Считается, что кольца у Сатурна возникли около 100 миллионов лет назад — когда по Земле ходили динозавры. Их существование, по планетарным меркам, также весьма скоротечно — возможно, они продержатся возле планеты ещё несколько десятков миллионов лет. Астрономы смогли открыть эти кольца только когда в их распоряжении появился телескоп, то есть чуть более четырёх веков назад. С тех пор исследование колец и рассуждения об их природе — постоянное занятие множества астрономов и астрофизиков, а по истории наших представлений о кольцах можно отследить и историю современной астрономии.
Сергей ШАПИРО
Галилей впервые наблюдал Сатурн на своём новом телескопе в 1610 году. К тому времени он уже снискал себе славу открытием четырёх спутников Юпитера, или «Галилеевых лун» (Ио, Европы, Каллисто и Ганимеда).
На своём первом рисунке он интерпретировал изображение в том же ключе и изобразил то, чего нет — а именно, вместо колец Сатурна он увидел два огромных спутника. На следующей модели телескопа в 1616 году, однако, он поправился: два отдельных спутника превратились в две «рукоятки» возле планеты.
Через четыре десятилетия Кристиан Гюйгенс первым предположил, что Сатурн имеет кольца, а то, что увидел Галилей — разные ракурсы этих колец. Плоскость вращения Сатурна вокруг своей оси наклонена под углом 27° к плоскости орбиты. Несложно представить, что система колец в зависимости от положения планеты на орбите будет повёрнута к наблюдателю на Земле по-разному: на протяжении 29-летнего цикла обращения вокруг Солнца мы будем наблюдать все ракурсы колец — от «фронтального» вида до вида с ребра, когда они будут иметь вид тонкой полоски на фоне планеты.
Следующие вопросы: какой размер у колец и из чего они состоят. Некоторые астрономы даже предполагали, что они представляют собой диски из твёрдого материала (наверное, в XVII веке в такой гипотезе не видели ничего странного). По мере увеличения разрешающей способности телескопов в структуре колец проявлялось всё больше подробностей. Прежде всего открыли, что колец несколько и между ними есть щели. Затем обнаружилось, что они перемещаются относительно Сатурна. В конце концов астрономы поняли, что кольца не сплошные, а состоят из более мелких элементов. В современной терминологии это — мини-луны, то есть космические тела, значительно меньшие, чем «нормальные» спутники, но достаточно крупные, чтобы за счёт гравитации держаться как единое целое и притягивать к себе окружающий космический мусор. Существование такого типа тел только недавно подтвердил аппарат «Кассини».
Одновременно всю дорогу пробовали оценить размер и толщину колец. Определение размера колец в принципе не очень сложная задача даже для телескопов эпохи Галилея, но определение ширины требует косвенных методов вычислений: на таком расстоянии структура колец не видна. Уильям Гершель в 1789 году первым оценил ширину колец в 300 миль. Такие вычисления продолжали делать до нашего времени; например, в 1966 году их ширину оценили всего в 2,4 километра.
Новый этап в развитии наших представлений о кольцах Сатурна пришёл после того, как их в конце 1970-х — начале 1980-х достигли первые космические аппараты — Pioneer 11 и два «Вояджера». Самый известный снимок Сатурна в контровом свете Солнца как раз сделан «Вояджером» после облёта планеты. Даже на этой фотографии видно, что структуры, названные кольцами A, B и C, на самом деле складываются из миллионов мелких колец.
Космический аппарат «Кассини» провёл больше десяти лет на орбите Сатурна и предоставил гораздо больше данных, чем имелось до сих пор. Так, теперь известно, что система колец Сатурна имеет ширину от 10 метров до 1 километра. Суммарная масса частиц, составляющих кольца — 16 квадрильонов тонн. Это 0,02% массы Луны и меньше половины массы спутника Сатурна Мимаса. Частицы на 99,8% сложены льдом, а большинство из них имеют размер меньше метра. Отсюда в среде планетологов возник спор — кольца возникли в результате дезинтеграции одного из спутников Сатурна или после захвата блуждающей кометы.
За четыре столетия после изобретения телескопа кольца открыли у Юпитера, Урана и Нептуна. Французский астроном Эдуард Рош в 1849 году предложил объяснение, почему такие кольца есть у планет-гигантов, но отсутствуют у планет земной группы.
Планета и её спутник связаны гравитационными силами, вращаясь вокруг общего центра тяжести. Если космическое тело имеет конечные размеры, его разные стороны испытывают различное гравитационное воздействие со стороны парного тела. Так, притяжение Луны вызывает земные приливы — приливная волна следует за Луной в её обращении вокруг Земли (с периодом около 28 суток). С другой стороны, если спутник или астероид окажется слишком близко к планете, приливные силы могут разорвать его на куски, которые впоследствии разлетятся по всей орбите — так теоретически могут образоваться кольца вокруг массивного космического тела (не исключая Землю). Предел Роша — это минимальное безопасное расстояние для орбиты спутника. Он составляет примерно 2,5 радиусов от центра планеты. Но его значения будут различаться в зависимости от того, как мы моделируем космическое тело-спутник: есть, например, «жидкий» и «твёрдый» пределы Роша, и понятно, что спутник из твёрдых пород будет более устойчив к приливным силам, чем жидкое тело. Подробнее о приливных силах и их влиянии на целостность спутников крупных планет можно прочитать в недавней статье. Для Сатурна предел Роша составляет 87 тысяч километров над верхним слоем облаков. Это как раз место, где располагается самое внешнее его кольцо F. Для Земли это расстояние всего 10 тысяч километров над поверхностью. Чтобы астероид или комету разорвали приливные силы Земли и размазали по орбите в виде кольца вокруг Земли, они должны подойти достаточно близко. Луна находится на безопасном расстоянии 380 тысяч километров, соответственно разрушение приливными силами ей не угрожает, хотя из-за них она как раз и находится приливном захвате, обращённая к Земле всегда одной стороной.
Также орбитально-механическое объяснение есть и тому, почему кольца такие тонкие (см. выше попытки определить их толщину). Если появляется какая-либо частица с орбитой, сильно наклонённой к плоскости кольца, такая частица рано или поздно столкнётся с другой частицей из плоскости. При этом она может потерять энергию и расположиться в плоскости кольца, или будет выкинута за пределы системы. За миллионы лет такие блуждающие частицы или исчезли, или стали вращаться в пределах тонких дисков колец.
На протяжении последнего года работы «Кассини» неоднократно нырял в промежуток в 7 тысяч километров между внутренним кольцом Сатурна и верхним слоем его облаков. Если выразить результаты огромной наблюдательной работы в одном предложении, то вывод такой: кольца Сатурна постоянно меняются. Частички в кольце постоянно взаимодействуют друг с другом, слипаются и покидают зону кольца; самое главное — из колец постоянно идёт «дождь» из этих частиц.
Некоторые спутники Сатурна, в частности, его Луны Пан, Дафнис, Пандора и Прометей с размерами от 8 до 130 километров буквально «пасут» частицы материала колец, сохраняя их на орбитах. Эти луны так и называются shepherd moons, или луны-пастухи. При движении сквозь материал конец они создают волны плотности, которые удерживают материал вместе. Этот процесс нагляднее можно представить себе как поведение мусора на поверхности моря во время лёгкого волнения — волны удерживают частицы вместе, не давая им растекаться по всему водному зеркалу.
Из частиц, составляющих кольцо, постепенно формируются мини-спутники Сатурна (английский термин moonlets): частицы собираются вместе и слипаются под действием различных сил. Это означает, что кольца — эфемерные образования; конечно, не настолько, как розы на планете у Маленького Принца, но тем не менее по космическим меркам их время существования весьма скромно. Каждую секунду в атмосферу Сатурна выпадает 40 тонн льда из материала колец. Это означает, что время жизни колец может составлять всего от десятков до сотен миллионов лет.
Может ли астроном, путешествуя во времени, всё же застать кольца 100 миллионов лет назад? У астрофизиков есть неплохой индикатор, который позволяет судить об их возрасте — содержание пыли. Чем дольше объект существует в Солнечной системе, тем больше пыли он собирает и тем темнее и тусклее выглядит.
Кольца Сатурна выглядят очень ярко, в них очень мало пыли. Это означает, что они сформировались недавно, возможно, 10—100 миллионов лет назад. Это предположение опирается на принятую модель формирования колец, особенно — на предполагаемый механизм, по которому ледяные частицы собирают космическую пыль. В любом случае для нашего астронома, путешествующего во времени, кольца в разные эпохи будут выглядеть сильно отлично от своего сегодняшнего вида.
ИСТОЧНИК: 22 век https://22century.ru/popular-science-publications/saturn-rings-astrohistory