Необычная особенность отличает планеты-гиганты от планет земной группы. Вокруг них выявлены кольцевые структуры, но истинным "властелином колец" является Сатурн, имя которого позаимствовано у древнеримского бога времени и урожая. Много времени потратили астрономы на изучение природы колец Сатурна, но до сих пор они таят много загадок, хотя…
…наблюдения космических аппаратов дают возможность развивать новые концепции и уточнять известные ранее сведения, описывающие эти загадочные образования.
Даже гениального Галилея Сатурн ввел в заблуждение. Первый телескоп имел лишь 30-кратное увеличение, и летом 1610 года ученый так сообщил об увиденном: "Отдаленнейшую из планет наблюдал, тройную". Эта необычная картина поразила Галилея, а в 1612 году он вместо "тройной планеты" увидел светящийся диск! Метаморфозы Сатурна продолжались: он предстал исследователю как объект, "снабженный парой ручек"! Галилей так и не разгадал формы в окружении этой планеты, а зрение слабело, и астроном прекратил наблюдения в 1626 году, не сформулировав идею о кольцах вокруг Сатурна.
Открытие совершил Христиан Гюйгенс к 1656 году — он установил, что Сатурн окружен кольцом, уточнил положение тонкого и плоского кольца в пространстве вокруг планеты. Кольцо оказалось наклоненным к плоскости орбиты Сатурна, необычные наблюдения Галилея нашли объяснение в книге Гюйгенса "Система Сатурна", датированной 1659 годом. Исследования продолжили Лаплас и Максвелл, а далее директор Парижской обсерватории Кассини в 1675 году обнаружил в середине кольца темный раздел между внутренним и внешним кольцами — так называемое "деление Кассини". Внешнее кольцо А было менее ярким, чем внутреннее кольцо В. Так появилось представление о кольцах Сатурна, а не одном кольце, как в книге Гюйгенса! Кассини открыл четыре спутника Сатурна — Япет, Рею, Тефию и Диону, вместе с Титаном (его ранее открыл Гюйгенс) их стало уже пять!
Читайте также: Кольца Сатурна играют в снежки
Именно Кассини впервые высказал идею о том, что кольца Сатурна могут быть составлены из мелких спутников, сливающихся при наблюдениях в светлые кольца. Гениальная догадка нашла реальное подтверждение через 200 лет! Сейчас проверка гипотез осуществляется гораздо быстрее, и это замечательная особенность современности. Например, астроном Сергей Константинович Всехсвятский в 1960 году высказал гипотезу о существовании кольца вокруг Юпитера, и уже в 1979 году оно было обнаружено КА "Вояджер-1".
У остальных планет-гигантов также выявлены кольца, но Сатурн — рекордсмен по сложности и красоте своих колец. Они сияют, отражая свет Солнца, потому что они состоят на 90 процентов из частиц льда, которые имеют высокое альбедо, то есть они отражают свет практически зеркально. Но даже практически ледяные кометы содержат темные включения, и это же тоже должно быть свойственно материалу, составляющему кольца. Кольца Юпитера и Нептуна быстро чернеют от соударений с каменистыми микрочастицами, и ледяные кольца становятся почерневшими, но у Сатурна они сохраняют первозданную чистоту! Это поразительно и требует объяснений. В чем причина и почему именно Сатурн сформировал такие необычные кольца?
Обсуждается гипотеза, согласно которой кольца Сатурна образовались всего несколько сотен миллионов лет назад, поэтому они не успели почернеть. Это предположение подвергают сомнению специалисты. Робин Кануп (Robin Canup), астроном из Юго-Западного исследовательского института в Боулдере (США), говорит: "Я не знаю, каким образом кольца Сатурна могли сформироваться недавно с любой разумной вероятностью".
Это соображение значимо ввиду того, что первородные тела Солнечной системы, из которых могли формироваться кольца, преобразовывались в Солнечной системе в начальные 700 миллионов лет своего существования. Вероятность того, что у Сатурна образование колец происходило в финале этого интервала времени, вызывает сомнение.
Имеется еще невыясненная проблема массивности колец Сатурна. Неопределенность массы самого большого и хуже всего наблюдаемого кольца В затрудняет понимание протекающих в них процессов. Массу кольца В досих порне выяснили, потому что оно непрозрачно на просвет, и даже приблизительно его масса не может быть пока оценена.
Если условно предположить, что массивность наружного кольца весьма значительная, появляется возможность объяснить невероятную чистоту внутреннего кольца Сатурна. Надо сказать, что сложилась точка зрения на эти объекты, как на весьма эфемерные образования, тонкослойные и мелкодисперсные. Если это не так, то обладающие большой массой кольца даже за миллиарды лет существования могли сохранить беспримесный ледяной состав, так как каменистых микрометеоритов могло быть гораздо меньше, чем ледяной массы, и потемнения колец могло не наступить даже за большой период времени. КА "Кассини" в 2017 году должен пролететь между Сатурном и самым близким к нему кольцом D.
Этот пролет послужит проверке гипотезы о массе кольца B. По вариациям орбитальных скоростей зонда на различном удалении от колец возможна оценка истинной массы загадочного кольца B. Если величина массы совпадет с ранними оценками, проблема останется нерешенной.
И это далеко не единственная проблема в системе Сатурна! Криовулканические извержения Энцелада, спутника с постоянно фонтанирующими льдистыми водяными гейзерами, выбрасывают в окружающее пространство 16 ГВт тепла! А по расчетам, тепла должно быть в десять раз меньше, потому что ни распад радиоактивных элементов в ядре спутника, ни приливной разогрев от гигантской планеты Сатурна не могут обеспечить разгадку происходящего на Энцеладе. Гейзеры соленой воды с Энцелада породили в системе колец свое кольцо E, возникшее из-за выбросов гейзерных струй из региона южного полюса беспокойного спутника Сатурна.
Планетолог Крэйг О'Ниалл (Craig O'Neill) из Университета Маккуори в Австралии предложил свой вариант происходящего на Энцеладе. Если спутник накапливает приливную энергию разогрева внутри своей ледяной оболочки, как герметичная емкость с кипящей водой накапливает пар, пока пар не прорвется наружу, найдя выход. Такой цикл, по расчетам ученого, может быть оценен во времени как промежуток от 100 миллионов до одного миллиарда лет, на протяжении которых, благодаря низкой теплопроводности льда в коре спутника, внутри Энцелада накапливается тепло, пока нагревшаяся вода не начинает извергаться, проламывая ледяную кору. Время извержений длится относительно недолго, порядка десяти миллионов лет, однако именно этим можно, по мнению ученого, объяснять вид поверхности Энцелада, а также Европы и Миранды (спутников Юпитера и Урана), где имеются подобные следы криовулканизма.
Противоречием этой теории является Мимас, спутник Сатурна: на него гораздо сильнее воздействуют приливные силы (Мимас располагается на орбите гораздо ближе к Сатурну, чем Энцелад), однако его поверхность не имеет никаких следов криовулканизма, ни в отдаленном прошлом, ни в настоящее время. Как же отводится получаемое при разогреве тепло?
Читайте также: Прометей поджигает кольцо Сатурна
Весьма сходны Энцелад и спутник Юпитера Ио: выбросы гейзеров на последнем поднимаются на высоту 500 километров, и при этом выделяется 99 тысяч ГВт тепловой энергии. По модельным расчетам, получаются в несколько раз меньшие значения, но и эти оценки не мешают Ио быть самым вулканически активным телом. Вероятная причина этого — взаимодействие с Европой и Ганимедом, изменяющими параметры орбиты Ио и дополнительно деформирующими ее. В результате усиливается приливный разогрев из-за воздействия Юпитера.
Если такое влияние других спутников имеет место, оно должно отнимать энергию у Ио — орбита должна уменьшаться. При очередном изменении орбиты, когда она становится менее вытянутой, приближаясь к круговой, спутник может охлаждаться. Замечание Дэвида Стивенсона (David Stevenson), планетолога из Калифорнийского технологического института в Пасадене (США), сводится к тому, что если эта теория верна, поведение Ио по-прежнему остается во многом загадочным. Если ее орбита периодически изменяется и трудно оценить — насколько, то она просто слишком сложна для всех мыслимых моделей…