Книга: Солнечная система (Астрономия и астрофизика)

Кольца и спутники Сатурна

Направив телескоп на Сатурн в июле 1610 г., Галилей заметил по бокам планеты небольшие придатки. Открытые за полгода до этого спутники Юпитера навели его на мысль, что телескоп помог обнаружить свиту Сатурна. Для уточнения требовались дальнейшие наблюдения. Не желая терять приоритет открытия, Галилей поступил так, как делали все ученые в эпоху, когда еще не было научных журналов: он разослал коллегам анаграмму — фразу с описанием открытия, в которой нарочно перемешаны буквы. Только автор анаграммы знает, как из этого бессмысленного набора букв вновь составить фразу. Если открытие подтвердится и зайдет спор о приоритете, он сможет сослаться на дату письма. Анаграмма Галилея в переводе расшифровывалась так: «Высочайшую планету тройною наблюдал». Однако, спустя несколько месяцев, «придатки» Сатурна исчезли, а позже появились вновь, но Галилей так и не разгадал их тайну.

Христиан Гюйгенс (1629—1695), строивший вместе с братом Константином лучшие в то время телескопы, открыл в 1655 г. спутник Сатурна — Титан, а в 1656 г. заметил «придатки» Сатурна и составил свою анаграмму, гласившую: «Сатурн окружен тонким плоским кольцом, нигде с планетой не соприкасающимся и к эклиптике наклоненным». Спустя три года, окончательно убедившись в своей правоте, он объявил об открытии и расшифровал анаграмму. Причину периодического «исчезновения» кольца Сатурна Гюйгенс объяснил тем, что в результате орбитального движения планет Земля время от времени пересекает плоскость кольца, которое с ребра практически не видно.

Новые сведения о системе Сатурна добывались наземными методами с большим трудом. Достойно восхищения упорство наблюдателей, таких как Джованни Доменико Кассини (1625—1712), разглядевших еще в докосмическую эпоху несколько малых спутников и тонкую структуру кольца Сатурна.

Бесспорно, наличие колец у Сатурна делает его одним из наиболее популярных объектов у любителей астрономии. В небольшой телескоп легко различимы три основных кольца: внешнее А, среднее В и внутреннее С, а также деление Кассини между кольцами А и В. Космические исследования показали, что у Сатурна несколько тысяч тонких колец. Одна из научных статей, посвященных этим удивительным структурам, была названа «Безумный мир колец». Зонды «Вояджер-1 и -2» установили, что размер глыб в кольцах Сатурна доходит до нескольких метров, а их химический состав аналогичен составу спутников планеты (смесь водяного снега и силикатов).

Сейчас в системе Сатурна работает зонд «Кассини», который уже сделал ряд важных открытий. Например, по его снимкам, полученным 15 сентября 2006 г., было обнаружено два новых слабых кольца: одно совпадает с орбитой Януса и Эпиметея, другое — с орбитой Паллены. Оказалось также, что некоторые из ледяных частичек, выбрасываемых с поверхности Энцелада, вероятно, входят в состав одного из призрачных колец Сатурна — кольца Е. В отличие от знакомых всем ярких колец А, В и С, очень разреженное кольцо Е заметно с Земли только в те редкие эпохи, когда наша планета пересекает плоскость колец Сатурна; а происходит это примерно раз в 15 лет. Впервые кольцо Е астрономы увидели в 1966 г., а в 1980 г. его удалось сфотографировать. Цвет его оказался голубым. Лучшие изображения кольца Е были получены телескопом «Хаббл». Оказалось, что наиболее плотная и яркая часть кольца Е лежит на расстоянии 235 тыс. км. от центра Сатурна, т.е. практически совпадает с орбитой Энцелада. На изображениях, полученных «Хабблом», кольцо Е можно проследить до расстояния 480 тыс. км. Минимальную толщину (в вертикальном направлении) кольцо имеет в районе орбиты Энцелада, а с удалением от нее распухает, достигая на больших расстояниях толщины 15 тыс. км. и даже более.

Интересно отметить, что у внутренней кромки кольца Е располагается тоже очень слабозаметное кольцо G радиусом 170 тыс. км. и шириной всего 6000 км. Его обнаружили в 1979 г. по данным зонда «Пионер-11». Это кольцо имеет нейтральный цвет, указывающий на более крупный размер его частиц, представляющих реальную опасность для тех космических аппаратов, которые работают и еще будут работать в этой области системы Сатурна.

Титан — крупнейший и самый интересный спутник Сатурна. Он вполне оправдывает свое имя, лишь немного уступая крупнейшему спутнику в Солнечной системе — Ганимеду, — и так же, как он, превосходя размером Меркурий. Еще наземные наблюдения показали, что Титан имеет плотную атмосферу. Пролетая в 1981 г. через систему Сатурна, «Вояджер-2» обнаружил, что основным компонентом атмосферы Титана (как и земной атмосферы!) является азот (85%), а кроме него присутствуют аргон, метан и другие углеводороды. Похоже, атмосфера Титана напоминает атмосферу юной Земли в период зарождения жизни. А давление (1,6 атм.) и температура (95 К) у поверхности Титана таковы, что там возможно существование озер из углеводородов.

Существовало даже мнение, что плотная атмосфера Титана образовалась именно из-за наличия там биосферы. Однако для форм жизни, подобных земным, температура на поверхности Титана все же слишком низка. Во всяком случае, для астрохимии Титан представляется интереснейшим объектом исследования. В середине 2004 г. в систему Сатурна прибыл американо-европейский зонд «Кассини» с посадочным аппаратом «Гюйгенс», который 14 января 2005 г. опустился на поверхность Титана. Как и ожидалось, она выглядит безжизненной — слишком холодно! Но «Кассини» продолжает исследования Титана, регулярно пролетая мимо него. В полярных областях уже обнаружены области, очень похожие на углеводородные моря. Замечательная маленькая планета Титан становится все интереснее.

Среди остальных спутников Сатурна лишь Япет, Рея, Диона и Тефия имеют радиусы 500—800 км., а все прочие спутники заметно мельче. Интересно, что средняя плотность у спутников Сатурна близка к плотности водяного льда и не уменьшается с удалением от планеты, что характерно для галилеевых спутников Юпитера. Вероятно, причина в том, что молодой Сатурн излучал в космос намного меньше тепла, чем Юпитер, и температура даже на расстоянии 160000 км. от планеты (где расположен спутник Мимас плотностью 1,2 г/см³) не поднималась настолько, чтобы вода мигрировала в более холодные окрестности планеты. Разумеется, если сейчас спутники находятся именно там, где они сформировались.

Рис. Мимас.

Кстати, Мимас интересен не только тем, что это ближайший к Сатурну крупный спутник; он также обладатель огромного ударного кратера диаметром 130 км., что составляет 1/3 от диаметра самого спутника. Удивительно, как Мимас выдержал такое столкновение и не раскололся. Еще ближе к Сатурну, рядом с кольцами и внутри них движутся маленькие тела, среди которых Пан, Атлант, Прометей, Пандорра, Янус и Эпиметей.

Любопытен Энцелад, на поверхности которого найдены бескратерные районы. Средняя плотность Энцелада всего 1,1 г/см³, что указывает на преимущественно водный состав его недр. Об этом же говорит и идеально сферическая форма этого сравнительно небольшого спутника. Все это было известно довольно давно. Высказывались даже предположения, что несколько сотен миллионов лет назад на Энцеладе происходили извержения ледяных вулканов, выбросы которых омолодили поверхность. Однако никто не ожидал, что в наши дня на поверхности спутника бьют фонтаны. Тем не менее, это так. Наблюдения с борта «Кассини» показали, что струи воды (в виде пара и льдинок) взлетают над поверхностью Энцелада с такой силой, что частично даже улетают в космос.

Рис. Энцелад.

Эти струи были открыты на изображениях, переданных зондом «Кассини» в момент, когда, пролетая мимо Энцелада, он получил команду посмотреть назад, в направлении Солнца. Энцелад при этом был виден аппарату с ночной стороны, а небольшая часть его дневной стороны выглядывала из-за ночной как тонкий полумесяц. Рассеивающие солнечный свет частицы, выброшенные с поверхности спутника, должны быть хорошо видны с этого направления. Выбранная тактика наблюдений оказалась успешной: на полученном изображении видно несколько струй, вылетающих из тех мест, где раньше были обнаружены разломы поверхности — «тигровые полосы». Еще в июле 2005 г. «Кассини» обнаружил увеличенный поток частиц из этих областей, а в ноябре 2005 г. удалось сфотографировать и сами «гейзеры».

Исследователи полагают, что на снимках мы видим мелкие частицы льда, в который превратилась вода, вырвавшись из-под поверхности спутника в вакуум космического пространства. Вероятно, эти струи выбрасываться из «карманов», заполненных водой при температуре около 0°С. Вскипая при уменьшении давления, вода стремительно расширяется и выплескивается наружу, как в случае хорошо известного холодного гейзера в Йеллоустонском национальном парке (США). Большая часть воды, разумеется, падает на поверхность и замерзает. Но поскольку вторая космическая скорость на поверхности Энцелада всего около 200 м/с, часть выброшенного вещества устремляется в космос.

Эта находка уникальна тем, что прямо демонстрирует присутствие жидкой воды у поверхности небесного тела. Уже многие годы обсуждается подповерхностный океан, обнаруженный на спутнике Юпитера Европе. Но нужно помнить, что этот океан пока обнаружен лишь косвенно: на Европе о наличии внутреннего океана свидетельствуют геологические особенности поверхности, тогда как на Энцеладе прямо наблюдается водяной пар, выбрасываемый из источников, близких к поверхности.

Когда «Кассини» прибыл в систему Сатурна, он обнаружил, что окрестности планеты заполнены атомами кислорода. Тогда ученые не имели представления, откуда берется кислород. И только позже стало ясно, что Энцелад выбрасывает молекулы воды, которые расщепляются солнечным ультрафиолетом на кислород и водород. При этом за самим Энцеладом тянется шлейф из заряженных частиц.

Существование воды на Энцеладе открывает перед исследователями заманчивые перспективы. Данные, переданные с борта «Кассини», убеждают в том, что запасы жидкой воды находятся на глубине всего в несколько десятков метров под поверхностью Энцелада. Струи бьют из подповерхностных резервуаров, где жидкая вода имеет температуру около 0°С, хотя температура на поверхности Энцелада примерно —200°С. Такие приповерхностные запасы воды должны быть намного доступнее, чем, например, внутренний океан Европы, скрытый многокилометровой толщей льда. Жидкая вода на Энцеладе открывает перспективы для поиска внеземной жизни. Фактически это открытие существенно раздвигает границы, в пределах которых в Солнечной системе существуют условия, приемлемые для живых организмов.

Перед планетологами теперь встали новые вопросы. Почему Энцелад сейчас так активен? Существуют ли на его поверхности еще и другие активные места? Может ли быть эта активность настолько продолжительной, чтобы дать жизни шанс зародиться под поверхностью спутника? Весной 2008 г. ученые получат еще один шанс посмотреть на Энцелад, когда «Кассини» пролетит от него на расстоянии всего лишь 350 км. Правда, к тому времени ресурс аппарата уже будет близок к исчерпанию. Но главное сделано: наряду с Титаном, Энцелад теперь стал приоритетным объектом исследований в системе Сатурна и одним из самых притягательным мест для экзобиологов в Солнечной системе.

Рис. Гиперион размером 370?280?226 км.

Рис. Феба диаметр около 220 км.

У Сатурна много и других спутников, тоже очень интересных. Рея и Тефия внешне напоминают Луну и Меркурий. На поверхности Дионы обнаружены системы светлый лучей. Гиперион имеет неправильную форму и напоминает головку сыра. Япет давно интересовал ученых, ведь его блеск в ходе орбитального движения изменяется в 10 раз. Оказалось, что одно полушарие Япета темное, а второе светлое. Наиболее далекие спутники — Феба и другие, — скорее всего, были захвачены Сатурном из пояса астероидов.