Математика космоса. Как современная наука расшифровывает Вселенную - Йен Стюарт

В 2014 году еще одна система колец была обнаружена в Солнечной системе в совершенно невероятном месте: вокруг астероида (10199) Харикло — малого тела, принадлежащего к типу так называемых кентавров[43]. Это тело обращается между Сатурном и Ураном и является крупнейшим известным кентавром. Его кольца проявили себя двумя легкими снижениями яркости в серии наблюдений, в которых Харикло заслонял собой (на астрономическом жаргоне — покрывал) различные звезды. Относительное положение этих впадинок на графике близко все к тому же эллипсу с Харикло возле центра; предполагается присутствие двух близких колец на почти круговых орбитах, плоскость которых видна нам под углом. Одно из колец имеет радиус 391 километр и ширину около семи километров; затем идет девятикилометровый промежуток до второго кольца радиусом 405 километров.

Поскольку уже понятно, что системы колец в космосе встречаются, их существование не может быть простой случайностью. Но как же формируются кольца? Существует три основные теории. Они могли сформироваться из первоначального газового диска одновременно с планетой; они могут оказаться остатками луны, разбитой при столкновении; они могут быть остатками луны, подошедшей к планете ближе предела Роша, на котором приливные силы превышают прочность камня, и разрушенной ими.

Поймать систему колец в стадии формирования шансов мало, хотя открытие Кенворти и Мамаека показывает, что это в принципе возможно, но при этом мы получим в лучшем случае мгновенный снимок. Весь процесс занимает не одну тысячу лет, и наблюдать его целиком никаких жизней не хватит. Зато мы можем проанализировать гипотетические сценарии математически, сделать предсказания и сравнить их с результатами наблюдений. Этот процесс чем-то напоминает поиски окаменелостей в небесах. Каждая «окаменелость» рассказывает нам о том, что происходило в прошлом, но для интерпретации этих данных необходима гипотеза. А чтобы разобраться в следствиях из этой гипотезы, вам потребуются математическое моделирование, умозаключения или, что еще лучше, теоремы.

Взглянув в первый раз на Юпитер в свой новый телескоп, Галилей заметил на орбите вокруг планеты четыре крохотные искорки; получалось, что у Юпитера есть собственные луны. Это можно было считать прямым доказательством ошибочности геоцентрической теории. Галилей зарисовал взаимное расположение спутников Юпитера в своей тетради. Более детальные наблюдения можно связать в цепочку и построить график видимого движения светлых точек. Сделав это, мы получим красивые синусоидальные кривые. Известно, что естественный способ получения синусоидальной кривой состоит в том, чтобы наблюдать равномерное круговое движение с ребра. Поэтому Галилей сделал вывод, что звезды Козимо Медичи ходят кругами вокруг Юпитера в плоскости эклиптики.

Усовершенствованные телескопы помогли астрономам установить, что спутники есть у большинства планет Солнечной системы. Единственные исключения — Меркурий и Венера. У нас один спутник, у Марса — два, у Юпитера их по крайней мере 67, у Сатурна — по меньшей мере 62 плюс сотни мини-лун, у Урана — 27 и у Нептуна — 14. Да, у Плутона 5 спутников. Сами спутники варьируются от небольших камней неправильной формы до почти сферических эллипсоидов, достаточно больших, чтобы их можно было считать небольшими планетами. Поверхности спутников составляют в основном камень, лед, сера и замерзший метан.

Крохотные луны Марса Фобос и Деймос стремительно носятся по марсианскому небу, а Фобос обращается так близко к планете, что проходит над наблюдателем в направлении, противоположном движению Деймоса. Оба тела имеют неправильную форму и, вероятно, являются захваченными астероидами, или, возможно, они были одним захваченным астероидом в форме утенка, как ядро кометы 67P, представляющей собой два тела, которые мягко сошлись и слиплись между собой. Если это так, то захваченный Марсом астероид вновь распался на составные части под действием гравитации планеты: тогда Фобос — это одна половинка астероида, а Деймос — другая.

Некоторые луны представляются совершенно мертвыми; другие активны. Спутник Сатурна Энцелад выпускает из себя мощные струи ледяных гейзеров высотой 500 километров. Спутник Юпитера Ио может похвалиться покрытой серой поверхностью и по крайней мере двумя активными вулканами — Локи и Пеле, выплевывающими сернистые соединения. Должно быть, там имеются громадные подповерхностные резервуары жидкой серы, а энергия для ее разогрева, вероятно, выделяется при гравитационном сжатии спутника Юпитером. Спутник Сатурна Титан имеет метановую атмосферу, гораздо более плотную, чем, по идее, должен иметь. Спутник Нептуна Тритон обращается вокруг планеты не в ту сторону, и это указывает на то, что он был захвачен. Он очень медленно приближается по спирали к планете, и через 3,6 миллиарда лет развалится, достигнув предела Роша — расстояния, внутри которого луны разваливаются на куски под действием гравитационных напряжений.

Спутники больших планет часто состоят в резонансе. Так, период обращения Европы вдвое превосходит период Ио, а период Ганимеда вдвое превосходит период Европы и, следовательно, вчетверо превосходит период Ио. Резонансы порождаются динамикой тел, подчиняющихся закону всемирного тяготения Ньютона. Планеты с системами колец медленно собирают луны на границе колец, а затем выплевывают их одну за другой, как капли воды падают из крана. В этом процессе имеются математические закономерности.

Многие свидетельства, в том числе и математические, указывают на то, что на некоторых ледяных лунах есть подземные океаны, согреваемые приливными силами. По крайней мере в одном таком океане больше воды, чем во всех земных океанах, вместе взятых. Наличие жидкой воды делает эти луны потенциальными вместилищами простых землеподобных форм жизни (см. главу 13). А необычный химический состав Титана делает его потенциальным вместилищем форм жизни, совершенно не похожих на земные.

По крайней мере один астероид имеет собственную крошечную луну — это Ида, вокруг которой обращается миниатюрный Дактиль. Мир лун завораживает; это идеальная площадка для гравитационного моделирования и всевозможных научных рассуждений. И все это восходит к Галилею и звездам Козимо Медичи.