В мире хрупкого равновесия гравитации: кольца Сатурна

Обратите внимание на ночном небе на звезду, будто сияющую с каким-то осторожным спокойствием, неторопливо следующую в глубокой тёмной синеве, - это и есть Сатурн, шестая планета Солнечной системы. Чтобы увидеть его кольца, вам понадобится телескоп с диаметром апертуры не менее 15 мм.

По причине того, что Сатурн хорошо виден с Земли невооружённым глазом, трудно сказать, когда впервые люди обратили на него внимание. Своё название он получил от древних римлян, которые называли все планеты Солнечной системы в честь своих богов. Сатурн – бог земледелия, а поскольку сам процесс возделывания земли связан с обновлением, перерождением, вечным циклом жизни и смерти и даже с самим временем, то и в медлительной планете римляне увидели нечто похожее на одну из главных фигур своего почитания.

Первым человеком, заглянувшим глубже в космос при помощи самодельного телескопа, был Галилео Галилей. Разумеется, Сатурн привлёк его внимание, но кольца в свой простой инструмент он рассмотреть не смог: учёному показалось, что он видит не одну планету, а три каким-то образом скреплённых между собой тела, или что у этой странной планеты есть два огромных спутника. Через несколько лет Галилей снова решил понаблюдать загадочный объект, но сильно был удивлён – спутники исчезли! Только в 1659 году с помощью «модернизированного» телескопа нидерландский астроном Христиан Гюйгенс открыл кольца Сатурна. Чуть позже, начиная с 1675 года, итальянский астроном Джованни Кассини в ходе своих наблюдений установил, что у Сатурна не одно, а два кольца, а между ними находится щель, которая так и называется до сих пор в честь своего первооткрывателя – «Щель Кассини». Позднее он понял, что у Сатурна не два кольца, а больше, только вот точное их количество ему сосчитать не удалось.

Эти загадочные кольца… Сейчас мы знаем, что они состоят из ледяных частиц диаметром от нескольких миллиметров до десятков метров. Также основная теория гласит, что Сатурн сформировался из околопланетного облака, как и все остальные планеты, около 4,5 млрд лет назад.

Эта теория гласит, что кольца по своему возрасту являются ровесниками самой планеты, то есть им, как минимум, около 4 млрд лет. Другая версия повествует о том, как некий неосторожный спутник случайно «забрёл» на орбиту Сатурна, причём, газовый гигант настолько ему «понравился», что он подошёл к нему на слишком опасное близкое расстояние, за что и поплатился: Сатурн «ценит своё личное пространство», и приливные силы гравитации разорвали несчастного скитальца, сделав из него кольца, будто как напоминание для тех, кому захочется подойти поближе. Может быть, когда-то на орбите Сатурна столкнулись два спутника, останки которых сформировали кольца. Данные гипотезы предполагают, что кольца Сатурна молодые, и им всего около 100 млн лет. Но всё же мнение, что кольца – это остатки огромного околопланетного облака, являющиеся ровесниками Сатурна, считается сейчас самым правдоподобным. Но почему?

Околопланетное облако имеет протяжённость около сотни тысяч км. Из внешних областей этого облака и получились спутники. Во внутренних же областях скорости взаимного соударения растут при приближении к планете, причём, возле планеты имеется область, где частицы, достигнув определённых размеров, начинают разрушаться от взаимных столкновений, поэтому за миллиарды лет соударения метровые частицы дошли до рыхлого состояния. Они начали рассыпаться от малейших столкновений даже на незначительной скорости. Таким образом, любая крупная частица могла проходить все фазы цикла от полного разрушения до полного восстановления. Именно данный процесс не дает возможность сформироваться крупным спутникам в непосредственной близости от планеты.

Но не все придерживаются этой мысли. Да, с одной стороны, можно объяснить их возраст – если они действительно ровесники планеты, то выжить они могли только таким способом. Но другие считают, что кольца из-за постоянных ударов их составляющих могут постепенно разрушиться и рассыпаться – часть мелких частичек уже не будет удерживаться силами гравитации, а все более-менее крупное просто притянется самой планетой и сгорит в её плотной и неспокойной атмосфере.

«Живучесть» колец сохраняется именно благодаря спутникам, окружающим планету: они своей гравитацией удерживают их в стабильном состоянии. Между колец проходят по своей орбите спутники Сатурна, а сила их гравитации не позволяет им «рассыпаться»:

Почему же кольца плоские? Ответ на этот вопрос гораздо проще, чем загадка их происхождения: их форма – результат противостояния двух сил – гравитационной и центробежной. Гравитационное притяжение стремится сжать систему со всех сторон, а вращение препятствует сжатию поперёк оси вращения, но не может помешать её сплющиванию вдоль оси. А Сатурн вращается очень быстро: сутки на Сатурне (период обращения планеты вокруг своей оси) составляют всего 10 часов 34 минут 14 секунд. Только представьте скорость его вращения! Земные сутки – 24 часа, а ведь Земля совсем крошечная по сравнению с Сатурном.

Наблюдать кольца с Земли очень удобно благодаря тому, что плоскость экватора Сатурна и его колец наклонена к плоскости земной орбиты более чем на 26 градусов. Сейчас у Сатурна известно 7 более-менее широких колец. Самые большие обозначаются в таком порядке от планеты – D, C, B, A, F, G, и E. Это довольно крупные образования, которые видны в крупный телескоп с Земли. Лишь E невидимо с Земли, так как слишком разреженное и было обнаружено зондами.

Кольца С, B и A хорошо видны в любительские телескопы – именно в таком порядке они расположены от центра планеты. Между B и A расположена щель Кассини – большой промежуток, также хорошо заметный в любительские телескопы.

Но никто точно не знает, сколько колец в действительности. Дело в том, что эти 7 крупных колец разбиты на неимоверное количество более тонких, как грампластинка, содержащая множество отдельных дорожек. Количество их огромно и подсчитать все практически невозможно. Особенно учитывая, что в ширину весь диск простирается на миллионы километров, и не все его части видимы в оптическом диапазоне.

Так что мы можем выделить лишь 7 крупных колец, которые явно отличаются цветом, яркостью или разделены промежутками, а сколько в них содержится более узких – неизвестно. Причём, они при приближении сами делятся на еще более узкие. Ширина некоторых составляет всего 10 метров, а других – 1 км.

Когда мы рассматриваем кольца на фото, нам кажется, будто они монолитны, но если мы отправимся в путешествие к Сатурну и посмотрим на кольца с близкого расстояния, то увидим, что это всего лишь вращающиеся вокруг планеты глыбы ледяных камней и осколков.

Некоторые кольца называют складочными волнами, которые чем-то напоминают сморщенный картон. Такие формы образуются именно за счет гравитационного влияния спутников. Другие кольца более плотные, и уже больше напоминают CD -диск. Фрагменты колец вращаются примерно со скоростью 10 км/с, но скорости всех составляющих частиц колец, начиная от каменистых глыб и заканчивая крохотными ледяными частичками, настолько уравнены, что все соседние частицы кажутся неподвижными по отношению друг к другу. Но это только кажется на первый взгляд: на самом деле все частицы перемещаются в разных направлениях со скоростью улитки – 1-2 мм/с.

Мир Сатурна очень яркий, ведь кольца прекрасно отражают солнечный свет. Если приподняться над кольцами, то можно увидеть, что кольца Сатурна действительно выглядят как волны, а гребни этих волн могут достигать нескольких сотен метров в высоту, а виной этому является гравитационное влияние спутников. Когда Солнце находится низко над плоскостью колец, то его лучи падают на верхушки этих «волн», а сами их долины остаются в тени. Игра света и гравитации создают удивительный мир, не похожий ни на какой другой!