Спутник Сатурна Энцелад имеет необычный шлейф

Спутник Сатурна Энцелад, по новейшим данным американского космического аппарата "Кассини", имеет необычный шлейф, состав которого сейчас изучают специалисты-планетологи. Полупрозрачная "кисея" этого шлейфа образована загадочными струями, извергающимися с самой поверхности спутника. А их состав оказался многокомпонентным и весьма необычным.

До начала космических миссий об Энцеладе имелось очень мало сведений. В основном об этом небесным теле ученым рассказал зонд "Кассини", хотя обнаружили его достаточно давно. Открытие Энцелада принадлежит Уильяму Гершелю, обнаружившему спутник в 1789 году. Позже стало известно, что Энцелад совершает орбитальное движение в среде достаточно плотного кольца Е Сатурна, и по-видимому может обмениваться с ним веществом.

Сам Энцелад невелик, диаметр его около 500 км, а ледяная поверхность спутника хорошо отражает солнечный свет. Впервые два межпланетных зонда, "Вояджер" и "Вояджер-2" прошли мимо Энцелада в начале 1980-х годов, и с тех пор это небессное тело вызывает огромный интерес исследователей. Фотографии с "Вояджера" обнаружили детали рельефа Энцелада — оказывается, там есть кратеры и равнины.

Читайте также: Сатурн калечит свои спутники

С 2005 года космическая миссия "Кассини" приступила к гораздо более детальному исследованию необычного спутника. На фотоснимках были обнаружены гигантские струи извержений с южного полюса Энцелада — целый шлейф воды, исторгающийся в результате каких-то динамических процессов из-под ледяной коры Энцелада. Считается, что причины появления этой мантии — не только тектонические, когда происходят разломы и подвижки коры спутника, но и внутренний разогрев, который создает процессы типа вулканических, а также приливные волны.

При этом ученые считают, что вполне возможно пополнение сатурнианского кольца Е водяными массами, выброшенными в извержений с поверхности Энцелада. Более того, исследуемый состав шлейфа оказался столь неоднородным, что его разделяют его на качественно разнородные плазменно-пылевые образования. Они порождаются "плазменной лабораторией" неспокойного спутника, посылающего гейзеры струй на сотни километров прочь от ледяной поверхности, под которой, как оказалось бушует океан. И проявляет он себя только лишь посредством этих водяных извержений.

 

Ученые полагают, что в струях на фото "Кассини видны шлейфы с "пылевой плазмой" — состоянием, теоретически возможным, но ранее не описанным в наблюдениях за Энцеладом. Полученные результаты обсуждаются в двух статьях, вышедших в Journal of Geophysical Research Space Physics.

Во Вселенной, как полагают, 99 процентов материи находится в виде плазмы. Миссия "Кассини" используется для непосредственного наблюдения за поведением облаков ионов и электронов в окрестностях Энцелада, в его "вуали". Ученым хочется понять, каким образом Солнце дает энергию плазменной среде окружения Сатурна и как удерживается плазма в магнитном поле газового гиганта (ведь это определяет "погоду" в его мощной атмосфере).

Льдистый и неспокойный Энцелад является основным источником ионизированного материала, пополняющего огромную (в сравнении с земной!) магнитосферу вокруг Сатурна. Центнер паров воды в секунду (что составляет массу одной небольшой кометы) выходит из длинных трещин так называемых тигровых полос в южной полярной области. Выброс преобразуется в шлейф из ледяных частиц и нейтрального газа — в основном это водяной пар. А приобретает заряженные частицы эта "вуаль" при взаимодействии с плазмой, удерживаемой магнитосферой Сатурна.

Состав этой уникальной газо-пыле-плазменной смеси был исследован в миссии "Кассини" посредством нескольких инструментов, в том числе спектрометра, магнитометра — инструментов для визуализации магнитосферы, а также приборов для регистрации электромагнитных и плазменных волн. Самым интересным оказалось то, что размеры частиц варьируются от небольших скоплений воды (~ нескольких молекул) до 100 мкм. Они улавливают электроны, приобретая их заряд. До 90 процентов электронов шлейфа захватываются большими тяжелыми частицами.

 

"Кассини" наблюдал, как в этих условиях положительно заряженные ионы могут быть маленькими, "легкими" разновидностями плазмы, а отрицательно заряженные частицы превращаются в "тяжелые" компоненты плазмы. Этот процесс порождения "аномальной" плазмы радикально отличен от таковых, формирующих "нормальную" плазму, в которой свободные электроны в тысячи раз легче, чем массивные положительные ионы.

В статье "Пылевая плазма в окрестности Энцелада" группа шведских и американских ученых анализирует наблюдения радио- и плазменных волн, полученные в 2008 году в четырех облетах спутника. Зондом обнаружена высокая плотность плазмы (как ионов, так и электронов) в пределах шлейфа Энцелада, что несколько странно — плотность электронов, как правило, бывает ниже, чем таковая ионов. Исследователи предполагают, что частицы пыли размером от 1 нм до 1 мкм "выметают" отрицательно заряженные электроны.

Масса этих наноразмерных частиц колеблется от нескольких сотен до нескольких десятков тысяч атомных единиц массы (протонов), то есть они содержат десятки тысяч взаимосвязанных молекул воды. Примерно половина отрицательно заряженных электронов крепится к этим частицам, а их взаимодействие с положительно заряженными компонентами приводит к торможению последних. Поскольку пыль заряжена и ведет себя как часть плазменного облака, авторы считают это состояние вещества отличным от пыли, которая просто попадает в плазму.

"Столь сильная связь указывает на возможное состояние так называемой пылевой плазмы, а не пыли в плазме, которое широко встречается в межпланетном пространстве, — говорит ведущий автор исследования Митико Мороока из шведского Института космической физики. — Пылевая плазма доселе наблюдалась непосредственно только в верхних слоях атмосферы Земли".

Интересно, что поведение пыли подчиняется общему поведению плазмы. Это увеличивает сложность системы, меняет ее свойства и может приводить к совершенно новым взаимодействиям. Известно, что пылевая плазма существует в хвостах комет и пылевых кольцах вокруг Солнца, но ученым нечасто выпадает возможность анализировать ее в непосредственных пролетах таких образований, чтобы напрямую измерить их характеристики.

Другой анализ, основанный на данных плазменного спектрометра "Кассини", показал наличие наночастиц с электрическим зарядом, равным заряду одного избыточного электрона. "Плазменный спектрометр корабля позволил нам обнаружить и проанализировать новые классы заряженных частиц, о существовании которых никто не подозревал в те годы, когда разрабатывался этот инструмент", — отмечает ведущий автор исследования Том Хилл из Университета Райса (США).

Следует заметить, что характеристики шлейфа Энцелада удалось выявить благодаря объединению результатов всех инструментов миссии "Кассини", работа которой на орбите Сатурна началась с 2004 года. После первоначального обнаружения шлейфа путем магнитометрических измерений Свена Симона из Кельнского университета и Хендрика Кригеля из Брауншвейгского университета (это университеты в ФРГ) показали, что наблюдаемые возмущения магнитного поля Сатурна обусловлены отрицательно заряженными пылевыми частицами в шлейфе.

Читайте также: Спутник атакует родную планету

Эти результаты опубликованы в 2011 году в Journal of Geophysical Research, Space Physics. Предыдущие данные, полученные ионным и нейтральным масс-спектрометром, показали сложный состав газа в шлейфе, а анализатором космической пыли были найдены соли натрия в частицах шлейфа Энцелада. Подобная ситуация может возникнуть только в том случае, если шлейф возникает из жидкой соленой воды.

Итак, на Энцеладе существует океан — соленый, как и океан Земли, но покрытый ледяным панцирем. Разрывы ледяной коры фонтанируют гейзерами, образуют шлейфы спутника и создают взаимодействие спутника с кольцом Е, в среде которого он пребывает. Изучение плазменной среды в окружении Энцелада позволяет говорить о ее уникальных особенностях, ранее не встречавшихся исследователям.