– Если бы вы собрали всю массу колец в одной точке, то получили бы тело не больше Энцелада по размеру, – говорит Спилкер. – Так что это невероятное зрелище создается из относительно небольшой массы!
Несмотря на маленькую массу, система колец демонстрирует огромное разнообразие структур в ней. «Кассини» обнаружил мини-спутники, которые создают причудливые фигуры в толще колец, наблюдал предполагаемое рождение новой луны и изучал, возможно, самое активное и хаотично вздыбленное планетное кольцо во всей Солнечной системе – кольцо F.
Кольца называли буквами латинского алфавита по мере их открытия, поэтому порядок следования главных колец по направлению от Сатурна может поставить в тупик: D, C, B, A, F, G и потом – E. «Это пример того, как у астрономов начисто не хватает воображения, когда нужно чему-нибудь дать имя», – с улыбкой говорит Спилкер.
Самое внутреннее из колец Сатурна, кольцо D обладает одной интересной достопримечательностью, которая кажется похожей на волнистую спираль. Ученые говорят, что эта непрерывно изменяющаяся кольцевая структура есть косвенное свидетельство, возможно, произошедшего в недалеком прошлом столкновения какого-то тела с кольцами Сатурна. Источник: NASA / лаборатория реактивного движения / Научный институт космических исследований
О существовании колец мы знаем с 1610 года, когда Галилео Галилей повернул один из первых изготовленных им телескопов к Сатурну и увидел то, что он описал как «ручки», приделанные к планете, – Галилей полагал, что, возможно, это два больших спутника. Христиан Гюйгенс впоследствии догадался, что «ручки» были на самом деле кольцами. Позже, в 1670-х годах, итальянский астроном Джованни Кассини сумел различить в кольцах более мелкие детали и даже разглядел промежутки между ними. Один из таких промежутков был в честь него назван щелью Кассини – как и проект автоматической межпланетной станции для изучения Сатурна.
Кольца Сатурна с их обозначениями. Источник: NASA / лаборатория реактивного движения / Научный институт космических исследований
Как ученый с основным интересом в области планетарных колец, Спилкер изучала состав частиц материала колец. Она и коллеги знают, что эти частицы состоят в основном из водяного льда, но есть и очень слабые следы присутствия других, пока непонятных им веществ.
– Ближе к концу нашей программы мы будем пролетать вблизи внутреннего края колец и сможем напрямую проанализировать состав материала кольца. Таким способом мы надеемся понять его.
Спилкер просит меня представить, что она держит в руке кусочек кольца Сатурна. На что он может быть похож?
– У нас есть свидетельства, что такие частицы имеют ледяное ядро, которое покрыто хлопьевидным реголитным материалом, обладающим очень высокой пористостью, – говорит она. – Это означает, что такое тело может нагреваться и остывать очень быстро по сравнению с кубиком сплошного льда.
Очень интересно то, что по мере смены времен года на Сатурне, как зарегистрировал «Кассини», частицы материала колец демонстрировали смену фаз наподобие лунных.
Вертикальные структуры отбрасывают тени на кольцо B. Снимок сделан АМС «Кассини» в августе 2009 года. Источник: NASA / лаборатория реактивного движения / Научный институт космических исследований
– Когда направление лучей Солнца меняется, можно увидеть какую-то из сторон такой частицы полностью освещенной, а по мере движения самой частицы и Солнца мы наблюдаем своеобразный эффект «фаз Луны», если эти частицы достаточно крупны, – объясняет Спилкер. – Из этого мы получаем информацию об их вращении и можем измерить температуру.
Образование в форме «пропеллера», порожденное спутником, которого не видно, ярко отсвечивает на озаренной Солнцем стороне колец. Сам спутник слишком мал, чтобы различить его на этом снимке; он находится в центре структуры-пропеллера в верхней левой части изображения вблизи деления Энке в кольце A. Кольцо A – самое внешнее из главных колец Сатурна. Источник: NASA / лаборатория реактивного движения / Научный институт космических исследований
Изменение угла падения солнечных лучей помогло обнаружить башнеобразные вертикальные образования в кольцах, которые в остальном являются довольно ровными. Эти образования формируются под воздействием гравитационного влияния небольших спутников, находящихся неподалеку, и ученым удалось проследить, как эти структуры взаимодействуют друг с другом и как в кольцах зарождаются струи, вихри и щели-промежутки.
После того как ученые из команды «Кассини» заметили какие-то загадочные щели, похожие по форме на двухлопастные пропеллеры самолета, во внешнем крае сатурнианского кольца A, их изучение вблизи показало, что причина формирования таких структур – десятки движущихся в этих местах лунных «малышей». Эти мини-спутники разнятся от одного до нескольких километров в диаметре, и они слишком малы, чтобы камеры «Кассини» смогли бы прямо сфотографировать их, но заметны благодаря двум «лопастям» пропеллеровидных структур, которые они создают. Это открытие дало понять: кольца Сатурна постоянно меняются.
Откуда же взялись сами кольца? Это вопрос, над которым бьются многие ученые.
Здесь в большом увеличении показана область в кольцах Сатурна, известная как деление Энке, промежуток шириной в 322 км в самом внешнем главном кольце A. Научная команда «Кассини» установила, что маленький спутник под названием Пан поддерживает деление Энке за счет механизма «пастушества»: спутник-«пастух» очищает его от льда и пыли, оставляя позади себя фестончатый край промежутка и волновой узор, видимый на снимке слева, который распространяется в сторону планеты-гиганта. Источник: NASA / лаборатория реактивного движения / Научный институт космических исследований
– Кольца Сатурна могли образоваться после распада большого объекта, такого как спутник или комета, а может быть, они сформировались и одновременно с самим Сатурном, – размышляет Спилкер. – Однако какой бы ни была гипотеза о происхождении колец Сатурна, она же должна объяснять причину, почему в них содержится то значительное количество водяного льда, которое следует из наблюдений «Кассини».
Линда Спилкер рассказала, что, согласно недавно созданной модели, большое тело размером с Титан постепенно приблизилось к молодому Сатурну и, перед тем как его скальное ядро обрушилось внутрь газового гиганта, потеряло по пути свои верхние ледяные слои. Из этих фрагментов и сложилось массивное кольцо из водяного льда. За прошедшие эпохи некоторые его части сгущались вдоль внешнего края кольца и затем отрывались, формируя такие ледяные луны, как Энцелад, Тефия и Диона.
Возраст колец – тоже давнишняя загадка.
Эта серия снимков «Кассини» показывает развитие самого большого урагана, который был замечен на этой планете, начиная с 1990 года. Эти композитные изображения в истинных и близких к истинным цветах представляют собой хронику бури, которая началась во второй половине 2010 года и продолжалась до середины 2011-го: видно, что голова шторма быстро выросла до больших размеров, но в конце концов была поглощена своим же хвостом. Источник: NASA / лаборатория реактивного движения / Научный институт космических исследований
– Чем массивнее кольцо, тем дольше оно существует, – говорит Спилкер. – Для менее массивных возможен такой сценарий, когда они образовались благодаря распаду спутника, кометы или астероида в пределах до нескольких сотен миллионов лет назад. Для того чтобы понять возраст и эволюционный путь колец, ключевой фактор – это знание массы кольца как единого целого.
Сейчас можно говорить лишь об оценках массы кольца, но Спилкер полагает, что на завершающих орбитах «Кассини» ее группе удастся получить подтверждение этих оценок, когда космический аппарат пройдет мимо внутренней стороны кольца.
– У нас тогда получится определить массу самого Сатурна (без колец), и эту величину мы вычтем из уже известной нам массы Сатурна с кольцами, чтобы получить точную величину массы самих колец.
Изучение сверхбурь на Сатурне
Сатурн в десяток раз больше Земли, и бури на нем бушуют тоже более значительные. В конце 2010 года в относительно спокойной до этого атмосфере вдруг поднялся гигантский шторм. Он продолжался несколько месяцев и вырос до таких размеров, что опоясал всю планету бурлящей полосой. Это был грозовой шторм (но, однако, без ливней), который продолжался 201 сутки, а его огромная облачная спираль разрослась до 12 000 км. В результате этой бури произошел самый большой зафиксированный за всю историю научных наблюдений скачок температуры верхней атмосферы какой бы то ни было из известных планет. Ученые говорят, что такая буря происходит примерно раз в сатурнианский год, то есть раз в тридцать земных, так что «Кассини» очень удачно находился рядом, чтобы суметь проследить за тем, как она развилась и в конце концов утихла и рассеялась.
Два других шторма на Сатурне – постоянно бушующие, чудовищные и таинственные бури на обоих полюсах планеты. На южном полюсе присутствует гигантский ураганный шторм с большим темным «глазом», окруженным возвышающимися облаками-башнями. Диаметр этого сатурнианского урагана достигает 8000 км, или две трети от диаметра Земли, а циркулирующие в нем ветры развивают скорости 550 км/ч. Этот громадный шторм отличается от земных ураганов тем, что он привязан к полюсу и не дрейфует куда-либо прочь от одной точки. Кроме того, поскольку Сатурн – газовая планета, очевидно, что шторма на нем формируются без участия океана.
На северном полюсе планеты имеется масштабная буря шестиугольной формы, ширина которой достигает 30 000 км, скорость ветра в ней такая же огромная, как и в южном полярном шторме (550 км/ч). Источник движения этого урагана – пояс ветров верхней атмосферы; странным образом, внутренняя часть бури быстро вращается, в то время как внешний шестиугольный регион, кажется, вовсе не движется.
Такая красочная головокружительная картина открывается на снимке в искусственно усиленных цветах, где аппарат NASA «Кассини» зафиксировал вид северного полюса Сатурна. Источник: NASA / лаборатория реактивного движения Калифорнийского технологического института / Научный институт космических исследований