Математика космоса. Как современная наука расшифровывает Вселенную - Йен Стюарт

Ричард Террайл — один из ученых, работавших с полученными изображениями, — заметил кое-что совершенно неожиданное: темные тени, похожие на размытые спицы колеса, которые к тому же вращались. Никто до него не видел в кольцах ничего, что нарушало бы кольцевую симметрию. А тщательный анализ радиусов колец выявил еще одну загадку: одно из колец оказалось не совсем круглым.

Voyager 2, запущенный раньше Voyager 1, но двигавшийся медленнее, чтобы получить возможность проследовать дальше, к Урану и Нептуну, подтвердил эти находки, когда прошел мимо Сатурна девять месяцев спустя. Но с притоком новой информации появились и новые загадки. Некоторые кольца выглядели так, будто заплетены в косичку; у некоторых были видны странные петли; нашлись также неполные кольца, которые состояли из нескольких дуг, разделенных промежутками. Кроме того, внутри колец были замечены неизвестные ранее спутники Сатурна. До пролетов «вояджеров» земные астрономы знали девять лун Сатурна[39], но вскоре после пролетов их число выросло до тридцати с лишним. Сегодня их насчитывается 62 плюс сотня или даже больше крохотных спутничков, обитающих в кольцах. Из всего этого множества 53 спутника на сегодняшний день имеют официальные названия. Зонд Cassini, находящийся на орбите вокруг Сатурна, обеспечивает земным астрономам непрерывный приток данных о планете, ее кольцах и лунах[40].

Некоторые особенности колец Сатурна объясняются присутствием поблизости его лун. Основное гравитационное воздействие на частицы колец оказывает сам Сатурн. Далее по степени значительности воздействия идет тяготение разных его лун, в особенности ближайших. Так что хотя особенности колец, кажется, не связаны с резонансами с основными спутниками планеты, можно ожидать, что они окажутся связаны с менее крупными, зато более близкими спутниками. Это математическое предсказание очень наглядно подтвердилось тонкой структурой внешней области кольца A. Буквально каждая особенность здесь наблюдается на расстоянии, соответствующем какому-нибудь резонансу с лунами Пандорой и Прометеем, лежащими по разные стороны от близлежащего кольца F, — к этой взаимосвязи мы еще вернемся. В интересующих нас резонансах обычно фигурируют, по математическим соображениям, два соседних целых числа — к примеру, 28:27.

На диаграмме показана внешняя граница кольца A, а наклонные белые линии — это области, где плотность частиц больше средней. Вертикальные линии указывают соответствующие этим линиям резонансы: пунктирные линии отмечают резонансы с Пандорой, сплошные — с Прометеем. По существу, мы видим, что все заметные линии соответствуют резонансным орбитам. Также на рисунке показано расположение спиральной волны изгиба (BW) и спиральной волны плотности (DW), соответствующих резонансу 8:5 еще с одной луной Сатурна — Минасом.

* * *

Кольцо F очень узкое, и это ставит астрономов в тупик, поскольку узкие кольца, если они не подвержены внешним влияниям, нестабильны и должны, по идее, медленно расширяться. Ученые пытались это объяснить с привлечением Пандоры и Прометея, но некоторые черты по-прежнему остаются непонятными.

Эта проблема впервые проявилась в связи с другой планетой, Ураном. Долгое время Сатурн был единственной планетой Солнечной системы (или любой другой, вообще говоря), у которой была известна система колец. Но в 1977 году Джеймс Эллиот, Эдвард Данхэм и Джессика Минк проводили наблюдения на воздушной Обсерватории имени Койпера — транспортном самолете, оборудованном телескопом и другой наблюдательной аппаратурой. Их целью было узнать побольше об атмосфере Урана.

Когда планета движется по орбите, она иногда проходит перед какой-нибудь звездой, заслоняя собой часть ее света[41]; такое событие называется покрытием звезды. Измеряя видимый поток света от звезды, когда она постепенно тускнеет, а затем вновь обретает яркость, астрономы получают информацию об атмосфере планеты. Для этого анализируются кривые блеска звезды, описывающие, как изменяется количество излучаемого ею света разных длин волн. В 1977 году было предсказано покрытие звезды SAO 158687 Ураном; именно это событие Эллиот, Данхэм и Минк планировали наблюдать.

Данная методика наблюдений дает информацию не только об атмосфере планеты, но и о любых объектах, находящихся на ее орбите, если им случится тоже затенить звезду. Полученная исследователями кривая блеска показала серию из пяти крохотных провалов еще до основного события, в ходе которого блеск звезды сильно снизился, и соответствующую серию провалов после того, как Уран прошел по звезде. Одно такое снижение блеска может быть вызвано просто крохотным спутником планеты, но для этого спутник должен оказаться точно в нужном месте в нужное время — причем дважды. Кольцо же в любом случае пройдет по звезде, и никаких случайных совпадений не потребуется, чтобы это событие отразилось на кривой блеска. Так что наиболее разумным объяснением полученных данных было такое: у Урана имеется пять очень тонких и тусклых колец.

Сблизившись с Ураном, «Вояджеры» подтвердили эту теорию, непосредственно зафиксировав наличие у планеты колец. (На сегодня их известно 13.) Они обнаружили также, что ширина этих колец не превышает 10 километров. Такая ширина представляется чрезвычайно малой, поскольку, как уже говорилось, узкое кольцо должно быть нестабильным и медленно расширяться с течением времени. Разобравшись в механизмах, заставляющих узкое кольцо расширяться, мы можем оценить вероятное время жизни узкого кольца. Оказывается, кольца Урана не должны продержаться в таком виде более 2500 лет. Возможно, эти кольца сформировались менее 2500 лет назад, но одновременное или очень близкое по времени образование сразу девяти колец представляется маловероятным. Альтернативная гипотеза состоит в том, что какой-то другой фактор стабилизирует кольца и не позволяет им расширяться. В 1979 году Петер Голдрайх и Скотт Тремейн предложили замечательный механизм получения именно такого эффекта: это спутники-пастухи.

Представьте себе, что узкое кольцо, о котором идет речь, располагается (случайно) слегка внутри орбиты небольшого спутника. По третьему закону Кеплера этот спутник обращается вокруг планеты чуть медленнее, чем внешний край кольца. Расчеты показывают, что это делает эллиптическую орбиту частицы кольца чуть менее вытянутой (более округлой), так что максимальное расстояние, на которое частица удаляется от планеты, чуть уменьшается. Выглядит это так, будто спутник отталкивает кольцо, но на самом деле такой эффект дает действие гравитационных сил, замедляющих частицы кольца.