникальная аппаратура «Кассини» открыла на Сатурне новый удивительный атмосферный феномен – гигантский шестиугольник, нависший над северным полюсом планеты. Зонд также совершил турне по окрестностям Сатурна, исследуя его спутники: двуликий Япет, странно изъеденный коррозией Гиперион, усеянный гейзерами Энцелад и гигантский спутник Титан с его метановыми озерами и реками.
Эхо из глубин
Проникнуть взором под разноцветные облака Сатурна не смог даже «Кассини». Но в 2015 году зонду удалось получить некоторые интересные данные о его внутренней части. Возмущения в системе колец планеты указывали на цунами в масштабах всей планеты, мчащиеся вокруг экватора, и намекали на существование удивительных структур под облаками – возможно, гигантских водоворотов глубиной в тысячи километров, погребенную сферу света или нечто еще более странное.
В 1980 году первая миссия «Вояджера» обнаружила, что кольца Сатурна устроены по принципу спиралевидных волн плотности и отчасти похожи на рукава спиральной галактики. Большинство этих волн расходятся наружу; известно, что они формируются благодаря силе притяжения спутников Сатурна. Но несколько волн направлены внутрь, и исследователи подозревают, что это эхо гораздо более существенных волн, находящихся глубоко внутри планеты.
Согласно общепринятому мнению, Сатурн – это однородный жидкий шар, гомогенная смесь водорода и гелия; и теоретически это вещество может образовывать волны, которые бегут вдоль экватора. Волнообразная гравитация пиков и впадин на одной из таких планетарных волн вполне может вызвать спиральную волну в кольцах наверху.
Но не стоит делать конкретных выводов, основываясь на ограниченных данных «Вояджера». Филипп Николсон и его коллеги из Корнельского университета начали систематизировать наблюдения «Кассини», находившегося на орбите Сатурна до 2017 года. Они проследили во внутренних кольцах несколько спиралей, которые подтверждают основную идею: внутри жидкого тела планеты действительно бегут волны. А затем возникли странности.
Если планета представляет собой простой жидкий шар, то, согласно теории, скорость каждой волны должна определяться числом ее пиков. Волна с тремя вершинами движется медленнее, чем волна с двумя вершинами, и так далее. Исследователи ожидали увидеть по одному примеру каждого типа спирали, вращающейся со своей уникальной скоростью. Вместо этого Николсон с коллегами нашли три самостоятельных волны с тремя спиральными рукавами, скорости которых мало отличались друг от друга, а также две отдельных волны с двумя спиральными рукавами.
В качестве одного из объяснений можно предложить модель большого, твердого, колеблющегося ядра, при колебаниях которого возникают волны, интерферирующие с волнами жидкости сверху. Хотя это и соответствует общепринятым представлениям о формировании планет, в модель требуется внести некоторые коррективы, которые позволили бы объяснить существование этих специфических волн.
С другой стороны, на планете может быть слой, в котором водородно-гелиевая смесь ведет себя странно. В некоторой точке молекулы водорода и гелия могут распадаться на отдельные атомы, и смесь станет относительно прозрачной, создав светящуюся сферу с иными колебаниями. В этом случае спиральные рукава могли бы поведать нам о том, что происходит с веществом при таком давлении, то есть в таком режиме, который пока не могут моделировать наши компьютеры.
Самое странное, что несколько спиральных волн движутся почти со скоростью вращения Сатурна. Это может объясняться наличием устойчивых холмов и долин на планете. Но если Сатурн жидкий, это будет равносильно открытию водяных холмов в океане.
Если на Сатурне действуют те же законы физики, что и у нас, жидких холмов просто не может быть. Коллега Николсона Мариам Аль-Мутамид выдвигает еще одно предположение: глубоко внутри планеты существуют массивные вихри, менее плотные, чем окружающая жидкость, и потому обладающие меньшей гравитацией. Такая конфигурация может создать провалы в гравитационном поле Сатурна, что может объяснить наличие этих спиралей.
Начало кольца
Эффектные кольца Сатурна состоят из триллионов ледяных частиц, сплетенных в тысячи тонких нитей, над которыми властвуют крошечные луны. Винтообразные узоры в кольцах помогают некоторым исследователям изучать происхождение планет в пыльных дисках вокруг молодых звезд. Но происхождение самих колец до сих пор остается неясным.
Популярна идея, что кольца образуются, когда астероид или комета, пролетающие мимо планеты, распыляются под действием ее поля притяжения. Но это не объясняет, почему кольца Сатурна состоят в основном из водяного льда, в то время как кольца вокруг других газовых гигантов – скалистые.
В 2016 году Риюки Хуодо и его коллеги из университета Кобе в Японии создали новую модель образования колец. Они рассмотрели, как вращается в пространстве пролетающий объект: совпадает ли его кружение с направлением, в котором он движется вокруг планеты, или он делает сальто назад. Ученые обнаружили, что тела, вращение которых совпадает с направлением их движения вокруг планеты, легче раскалываются на куски, а их фрагменты более эффективно «засасываются» на орбиту. Это происходит, потому что гравитационное поле планеты сильнее притягивает ближнюю сторону маленького объекта и тянет его в том же направлении, в котором он движется. Если же гравитационное поле планеты работает в направлении, противоположном вращению объекта, оно не сможет захватить такое же большое количество вещества, как в первом случае.
Ученые также проанализировали, как Сатурн и Уран могут влиять на пролетающие мимо них объекты с различными типами вращения. Они построили модель, которая включала более сложные тела: не только однородные шары, но и гораздо более реалистичные объекты с твердым каменистым ядром, окруженным ледяной мантией.
Некоторые сценарии предполагают, что Сатурн притягивал только внешний слой замерзшей воды проходящего мимо тела, создавая протокольца, которые постепенно превратились в наблюдаемые ныне ледяные обручи. При моделировании аналогичных процессов на Уране, как правило, кольца получались более каменистые. Поскольку Уран плотнее Сатурна, его гравитационное поле может захватить большую часть более глубокой, скалистой оболочки проходящего тела.
Кое-что в этом сценарии озадачивает. В суматохе ранней Солнечной системы, около 4 миллиардов лет назад, Сатурн и другие планеты-гиганты, скорее всего, встречались с проходящими мимо телами. В результате большинство этих объектов сталкивались с планетами или были выброшены из Солнечной системы. С течением времени межпланетная пыль должна была загрязнить чистые ледяные кольца Сатурна. Но чистый водяной лед колец Сатурна свидетельствует о том, что кольца достаточно молоды. Наблюдения «Кассини» указывают на малую массу колец, то есть они не такие уж прочные и вряд ли существуют миллиарды лет. Может быть, Сатурну просто повезло, и в недавнем прошлом он встретил на своем пути ледяной мир, или же после каких-то орбитальных проделок он разорвал одну из своих лун? Или кольца все-таки древние, сохранившиеся со времен образования планеты, но почему-то оставшиеся чистыми?
