Математика космоса. Как современная наука расшифровывает Вселенную - Йен Стюарт

Все это очень хорошо, но такой спутник дезорганизует и остальную часть кольца, в особенности его внутренний край. Решение: добавить еще одну луну, на этот раз непосредственно внутри кольца. Она будет аналогичным образом влиять на его внутреннюю кромку, но теперь луна движется чуть быстрее кольца и потому стремится разогнать его частицы до более высокой скорости. Разогнавшись, они отодвигаются от планеты — а выглядит это опять же так, будто луна отталкивает от себя кольцо.

Если же узкое кольцо зажато между двумя небольшими лунами, эти эффекты суммируются, и кольцо как бы зажимается между орбитами спутников. Это компенсирует любые другие тенденции, которые в противном случае, вызвали бы его расширение. Такие луны называют спутниками-пастухами, потому что они сдерживают и направляют кольцо, как пастух направляет свою отару. Возможно, термин «спутники-овчарки» подошел бы лучше, но глагол «пасти» достаточно точно описывает то, чем занимаются эти луны. Более детальный анализ показывает, что на той части кольца, которая следует за внутренней луной и обгоняет внешнюю, появляется своеобразная рябь, которая вскоре затухает из-за столкновений между частицами кольца.

Когда Voyager 2 добрался до Урана, один из его снимков показал, что кольцо ε Урана аккуратно вписано между орбитами двух его лун — Офелии и Корделии. (Кольца Урана обозначаются строчными греческими буквами, и ε — это буква эпсилон.) Теория Голдрайха и Тремейна подтвердилась. Резонансы здесь тоже задействованы. Внешний край кольца ε соответствует резонансу 14:13 с Офелией, а внутренний — резонансу 24:25 с Корделией.

Кольцо F Сатурна аналогичным образом расположено между орбитами Пандоры и Прометея; считается, что это второй пример спутников-пастухов. Однако в данном случае ситуация осложняется тем, что кольцо F удивительно динамично. На изображениях, полученных с Voyager 1 в ноябре 1980 года, на кольце F видны какие-то сгущения, петли и даже сегмент с перевитыми «прядями», похожий на длинную косичку. А в августе 1981 года, когда мимо планеты проходил Voyager 2, почти ничего этого уже не было видно, наблюдалась только одна «косичка». В настоящее время считается, что остальные особенности исчезли между двумя сближениями, что подразумевает, что кольцо F способно изменить форму всего за несколько месяцев.

Предполагается, что эти преходящие динамические эффекты также вызываются действием Пандоры и Прометея. Волны, порожденные тесным сближением лун, не затухают полностью, и следы от них остаются до следующего прохода спутника. Это делает динамику кольца более сложной, и это означает также, что аккуратное объяснение, согласно которому узкое кольцо удерживают на месте спутники-пастухи, является слишком упрощенным. Более того, орбита Прометея хаотична из-за резонанса 121:118 с Пандорой, но только Прометей вносит свой вклад в сдерживание кольца F. Так что, хотя теория спутников-пастухов объясняет в какой-то степени узость кольца F, это далеко не конец истории.

Можно еще добавить, что внутренний и внешний края кольца F не соответствуют резонансам. Мало того, самые сильные резонансы около кольца F связаны с двумя совершенно другими лунами — Янусом и Эпиметием. У этих лун есть собственные странности в поведении: они соорбитальны. Буквально этот термин должен означать, что они «делят одну орбиту», и в каком-то смысле так и обстоит дело. Большую часть времени орбита одного из этих спутников на несколько километров больше, чем орбита другого. Внутренний спутник, поскольку он движется быстрее, столкнулся бы с внешним, если бы каждый из них оставался на своей эллиптической орбите. Однако они взаимодействуют между собой и меняются местами. Это происходит каждые четыре года. Вот почему я обозначил их как «внутренний» и «внешний», а который из них который, зависит от конкретного момента времени[42].

Подобные регулярные перестановки категорически не похожи на аккуратные эллипсы, которые рисовал Кеплер. Дело в том, что эллипсы — естественные орбиты в динамике системы двух тел. Когда на сцене появляется третье тело, орбиты меняют форму. В данном случае большую часть времени воздействие третьего тела достаточно невелико, чтобы его можно было игнорировать, так что каждая луна движется довольно точно по эллипсу, как если бы другой луны на той же орбите не было. Но когда луны сближаются, такая аппроксимация перестает отражать реальную картину. Спутники взаимодействуют и — в данном случае — меняются местами, так что каждый из них попадает на орбиту, где раньше находился второй. В определенном смысле истинная орбита каждого спутника может быть описана как два эллипса, сменяющие один другой, с короткой переходной траекторией между ними. Оба спутника обращаются по таким орбитам, основанным на одних и тех же двух эллипсах. А переход они совершают одновременно в противоположных направлениях.

* * *

Кольца Сатурна известны со времен Галилея, несмотря на то, что сам он не знал в точности, что они собой представляют. Кольца Урана попали в поле зрения астрономов в 1979 году. Мы сегодня знаем, что Юпитер и Нептун также обладают очень тусклыми системами колец. И даже спутник Сатурна Рея, возможно, имеет собственную очень разреженную систему колец.

Более того, в 2009 году Дуглас Хэмилтон и Майкл Скрутски обнаружили, что у Сатурна есть поистине гигантское, но очень тусклое кольцо намного больше тех, что видели Галилей и «Вояджеры». Предшественники не заметили это кольцо отчасти потому, что видимым оно является только в инфракрасном свете. Его внутренний край отстоит примерно на шесть миллионов километров от планеты, а внешний удален от нее на 18 миллионов километров. В пределах кольца обращается спутник Сатурна Феба, и очень может быть, что именно этому спутнику кольцо обязано своим существованием. Это очень разреженное кольцо состоит из льда и пыли; не исключено, что оно может помочь исследователям разобраться в давней загадке — темной стороне Япета. Известно, что одна половина спутника Япет заметно ярче другой — этот факт ставил астрономов в тупик примерно с 1700 года, когда Кассини первым обратил на него внимание. Теперь кажется вероятным, что Япет собирает на себя темное вещество гигантского кольца.

В 2015 году Мэтью Кенворти и Эрик Мамаек объявили, что у далекой экзопланеты, обращающейся вокруг звезды J1407, имеется система колец, по сравнению с которой система Сатурна кажется бледной и совершенно незначительной, даже принимая во внимание обнаруженное недавно внешнее кольцо. Эти кольца, подобно кольцам Урана, открыты в результате анализа флуктуаций на кривой блеска (кстати говоря, это основной метод обнаружения экзопланет, см. главу 13). Когда планета проходит по диску звезды (транзит), свет звезды несколько тускнеет. В данном случае ослабление блеска звезды повторялось на протяжении двух месяцев, но каждое событие (затемнение) было довольно коротким. Из этого был сделан вывод, что линию зрения от этой звезды к Земле, должно быть, пересекла какая-то экзопланета с многочисленными кольцами. В наилучшей модели получилась система из 37 колец, радиус которой составляет 0,6 а.е. (90 миллионов километров). Сама экзопланета пока не обнаружена, но считается, что она примерно в 10–40 раз массивнее Юпитера. Чистый промежуток в системе колец проще всего объяснить присутствием экзолуны, размер которой также можно оценить.